大学物理设计性实验教学模式探讨

金 桂，邓海明，黄小益，姚 敏，蒋纯志，邱前球，王焕友

(湘南学院 物理与电子信息工程系，湖南 郴州 423000)

大学物理设计性实验教学模式探讨

金 桂，邓海明，黄小益，姚 敏，蒋纯志，邱前球，王焕友

(湘南学院 物理与电子信息工程系，湖南 郴州 423000)

论文针对设计性大学物理实验的定义、题目的获得和教学模式进行了探讨。首先，将建构主义教学理论与传统教学理论进行了对比，分析了它与设计性实验教学之间的密切联系并对设计性实验进行了定义；然后，阐述了怎样从三个方面获取设计性实验题目；最后，依据建构主义教学理论对设计性实验的教学模式进行了阐述。

建构主义；设计性大学物理实验；支架式教学法；实验教学

根据《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》，大学物理实验可以划分为：基础性实验、综合性实验、设计性实验和研究性实验。在这四类大学物理实验中：基础性实验和综合性实验教学因为经过多年教学积累，几乎所有的大学都有成熟的课程体系、教材和教学模式；而研究性实验由于软硬件设施等客观条件的限制，在地方本科院校很难全面深入开展[1]；因此探索和完善设计性实验教学的教学模式和教学方法才是地方本科院校实践教学改革的方向，符合我国高等教育培养创新型人才的战略目标，并且对培养服务地方经济发展的实用创新型人才具有很强的现实意义。

1 设计性大学物理实验开设的理论依据

建构主义学习理论[2-3]认为学习活动不是单纯地由教师向学生传递知识，而是学习者根据外界的信息、通过自己原有的知识系统建构理解的过程，理解的构建源自新旧知识之间的相互作用，通过同化维持认知结构的稳定和平衡，通过顺应重组或改造现有认知结构达到新的平衡。在设计性实验教学中，教师帮助学生进行知识构建，使学生通过观察实验现象，思考这些现象所反映的事物的性质、物理规律以及与其他事物之间的内在联系，结合头脑中己有的科学知识和物理模型，构建新的知识结构。因此，建构主义的教学模式应是以学生为中心，在整个教学过程中教师起组织者、指导者和促进者的作用，而学生则由信息的被动接收者变成信息加工的主体和知识的主动构建者。

从教育理论的发展的角度看，设计性实验教学也符合现代教育理论的发展方向，我国教育理论正由传统的教学理论向现代教学理论转型[4]。在教学目的上，传统教学着重于对前人知识的继承，现代教学论则强调学生学习能力的发展和综合素质的提高，促进智商和情商协调发展；在教学过程上，传统教学论认为学生应该系统全面掌握知识体系，着重于结果，现代教学论则认为教与学不应该只注重知识掌握的结果，更应该注重掌握知识的过程，教与学促进学生对事物的认知，对学习方法的掌握，这样才能高质量地掌握知识；在教学方法上，传统的教学论认为教师是知识的传授者，而现代教学论则认为教师更应该是课程设计者，通过教师的设计和引导，促使学生探索知识，培养学生分析问题和解决问题的能力。

2 设计性大学物理实验的定义

设计性大学物理实验[5-6]指学生在具有一定的普通物理学基本知识和基本的实验操作技能基础上，针对某一给定的实验题目，通过自主查阅相关资料，自行设计实验方案，自主进行实验操作的实验，带有初步科学探索的性质[7]。它所涉及的不仅仅是物理实验某一方面的问题，而是带有初步的科学研究训练特点，为学生进入高年级或者研究生阶段之后的科研训练、科学研究提供方法和思维训练。因此，设计性物理实验这种要求学生发挥主观能动性去探索、发现、分析和解决问题，从而对知识实现主动掌握的过程，与构建主义基本理论的观点非常一致。

3 设计性实验教学的开发与完善

根据建构主义教育理论，学习者自身认知结构所产生的认知能力会影响其对外界信息的认识和选择，只有当外界信息与学习者认知结构定势产生冲突时才能促进新的认知结构的形成。但是，外界信息的刺激强度必须适度才能产生最佳的效果，实现认知结构的有效转化。也就是说给学生训练任务的难度不能超出学生的认知能力，太简单达不到训练目的，太难则会打击学生的学习兴趣，“跳一跳，摘果子”的难度最好。

