以问题解决为手段在大学物理实验课程中培养学生的实践能力和创新能力

钱 霞 杨效华

（聊城大学物理科学与信息工程学院，山东省光通信科学与技术重点实验室，山东 聊城 252059）

美国马里兰大学教授刘全生提到过，中国大学最需要“三创”，即创意、创造、创业.在我国传统教育下，学生缺少一种锐意求索的探索精神，从小到大被灌输各种书本理论知识，最缺少的就是实践知识，更谈不上创新.大学物理实验作为一个重要实践手段，对培养大学生的实践能力和创新能力有重要的意义.

1 问题解决的过程是知识和能力获得的过程

能力是知识、技能进一步概括化和系统化而形成的高度整合性的心理结构，是个体通过对知识、技能的广泛迁移应用而实现的.实践能力就是个体解决实际问题的能力，是个体完成特定实践活动的水平和可能性，即保证个体顺利运用已有知识、技能去解决实际问题所必须具备那些生理和心理特征.创新即不受现成的常规的思路的约束，寻求对问题的全新的独特性的解答和方法.大多数心理学家一致认为，有效的问题解决是以丰富的某一问题领域的知识存储为基础的，不但要具有丰富的陈述性知识，而且要以自己的方式存储大量的程序性知识——知道如何去做的策略知识[1].

对于知识和能力的获得，杜威特别强调实践的作用.他强调在经验中学，“从做事里面求学问”，在做的过程中发现和发展自己.杜威倡导问题解决教学模式，认为大量的实践和发现活动都与学生问题解决有关，他认为：一个人必须有他自己的目的和问题，并能自行思考，在教育中，要引导学生运用智慧去探究或探索以解决问题，在解决问题的过程中获得真知[2].问题解决是知识转化的有效途径，问题解决检验个体能力的高低[3].

2 大学物理实验是知识和能力迁移的过程，是解决问题的过程

物理是研究物质结构、物质相互作用，描述自然界物体运动规律的一门学科，抽象性、高度模型化、高度理论性是它的显著特点，它又是一门实验科学，有着重大的实践性与应用性，是需要创造性思维、批判性精神以及高度专业知识的研究领域.当前物理研究具有两重性：一是在理论层面对于物理学知识体系的构建与完善，包括理论推演、计算模拟、实验检验等；二是在技术层面对于已掌握的物理规律的挖掘与应用，包括与物理有关的专利设计、仪器制造、工业生产等，涉及航空、航天、医学、电气、工程、计算机等社会领域[4].

物理实验是物理研究的重要手段，其广义的含义包括了探索未知世界的科研性实验和培养学生的教学性实验，两者有着千丝万缕的关系.大学物理实验教学是培养大学生物理科研素养、认知物理世界的重要手段，从某种程度上也可以说是科研性实验的前期过程.

大学物理实验对学生来讲是一个知识和技能学习、迁移、转化的过程.学生在课堂上、书本上学到的是间接知识，在实验中，通过仪器的操作、数据的记录、分析和处理，学到了直接知识；书本上学到的陈述性知识——实验原理、仪器原理、运算规则通过实验转化成程序性知识——仪器的操作、数据的运算及分析以及完成实验的方法和途径；通过完成实验，学生实现了实验技能和技巧的拥有；重要的是，在实验过程中积累的经验、体验、感悟转化成不能言传的、不能系统表述的，只能意会的知识——缄默知识.而对实践能力形成极为重要的缄默知识根本无法在书本中找到，只能靠个体在实践中摸索、顿悟以及同行之间在工作过程中随机的交流和切磋来获得[5].

大学物理实验同时也可以理解为一个做并解决问题的过程.大学物理实验可以是验证已有的某个原理的过程或是给定实验目的和实验条件，由学生自行设计并完成实际实验方案的过程.虽然大学物理实验有不同的内容、不同的形式，但过程都是：为了实验目的，学生带着问题，根据某一物理原理或规则，按照一定的实验步骤，亲自操作实验仪器，完成某一物理过程，记录原始数据，得到实验结果，分析实验结果，得出实验结论，最终解决问题.

