张映辉
(大连海事大学,辽宁 大连 116026)
设计性研究性实验题目设置和教学方法初探
张映辉
(大连海事大学,辽宁 大连 116026)
本文站在提高学生科学素养、培养创新型人才和增强国家科技竞争力的高度,针对大学物理实验教学中普遍存在的设计性、研究性实验题目设置“难”,以及由此带来的教学“难”问题,提出了明确的思路和较实用的解决方案,对于全面贯彻教学基本要求,提高实验教学层次和质量具有重要的现实指导意义。
设计性、研究性实验;题目设置;分类指导
(1)物理实验是科学实验的先驱,在实验思想、实验方法、实验手段等方面是各学科科学实验(科学试验)的基础。物理实验教学比理论教学能更为直接地体现科学的世界观和方法论。
(2)新版《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》把设计性、研究性实验作为理工科各专业大学物理实验教学的重要组成部分[1],并规定了最低学时比重。贯彻教学基本要求,探索设计性、研究性实验教学的一般规律,提高设计性、研究性实验教学水平,是关系学生质量和国家科技竞争力的重大问题,是每一个实验教师的重要职责。
(3)传统的大学物理实验大都是基础性或综合性实验。经过几百年的积累,现成的基础性、综合性实验题目众多,且不乏经典。
设计性、研究性实验教学不能象基础性、综合性实验那样,先由教师“设计”好方案,准备好仪器设备,让学生“按图索骥”走一遭。必须根据现有实验条件和学生的基础,提出既有一定难度和现实(生产、生活)意义,且有一定“设计”、“研究”空间的题目。因此,如何设置实验教学题目(即选题的基本原则和方法),是设计性、研究性实验教学必须认真研究和解决的一个重要问题。
(4)设计性、研究性实验教学倡导学生通过自行设计、用自主研究的方式进行实验,而学生个体的差异性则会造成实验方案(手段、途径和方法)的多样性,这将给教师在教学(实验原理和技术)指导上带来许多意想不到的问题,教学的难度更大了。
指导学生进行设计性、研究性实验的空间十分广阔,题目设置的方法非常众多。经过几年的研究探索,我们感到,设计性实验选题应从以下几个方面入手:
(1)探索新的实验方法(方案)的设计性实验。面对日新月异的新技术、新仪器、新设备,我们完全可以对某些经典实验的路径选择进行重新考量,重新设计。即引导学生使用新技术、新仪器、新设备重新设计实验方案,并完成实验。
(2)更新现有仪器、设备的设计性实验。计算机(数字)技术、激光技术等新技术的广泛应用大大提高了人类对于物质(实验所输入的固体、液体、气体)、能量(输入的声、光、电)的控制能力和输出(现象)的观测(定性和定量)能力,应及时地应用到生产、生活和科学实验(试验)之中。即以提高输入控制水平和输出(现象、结论)观测(测量、记录)水平为目标,指导学生围绕“提高实验的精确度”进行设计性实验,并进而更新仪器、设备。如我校自动化2002级学生王秋林等设计制作的“RC充放电智能化实验仪”经实验验证具备随机采集相关实验数据,实时动态显示RC充放电过程,提高测量精度等功能,现已由上级批准正式列为实验“RC串联电路充放电特性研究”教学仪器。
(3)创制新仪器、新设备的设计性实验。对于某些在过去生产、生活、实验中不大常见、常用(或仅用其大略而没有很高的精度限制),而在今后的生产、生活、科学试验中已(将)普遍运用的现象和数据(或运用精度有较高要求),客观上显然需要创制新的仪器、设备进行观测、记录和控制。类比前段所述,可引导学生运用计算机(数字)技术、激光技术等新技术创制新的仪器、设备,并通过实验进行验证、调试。
研究性实验选题主要应采用如下方法:
(4)截取法,是指在现有的生产流程(生产实践)、科学试验或者正在进行研究探索的科研课题中适当截取一小段或一部分内容作为设计性、研究性实验题目的选题方法[1]。也就是说,可以把现有的生产或科学试验流程作为设计性、研究性实验题目的渊源,从中截取其有代表性的一部分加以简化和改造,使其成为设计性、研究性实验题目。
如我们开设的“玻璃材料的设计与制备”实验就取自于玻璃生产流程,使学生学习和体验新材料制备和不同配比下凝聚态物质特性研究的一般方法。
(5)跟进法,是指将最新科研成果、最新生产流程、最新实验方法进行适当加工和简化作为设计性、研究性实验题目,或者在最新科研成果、最新生产流程、最新实验方法的基础上进一步提出前进性探索研究课题的选题方法。与截取法相比较,跟进法含有“跟”和“进”两层意思,“跟”就是紧跟前沿进行选题,而“进”则可以站在前沿或者超越现有成果进行选题。
一般来说,跟进法实验选题的题目和内容可以是开放的。即在实验教学题目上只给学生一个大致的实验(试验)研究方向。如在现有设计性、研究性实验题目以外,利用开放实验平台,向学生提供某个生产或试验流程的情况介绍、科研项目成果或进展的资料,引导学生围绕相关流程和具体解决方案进行设计性、研究性实验,或者突破现有的研究范围和现有成果进行前进性、开拓性、开创性(独创性)的研究。
(6)并行法(或者叫类比法),是将科研课题(或其一部分)直接转化为设计性、研究性实验题目,或者将与科研课题、生活难题以及生产实践中遇到的现实问题相类似、相近似的问题用类比的方式转化为设计性、研究性实验题目的选题方法[3]。这里讲的“并行”在某种意义上可以是时间上的同步性(同时实行或实施),也可以是内容或方法上的相似性、类比性。
