以设计实验为导向的实验课教学改革与探索——以地质类院校“油层物理”课程为例

郭 峰

西安石油大学 油气资源学院，陕西 西安 710065

以设计实验为导向的实验课教学改革与探索
——以地质类院校“油层物理”课程为例

郭 峰

西安石油大学 油气资源学院，陕西 西安 710065

开展设计性实验是“油层物理”课程实验教学改革中的一个重要方面。本文就实验课教学改革的必要性、内容、开课程序、实施效果和出现的问题等方面进行了探讨，提出了对设计性实验的几点探索和设想。

实验教学；油层物理；地质

高校实验室和实验教学是理论与实践相结合，培养学生创新能力和实践能力的重要环节[1-2]。设计性实验是在实验教学改革中出现的一种新的实验类型，由于它着眼于开发学生的智力，注意培养学生进行科学实验的能力与素养，有利于造就具有开拓精神和创新能力的人才，所以一开始就受到了教学工作者的重视。

设计性实验就是指学生根据一定的实验目的、要求和实验条件，通过查阅相关文献由学生自行设计实验方案，并独立完成的一种具有一定探索性和创新性的实验。从组装仪器、实验操作和记录实验现象，通过敏锐观察、严密分析实验结果并写出论文或实验报告。设计性实验可以培养学生查阅文献资料获得信息的能力、解决实际问题的能力、独立进行科学研究的能力和创新能力以及组织管理能力[3-4]等，可以激发学生的思维活动，提高学生探索新问题的兴趣，是实现素质教育的良好途径，是深化实验教学改革提高实验教学质量，改革实验教学模式，适应人才培养需要的重要举措。对于初次接触设计性实验的同学来说，树立正确的设计理念是非常重要的。正确的设计理念应该包括设计实验科学严谨性、准确度和可靠性以及方法的多样性[5]。

一、教学改革的必要性

很多学生重理论、轻实验，实验时表现出无所谓的态度，比如实验过程缺乏主动性，不去积极探索、创新；实验技术水平和教学质量更多地满足于基础性实验环节，缺乏系统的综合性、设计性和研究性实验环节，尤其在利用多种现代化实验手段、方法和工具对实验过程中的结果和现象进行深入分析研究方面，存在较大的差距。

传统的实验教学多采用注入式的教学方法，其实验内容是实验教材规定的，实验教材详细介绍实验原理、实验步骤，甚至包括某些实验现象，使学生只能按部就班地进行操作，数据类似、实验报告千篇一律。这种教学模式虽然有助于理论知识的巩固，但学生会产生很大的依赖性，束缚了学生的主观能动性，也激发不了学生对实验的兴趣和创新欲望，实验教学效果自然就不很理想。不能锻炼学生的独立操作以及分析问题和解决问题的能力。

以“孔隙度的测定”实验为例。(1）实验内容:用游标卡尺直接测量岩样的外表体积。用气测孔隙度测定仪，以氮气为工作介质，测量岩样的固相颗粒体积坎和岩样的孔隙体积，然后将测定参数直接代入公式，验证孔隙度定义。(2）实验仪器设备:气测孔隙度测定仪、岩心夹持器、岩心、游标卡尺、盒式气压计、氮气瓶。(3）实验原理:孔隙度表示岩石单位体积内所含孔隙空间的百分数，其定义为岩石孔隙体积与其岩石外表体积之比。(4）实验步骤:(略）。

可以看出，实验内容、实验仪器、实验原理及实验操作步骤等等，都已经准备好了，学生只需要按照实验指导书的“命令”行事，机械操作，“照方配药”，类似结论，难以激发学生兴趣，有的学生甚至抄袭同学的实验结果，实验教学效果可想而知。

至于设计性实验，则是采用实验任务书的形式，只列出基本实验任务，提出设计要求和预期达到的目的[6]。要求学生按实验任务书的要求预习有关教材和查阅参考资料，提出实验方案，听取指导教师的意见。实验方案确定后，便由实验室提供需用的仪器设备，独立完成操作。必要时实验室还可采用陈列实物和播放录像片等方式介绍有关设备的性能，使学生得以了解而选用。在整个过程中，教师主要起到引导的作用。

设计性实验，不仅是让学生进一步理解和掌握实验理论，更重要的是通过这种实践活动，让学生了解、体会前人的实验思想和方法，并以这种思想方法为指导，学会设计、制作、研究，培养他们从事科学实验的基本素质和开创性的科研能力，培育具有创新精神、挑战能力及丰富知识结构的具有现代活力的人才，而不是培养模仿前人、照搬经验的机械性人才，这是学以致用的根本问题。所以实验教学的重点应放在对学生实践能力的培养上，给他们发挥创造性的空间，为他们提供必要的条件，使他们真正有机会去思考、想象、设计创新，只有这样，才会使学生科学实验的基本素质和开创性的科研能力得到提高。

