摘要:通过对设计性、研究性物理实验教学特征、教学方法、教学内容的论述,阐明了这种实验教学对培养学生科研能力和创新能力的可行性。
关键词:设计性、研究性实验;物理实验;教学策略
大学物理实验教学经历了多次的教学改革,从最初的演示性到验证性,又从验证性到现在的研究性和设计性实验,可以说实验教学改革已经取得了一定的成绩。但目前许多高等院校的实验教学仍然以验证性、测量性为主,其主要原因是设计性、研究性实验教学需要的教学内容、教学方法及实验条件在一些院校很难实现。随着高等教育体制改革的不断深化,专业口径的不断拓宽,必然要求学校加强学科建设,加强实验教学,并对实验教学提出了更高的要求,以夯实基础,使培养的人才具有较强的创新能力、竞争能力和适应能力。
一、设计性、研究性物理实验的特征
设计性、研究性实验是指在没有实验原理、实验步骤及实验方法的前提下要求学生自己设计实验装置、实验步骤,并着重对实验结果进行分析和研究才能得出结果的一种新型的物理实验。它的主要特征是内容广泛、综合性和设计性较强,相对于基础实验来说有一定难度。这类实验的目的就是想通过实验的全过程,使学生积极主动地去进行探索、思考,培养锻炼学生把已经学到的实验知识灵活地加以应用与发挥,从而培养学生的科学研究能力和创新能力。
广泛性主要指它打破了以往实验的专一性。例如在电磁学实验教学中可以将电磁场的影响实验,应用到生物磁学范畴。让学生自己设计实验来研究磁场对生物的育种、生长、果实等性能指标的影响。这样一来学生既掌握了电磁学的知识又学会了如何运用知识解决问题。设计性、研究性则是需要学生自己来查阅相关的知识及实验方法,通过分析才能设计出实验过程,并对实验结果进行分析,从而得出结论。比如上述实验,需要学生自己设计一个可控的匀强磁场,同时需要学生掌握一定的生物学知识,并且熟悉生物实验所需要的具体参数。在此基础上学生才能完成这个实验。
二、设计性、研究性物理实验的教学内容
设计性、研究性实验应以传统实验的改造和新实验的引进与编排为主要的教学内容。
传统实验的改造形式可以有两种:一是在基本实验的基础上增加设计性、研究性的扩展实验内容。例如光的干涉实验,其中有非定域干涉、定域干涉、多光束和双光束干涉等,而我们常用的是双光束干涉,在此基础上可以让学生自己设计多光束干涉实验。二是让学生改造传统实验的方法,可以对一个实验采用不同的实验方法。比如液体的表面张力系数的测量,传统的实验方法有拉脱法、毛细管法、平板法,还可以采用最大泡压法和滴重法。让学生运用不同的实验方法进行实验,可以让学生以不同角度作为切入口,认识和掌握测量液体表面张力的系数。
新实验的引进与编排要坚持两个原则:一是实验内容要具有研究性。二是所选取的实验要有可实施性。研究性是指在选题实验内容时,不能选择那些实验方法唯一、原理单一、规定实验器材的实验。这样的实验往往很难有所创新,多数是验证性、测量性的实验。可实施性是指实验原理要有科学性,实验方法要有可行性,实验仪器要有可操作性。不要选择那些还没有科学依据,实验过程过于系统和庞大的实验。这些实验往往需要专业的、多工种人才在特定的实验条件下才可以进行的。对于一些具有一定研究意义的实验可以课题的形式给出,也就是需要学生多次合作、长时间来完成,这有利于培养学生从事科学研究与合作的能力。
三、设计性、研究性物理实验的教学方法
理论和大量事实都证明,掌握了科学的研究方法,尤其是在做实验中运用到的科学研究方法,比掌握知识的本身更加重要。设计性、研究性实验的教学方法应该坚持师生平等、因人施教、专业汇通的探索式教学原则。首先,要改变师生在实验中的地位。要让学生参与、发现、提出问题,提出一个问题,往往比解决一个问题更重要。只有学生发现问题了,才有兴趣去研究,去探索。其次,不要只让学生做已成功的实验。可以通过一些失败的实验来验证或说明一些正确的原理,通过失败的实验学生可以更清楚地理解知识,当然也可以就错误的所在让学生展开探讨,也许会有意外的收获。再次,要引进相近学科相关专业的实验让学生去研究。不要开什么课就做什么实验,这样会限制学生对知识的拓宽,要让他们感觉到知识是可以相互汇通的。例如可以让学生把电磁学实验范围扩大到生物学、地理学等相关专业中,让学生更好的掌握运用知识。对于高年级学生实验教学中,我们开设了一门选修课——设计性、研究性实验。其中既有本专业所需研究地实验又引进了一些相关专业的实验。这些实验以培养创新能力为目的,要求学生在一个学期的学习中完成1~2个。教师只对其初步方案进行审核,并对其中关键性内容进行指导。在整个实验教学的全过程中,要求学生把学到的知识和技能,有创造性地运用在实验的课题中。他们可以随时与教师交流想法、讨论问题,但不能依赖教师,全部实验工作必须自己完成。实验结束时,每个课题都要写出论文,并进行答辩和交流。
总之,我们通过设计性、研究性实验教学,让学生养成发现问题、分析问题、解决问题的良好习惯,促进学生自学读书、查阅资料、撰写论文,启发学生根据实验要求,正确选择实验仪器和设计实验步骤,独立进行实验操作和对实验结果进行科学有效的分析,真正灵活掌握和运用所学的知识解决物理及相关学科的知识与技能,有效地培养大学生的创新能力和科研能力。
基金项目:黑龙江省教育厅2009科研项目 (编号:11544029)
参考文献:
[1]刘继家.设计性实验和创造性能力培养.物理实验,2002.
[2]沈元华.设计性研究性物理实验教程.复旦大学出版社,2004.
[3]金恩培.浅谈美国加拿大几所大学物理实验教学情况.物理实验,2002.
编辑/张铁辉