一种方法是指导学生直接参与本系老师承担的科研项目,将其中难度适中的某一部分(或几部分)内容作为设计性、研究性实验题目或毕业设计(论文)题目交给学生去探索和研究。另一种方法是将生产、生活中现实难题的解决直接确定为设计性、研究性实验。
应该指出或说明的是,设计性实验和研究性实验没有严格界限,设计性实验所设计的方案、仪器、设备需要通过实验进行研究、改进、调试和验证。而研究性实验则更需要对原理、思路、方案、手段进行认真的设计。上面对设计性实验、研究性实验题目进行的分别论述只是为了阐述实验题目设置方法的便利。窃诸君自会明鉴。
(1)对工程设计制造类工科专业(如我校轮机、电气、土木、自动化)的学生应着重提供处于前沿、难度较大、具有创新探索性质的设计性、研究性实验题目,重在引导学生开阔思路、大胆设想。一是综合运用理论知识和各种仪器设备(包括计算机),对既定的实验题目进行独创性研究和探索,从而得到实验结果或结论;二是对最新科研成果及相关(或相近)问题进行独创性研究和探索,从而导出新近得知的结论、做法、设备、工序等;三是导出与最新科研成果相关、相近、相类似的新结论、新成果、新做法、新设备、新工序。第三点亦可作为指导学生毕业设计(论文)的一个做法选项。
(2)对其他普通工科类(如航海技术,交通运输之外贸运输、港口管理)的学生,应主要提供基础性、验证性、难度相对较小的设计性、研究性实验题目,重在进一步熟悉和理解物理概念和规律,熟悉仪器的使用方法,并在此基础上引导学生开动脑筋、大胆实践、勇于创新,提高知识的综合运用能力,培养学生自信心。
(3)对兴趣浓厚、设计创新能力较强的学生,一是开放实验室,给他们提供更多的研究机会;二是指定教师负责组织他们形成研究攻关小组,加强引导、交流配合、举办“头脑风暴”沙龙,指导他们设计新方法、新组合、新程序,创制新仪器、新设备,指导他们撰写论文、帮助他们推广新方法、新设备;三是积极组织本校物理实验技能大赛,发现人才,培育创新研究兴趣进而选出骨干力量,参加省市物理学术竞赛和物理实验竞赛,直接参与前沿学术研究,感受、探索、创新氛围,为国家和社会培养和输送基础扎实、综合素质高的科技人才。
(4)对物理专业的学生(尤其是研究生)应着重提供能较好地体现物理思想和方法,有一定难度和创新性的设计性研究性实验题目。重在引导学生在深刻理解物理规律,熟练掌握仪器设备功用的基础上,积极运用物理科学发展中形成的各种先进的思想和方法进行独创性研究和探索,实验的目的不止于得到实验结果或结论,而更在于学会运用物理思想和物理方法,更在于思路和方法的创新性,更在于培养一种科学精神、一种追求真理的习惯,以及对物理科学的一种崇敬、信仰和热爱。
[1] 教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委会.理工科类大学物理实验课程教学基本要求(2010年版)[M].北京:高等教育出版社,2011,15-18.
[2] 张映辉.截取、跟进、并行--设计性、研究性实验选题的重要方法[Z].《物理与工程》2013年增刊-“2013年全国高等学校物理基础课程教育学术研讨会论文集”,303、304、307.
[3] 张增明,孙腊珍,霍剑青,等.创新研究型物理实验教学平台的建设与实践[J].物理实验,2009(7): 14-17.
[4] 乔宪武,江影,徐鹏.设计性物理实验教学方法改革[J].大学物理实验,2012,25(1).
Research on the Thematic Setting and Teaching Method for Design of and Research Experiment
ZHANG Ying-hui
(Dalian Maritime University,Liaoning Dalian 116026)
It is based on the improving the scientific attainments of students,cultivating innovative talents and enhancing the technological competition of the nation.In general,the thematic setting for design of and research experiment is difficult.Moreover,the corresponding teaching is hard.According to these problems in the teaching of university physics experiment,we propose explicit idea and practical resolving project.This paper has very important guidable signification for us to carry out basic requiring for teaching and improve experimental teaching and quality.
design of experiment;research experiment;thematic setting;classified guidance
G642.0
A
10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.01.035
1007-2934(2015)01-0107-03
2014-09-16