二、教学改革探索

为了提高实验教学质量，近年笔者尝试在目前已有的条件下改革“油层物理”实验课教学方法，设计实验课教学。主要思路是根据“油层物理”实验性强的特点，大胆探索“以设计实验为导向的“油层物理”教学方法，也就是给定实验任务，让学生自己动手设计实验，验证或测定相关的物理参数或现象，这不仅提高了学生的动手能力，还开阔了学生的创新思维、研究思路，激发学生对实验课的学习兴趣。

1.教学方法改革

从我国目前地质类高校情况来看，“油层物理”设计性实验的教学很少，其根本原因有3点:一是大部分高校已经具备可用于教学的各种“油层物理”实验条件，不愿意再投入精力去开展设计性实验教学；二是缺少与之配套的较为完善的参考材料和辅助教材；三是设计性实验的开展需要完善的实践教学体系，包括教学方法、配套实验室以及时间的分配等，有些院校达不到较好的开展设计性试验教学的基本条件。如果能解决这3个问题，将自己动手的设计性实验真正地用于实验教学之中，必将会进一步完善“油层物理”实践教学的教学体系。

首先，加强并改革实验室建设，保障设计实验教学条件。 除了购买常规实验仪器、材料外，还要为设计实验提供一定的经费支持，各种设计实验的实验材料、实验药品的购置，实验室场地等等。

其次，自编实验教材，完善“油层物理”实践教学体系。对于学生实验的设计要有一个指导思想和材料，如设计性实验项目的可操作性、实验方案的设计要求等。

再次，鼓励学生在实验过程中发现问题及解决问题。学生以组为单位按照实验设计的方案进行，要求学生对实验步骤、实验中出现的问题及其解决方法及时记录，大家共同讨论，教师适当诱导，指导学生针对问题去进行查找文献或进行实验来解决。这样，整个实验过程中不断有不同的问题出现，激发学生实验探究兴趣。使实验过程成为学生自主学习、独立探索的过程[7]。

一般设计性实验的开展包括选题、资料查阅、实验方案的设计、实验的执行及撰写实验报告。

(1）设计实验的选题。

教师根据实验室情况和学生具体情况拟定几个不同的题目供学生选择，学生在设计性实验开设前从可选题目中任选1～2个。对设计性实验选题时可行性的考虑，它既是学生经过努力可以完成的课题，包括时间、能力和知识面等方面，还应注意到实验室的适应能力和管理水平，如实验室的技术管理和财物管理。因为学生一经发动，在设计性实验过程中提出的想法、思想往往是非常活跃和广泛的，指导教师和实验室各个层次能否从现有的条件出发，对学生的要求予以配合和满足，引导和帮助，从而进一步启发他们完成有关的具体测试任务，也就是说能否充分发挥实验设备的效益，进而开拓一定的应变能力。

(2）针对设计性实验的资料查阅和实验方案设计。

学生选题后，由教师指导学生查阅资料的方法，并发给学生一些与实验有关的关键性资料，供学生预习准备。由于刚开始开展设计性实验的时候，大多学生缺少实践经验，他们设计的实验方案一般都有“初拟”和“修正”的过程[7]，所以学生完成一个设计性实验，需4个学时，分两次完成。第一次实验时先由教师讲授，然后学生拿自己设计的实验方案在教师的组织下进行分组讨论。在讨论过程中，教师有意识地引导学生，将学生在初步设计中已经考虑到的和尚未考虑到的但在实验中可能出现的各类现象、各类问题加以讨论，要求学生针对实验的各环节阐述自己的设计思想，其他同学可以提问或相互补充。在两次实验之间，学生可以利用课余时间充分酝酿。第二次实验时，学生即可全面展开实验。

(3）学生自主完成实验和撰写实验报告。

设计方案基本确定后，实验的全过程由学生自己组织完成。实验中学生会碰到许多问题，教师引导分析原因，使其加深对有关知识的理解。在设计性实验阶段，实验室全天开放，学生可在上课之余自主安排实验时间，以便更好地完成实验。最后按照实验要求，撰写标准、规范的实验报告。包括实验目的、实验内容、实验原理、实验仪器、实验步骤及方法、实验数据及整理、实验结果数据结论及讨论等。

(4）设计性实验的评价。

确定一个切实可行、科学合理的评价标准，才能有效地保证设计性实验的顺利进行，使学生在实验过程中付出艰辛劳动得到认可和肯定，最后确认实验目的和培养目标是否完成[8]。