3 以解决问题为目标，对我国大学物理实验教学培养学生的实践能力和创新能力的几点思考

大学物理实验能够培养学生的实践能力和创新能力是被普遍接受的观点，但是不得不承认，目前能够达到的效果却远不如意.学校教育往往以客观主义的知识观为主要导向，主要任务就是让学习者“获得”知识，因此，知识就变得像物品或食物，教育者变成了传递者.在这样的知识传输的过程中，学生的学习行为因此也被极度地简化，而学生在“获得”固定的知识体系之后，等待他们的却是瞬息万变的信息世界和各种在学校教育情景中没有被涉及的新事物和新问题.面对问题，学生瞬间感到学校所学的严重不足，学习者获得的大量知识实际上变成了无法在现实生活中被随时方便地使用的“惰性知识”[6].因此，我们必须对此要进行思考.物理实验的目的不只是教学生使用各种仪器设备，也不仅是让学生学会一些实验的方法与手段，而是让学生在实验中既动手又动脑，通过实践真正掌握物理规律的真谛，学会用实验方法去检验理论，去解决问题.当前很多实验室强调实验的先进性，复杂性，但是有些国外的实验室并没有那么多价格高昂的实验设备，却带给学生对实验的热爱和研究激情.因此，我们需要转换思维方式，不完全在于实验设备的先进与否，而在于教育理念的问题.

3.1 增强大学物理实验解决问题的特性

“教育课程的重要的最终目标就是教学生解决问题”[7]，大学物理实验要强调解决问题的特性，突出大学物理实验对物理规律的验证和物理在实践中的应用.目前很多学校强调分层次的、开放式的大学物理实验教学模式，设置验证性实验、探索性实验、设计性实验、综合性实验和研究性实验等实验形式.设计性实验和研究性实验很容易被理解为以解决问题为目的的实验，但是基础验证性实验的解决问题的特点通常不很清晰，但是换种思路深入挖掘后仍可以得到不同的结果.伏安法测电阻和二极管的伏安特性测量通常是电学的入门基础验证性实验，通过实验，学生很容易验证出金属材料电阻的线性特点和二极管伏安特性的非线性特点.如果仅仅到这一步，实验就结束，学生也就仅仅掌握了实验的方法，会连接比较复杂的电路，然后验证并认识了实验结论.但是如果让学生进一步思考实验背后的物理理论，即为什么金属材料与半导体材料在导电特性上具有不同的特点？学生要回答这个问题，必然要从导体和半导体的能带结构中寻求答案，结合实验过程，实验结论可以写成是小型的科研论文的形式，这也恰好是数十年前物理学家们从事的科研性工作.反过来，要求学生设计实验，以科研的方式，研究金属材料和半导体材料在导电性能上的不同，这时学生就必须要逆向思考，设计实验步骤，搭电路，测量，读数，分析数据，得到实验结论.在实验过程中，学生要考虑各种途径，找到自己认为最好的方式.比如，测量金属材料的电阻有多种实验方法，万用表测电阻、伏安法测电阻、单臂电桥测电阻、双臂电桥测电阻、非平衡电桥测电阻等等若干方法，但是它们所测电阻具有不同的适用范围和误差精确度，在实践中具有不同的应用特点，给学生一系列不同特性的电阻，学生就要采用不同的方法进行测量.按照这样的思路走下去，简单的实验，或者说每一个实验都能带给学生无穷思考的魅力，从简单的实验中获得物理规律的真谛.

大学物理实验是理论联系实际，能够解决具体问题的实验，比如，光敏电阻、光敏二极管是常见的光电转换器件，作为光电传感器件在实际生活中有很广阔的应用范围，学生在做完研究它们特性的实验、总结它们的物理特性后，可以继续让学生接触光纤技术和传感器技术，用这些器件做成实际的光电器件，进行应用.学生完成一些物理与其他专业相结合的应用性实验，会让设计性实验、综合性实验、研究性实验带给学生更多思考、解决问题的机会.对于药学院的学生，完全可以接触类似核磁共振在医学上的应用、X射线在医学上的应用等的实验.对于搞材料研究的人来讲，研究某材料性能的好坏或某些特征是必须要涉及的问题，这要用到很多物理的方法，比如可以用X射线研究材料的晶体结构，或用物理方法研究材料的导电特性等，而让材料学院的学生接触到这样的物理应用性实验无疑是有巨大意义的，既增加了兴趣，又对物理技术与方法有了深刻的了解，这也恰好可以看成是科研的前期训练.

3.2 将计算机广泛应用到大学物理实验中

在当前的科研性实验中，计算机技术在采集实验数据、处理数据等方面广泛应用，而这些技术同样可以应用到大学物理实验教学中.由计算机采集的数据更加精确，而学生利用基本的计算机数据处理软件，比如用origin处理数据，利用这些数据给出数据图线，按照科学研究分析数据的模式分析数据图线，可以得到更加准确的结论.通过这种模式，既让学生学会利用计算机软件处理数据的基本技能，又让学生可以更加深刻地认识物理现象和物理规律.考虑到实验空间和时间的限制，可以利用计算机软件，让学生从电脑上完成实验的设计和模拟操作来完成实验，这种设计性实验，相信能够极大地推进学生对于物理实验的兴趣和认知.比如在光学实验“用牛顿环测透镜曲率半径”中，已知D2k＝ （4Rλ）k（其中Dk为第k级干涉暗环的直径，R为曲率半径），在改变透镜的半径和采用不同波长的光照射情况下，让学生利用origin软件作出D2k-k关系曲线，探讨各种情况下曲线的不同特性，并从中进行对比分析；而对于对实验极有兴趣的学生，还可以让他们应用flash等软件在电脑上完成对该实验的模拟与分析，这样牛顿环实验现象与实验结果分析会更加透彻.