设计性实验评价标准主要包括3个方面:①设计性实验的选题方向正确与否。选题要符合设计性实验任务书要求，不可脱离实际，违背科学，否则选题是不符合要求的。②设计性实验的基本原理是否科学合理。就是要求设计性实验一切从实际出发，经得起科学的检验。不要求实验一定要出大成果或要出正确的结果，因为实验的目的就是探索和发现内在的发展规律，否则将失去实验本身的意义。③设计性实验是否安全与环保。就是看设计性实验在选题立项时，是否周密的考虑到安全和环境保护问题。如噪声、病菌、压力容器、电磁辐射、有毒有害物等对大气、水及环境污染和对参与者的损害。面对这些污染可能需要有一个明确的，行之有效的控制计划和具体的防止措施。

2.考核方法改革

“油层物理”实验课成绩考核办法也做相应改革，由原来传统的单一撰写实验报告方式考核改为设计性实验成绩综合考核，考核内容包括3部分:一是实验的设计方案，占30%，设计性实验方案要求设计合理，具有较好的可执行性。这是做好实验的基础。二是实验的执行，占30%，在执行方案的过程中，训练实验技能技巧，锻炼发现问题、解决问题的能力。三是实验报告或论文的撰写，占40%，要求学生撰写实验报告。报告要符合要求，内容完整、表达清晰、数据准确。实验报告也是全部设计性实验成果的标志[9]。

本次教改探索刚刚开始，已经取得一些效果，最明显的就是学生学习“油层物理”的兴趣被调动起来了，同时学生对设计性实验内容所涉及的基本概念、基本理论有了更深层次的理解。

三、设计性实验教学过程中出现的问题

1.师资不足

在设计性实验教学过程中，学生变被动学习为主动学习，教师变讲课辅导为引导和鼓励，实验室变定时开放为全天开放，实验仪器、内容、步骤、方案由教师指导为学生自主探索，学生所需仪器种类繁多，实验内容庞杂，涉及知识面较广等，无疑增加了实验室管理和教师的工作难度。而我院“油层物理”课程组原本师资不足，致使教师难以抽出足够的时间悉心对学生进行指导。

2.教师自身知识结构有待完善

设计性实验教学要求综合素质较高的实验教师，我院目前没有专门的实验课教师，实验课由主讲老师兼任，而设计性实验需要投入相当的精力提高相关知识、技能水平。例如仪器出现故障时维修水平，实验现象异常时解决问题的能力，理论知识水平，查阅资料和撰写论文时外语水平，数据处理时计算机应用水平，定量分析时高等数学应用水平，报告撰写时指导水平等等。这需要领导和学校相关政策的大力支持，给实验指导教师进行相关知识的培训和学习。

四、结束语

大学是创新人才培养的重要基地，专业课教学是培养学生创新能力的重要途径[10]，而设计实验的教学是对专业课实践教学的重要补充。但是，设计实验教学在实践教学体系中的全面推广仍面临很多问题，例如实验条件的限制、实验结果与传统实验存在一定差别、实验过程具有多变性等等。应当指出，设计实验教学的完善是一个长期的、复杂的系统工程，只有在实验教学的实践中不断摸索、总结经验，才能将实践教学改革进行到底。

[1] 吴移谋.深化实验教学改革确保人才培养质量[J].教育探索与实践，2008，(1):69-71.

[2] 李进.实验教学重在过程[J].实验室研究与探索，2009，28，(9):1-4.

[3] 张起祥.综合性、设计性实验研究[J].黑龙江高教研究，2008，(2):165-166.

[4] 解从霞，孙雪梅，罗世忠，等.开设基础化学准设计性实验的探索与实践[J].大学化学，2009，24(6):26-28.

[5] 沈济民.设计性实验的设计思路[J].南京广播电视大学学报，2004，37(4):70-72.

[6] 郁慧兰.实验教学应向设计性实验的方向发展[J].实验室研究与探索，1992，(4):1-2.

[7] 杜晓燕，门高夫.设计性实验教学的实施与设想[J].大学物理实验，2010，23(6):111-113.

[8] 范隆杰.设计性实验评价体系探究[J].邯郸农业高等专科学校学报，2002，19(1):32-33.

[9] 康桂珍，赵树超.设计性实验教学与能力培养[J].高等建筑教育， 1989，(3):53-55.

[10] 赵鸣，李刚.培养学生创新能力的教学探索[J].高等理科教育， 2009，(3):147-150.

Taking Designing Experiment as Guidance for Reform and Exploration of Experiments Teaching——Taking the Petrophysics Course in Geology Universities as an Example

GUO Feng
Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China

Designing experiment is an important respect in the college petrophysics experiment teaching reform.A discussion has been made in this paper on the necessity of teaching reform, teaching reform content, starting procedure, implementation effect and problems for experiment.A few ideas and exploration have been proposed for designing experiment.

experiment teaching; petrophysics; geology

G642

A

1006-9372 (2011）02-0083-04

2011-03-21；

2011-04-23。

国家青年自然科学基金项目(41002043）；西安石油大学教学改革研究项目联合资助。

郭 峰，男，讲师，主要从事沉积学与层序地层学的教学和研究工作。