3.3 学生参与实验室的维修与改造

很多实验室有很多旧的就要被报废的仪器设备，这些仪器往往被淘汰，被当成废品卖掉或做其他用途.但是，这些废旧仪器的维修、改造等是学生进行实践操作的极好的机会，虽然这些仪器的设计已经落后，但是还是包含了物理或其他学科规律的应用，现在很多高级的实验仪器采用了黑匣子设计，学生看不到内部的结构，而通过对这些旧的仪器设备的观测，通过拆卸、维修或改造可以让学生认识这些仪器的构造原理及运行机理，并可以提出改进的想法，同时在这一过程中还可以锻炼学生基本的诸如焊接等的基础技能.

3.4 转变教育理念，强调学生“做中学”，做思并考

这应该是老生常谈的问题，但是真正的在课堂上实践还远未实现.欧美等国家的教育让学生从小就独立做一些事情，包括查资料、做制作、写小论文等，对于大学生，更是要求具有很强的独立学习能力.在美国斯坦福大学，大学为学生开设实验课的目的十分明确，就是要通过物理实验使学生懂得如何去研究物理问题，而不是只局限在知识的传授和技能的训练范围内，教师的任务是引导和启发学生通过具体的物理实验来学会如何剖析实验问题、如何制定最佳实验方案，给学生留下很多启发性和能够开阔视野的思路和问题，在教学过程中，实验内容中的实验操作步骤被有意识地粗略化，但是留给学生许多结合实验的思考题，促使学生在实验前、实验中和实验后进行思考与创造，实验过程中有不清楚之处时，学生可以随时查阅实验室中仪器资料和实验设备说明书等参考文献，整个实验阶段学生是主角[8].清华大学电子工程系在这方面有相似的做法，他们以现代通信系统射频前端为基点，让学生自选题目，合作设计、制作系统、方案论证、元器件采购、电路安装、系统性能调试，到最后验收成果、写总结报告、交流答辩等，使学生经历开发研究项目的全过程，真切地了解和尝试科学研究的滋味，结果是取得非常好的效果，大大培养了学生的解决实际问题的能力[9].很多出过国的学生认识到，国外高校的学习强度和知识量之大是国内学校不可比拟的，但是在我国师资力量达不到的情况下，培养学生自己学习并做的能力是很重要的.

示波器的使用通常是理工科学生必做的电磁学实验，通常要求学生了解示波器的显像原理、熟悉示波器的使用方法并测量给定交流信号源的周期、幅值、相位等参数并观察信号的叠加、李萨如图形等现象.但进一步，可以让学生利用电阻、电感、电容、二极管、三极管等器件自建各种不同形式的电学回路，利用示波器观察电路的比如谐振特性（比如RLC串联电路谐振）、暂态特性、半波整流波形、全波整流波形等的特性现象；在这基础上，再了解分析示波器在信号测量、设备维修、通信设备等领域的实际应用（比如示波器在发信机测试中的使用）；所需求的大量的知识点，学生可以通过学校图书馆网查找文献，最终的实验完成方式可以是小论文模式或设计具体器件模式.

总之，大学生实践能力和创新能力的培养途径不是唯一的，希望本篇文章能够对在大学教学中培养学生的创新和实践能力提供一些思路.

[1]陈琦，刘儒德.当代教育心理学[M].北京：北京师范大学出版社，2007.

[2]杜威.经验与教育[M].北京：人民教育出版社，2005.

[3]王培芳，符太胜.知识向能力转化的条件与策略——基于不同类型知识间的关系[J].四川教育学院学报，2009（7）：18-20.

[4]张杨，张立彬.中美一流大学物理教育理念之比较[J].世界教育信息，2012（10）：35-37.

[5]吴晓义.波兰尼的缄默知识理论对职业能力开发的启示[J].中国职业技术教育，2005（23）：32-33.

[6]焦锋，雍克勤.学习科学视域下的知识学习与反思——兼论“高分低能”现象[J].当代教育论坛，2010（11）：20-21.

[7]加涅.教学设计原理[M].上海：华东师范大学出版社，2007.

[8]李静，王祖源.中美大学物理实验教学的比较与分析[J].中国大学教学，2008（2）：95-96.

[9]陈雅琴，勾秋静，皇甫丽英.面向学生，培养创新精神和实践能力[J].高等工程教育研究，2004（6）：84-86.