3.1 从物理学经典理论与规律中设计实验项目

大学物理实验基本上都是围绕大学物理学科中的基本理论和基本方法展开的，通过实验验证和研究经典的理论和规律，学习实验仪器的使用、实验方法的评估和实验方案的制定及实施[8]。不但如此，本科教育实质上也是更注重专业基础的夯实、基本实验技能的掌握和基本科学研究方法的开展，因此设计性实验从选题上来讲大部分仍然是围绕经典理论进行研究，但新仪器、新技术和新方法的使用无疑可以提升设计性实验项目的内涵和外延。例如：在重力加速度的测量实验中，重力加速度的测量方法有单摆测量重力加速、自由落体法测量重力加速度和气垫导轨测量重力加速度。要求学生指出三种测量方法的优缺点、评估每种方法的误差，然后提出若干测试方案。又如：使用单摆法测量时周期、摆长、摆角、摆球质量之间的关系及其修正；自由落体法测量时初速度的消除或者测量，频闪照相法的处理及光电计时法时光电门位置的摆放；气垫导轨测量重力加速度的系统误差分析及数据处理技巧的掌握等。实验中提供的仪器设备主要有单摆、游标卡尺、秒表、米尺、气垫导轨、小车、砝码、计数计时仪、新型焦利秤、霍尔开关传感器、运动传感器、Originlab数据处理软件等软硬件设备。督促学生完成实验方案的制定、实验过程的执行以及后续数据的处理，新技术和数据处理软件的使用拓展了学生的实验设计思路，训练了学生处理数据的能力。

设计性实验的设置不仅仅拘泥于经典理论的验证，同样也涵括教师的科学研究项目和工程技术前沿知识。因此实验项目的设置采用常设项目和补充项目两种，常设项目有十项：重力加速度的测量、变温液体粘滞系数的测量、阻尼振动与受迫振动、光栅特性和光波波长的测定、交流电桥实验、用迈克尔逊干涉仪测空气的折射率、电表改装、RL、RC电路的稳态过程、太阳能电池基本特性研究、热敏电阻的温度特性研究。由于办学条件的限制，如何充分利用已有的实验器材开发设计性实验项目显得很有意义。因此，这就要求教师对平常的实验中的问题和现象进行总结和积累，根据生产生活的实际需要和教师的科研开发新的设计性实验项目。

3.2 生产生活中开发实验项目

实验的最终目的是训练学生的操作能力和创新思维，因此将生产和生活中的实际问题设计成实验项目既可以满足工作的需要，也可以检验学生解决实际问题的能力，提高学生的学习兴趣和自我认同感。

例如，我们学校和郴州市一中是共建单位，该中学希望能开发一种简便易操作的“楞次定律”演示实验装置，要求实现两个目的：可以方便地展示“磁生电”和“电生磁”现象。我们就组织了几个应用物理学专业和电气工程及其自动化专业的学生来开发实验装置。

1)查找资料对实验原理进行明确，对两个功能的实现进行设计。(1)演示出“磁生电”现象，可以通过条形磁铁在线圈中运动产生明显的安培计指针偏转；(2)演示出“电生磁”现象，可以在线圈中插入铁棒，铁棒上再套铝环或者铜环，通过直流电的通断可以展示铝环被“推斥”或“吸引”的现象，如果电流足够大还可以展示“跳圈”的现象。

2)设计电路的和实验器材的搜集。实验的主要器材包括固定线圈、铁芯、闭合的铜环或者铝环(为控制重量高度不超过0.5 cm为宜)、安培表、直流电源等。

3)连接电路和调试实验参数。实验装置连接好之后，接入毫安表即可展示“磁生电”现象，条形磁铁在线圈中的“插入”和“拔出”可以使毫安表的指针左右偏转，可以判断感生电流的方向；给线圈加20～30 V的直流电，可以观察到明显的铝环被推斥现象，加 100 V左右的交流电的瞬间可以看到铝环跳得很高。

3.3 各类实践竞赛或者教师的科研工作中获得题目

现在国家对实践教学普遍重视，每年都会举办“挑战杯”科技作品制作发明大赛、大学生电子设计大赛等，教师可以从竞赛的题目或者竞赛的成果中开发设计性实验题目。教师也可以从自己的科研课题中将部分问题拆分出来供部分基础好、能力强的学生完成。现在本科生制作发明申请专利，撰写高档次的论文在国际或国内的期刊发表及制作实用的产品投入工厂批量生产已经屡见不鲜。

4 支架式教学法在设计性物理实验教学中的应用

建构主义教学模式下，比较成熟的教学方法有三种：支架式教学法(scaffolding instruction)、抛锚式教学法(anchored instruction)和随机进入教学法(random access instruction)。

支架式教学法主张为学习者建构一种理解知识点所需提供的概念框架，将复杂的学习任务加以分解，逐步引导深入探索。主要由以下五个环节组成。

4.1 搭脚手架

围绕当前学习主题按“最邻近发展区”的要求建立概念框架。即根据学生的知识结构和设计性物理实验教学的基本要求，在学生的“最邻近发展区”给学生提出一个设计性物理实验题目，主要把握的是实验题目所带来的信息刺激能够使学生的认知结构发生重组与改造，也就是说能够激发学生的学习兴趣。

4.2 进入情境

题目设定之后将学生引入到问题情境中，每个设计性实验都有一个明确的目标，需要解决若干问题。教师通过对目标和任务的分解将学生置于几个问题所环绕的中心内容，明确之后即可着手思考和解决问题，进入下一阶段。

4.3 独立探索

探索与给定概念有关的各种属性，并将各种属性按其重要性大小顺序排列，可以由教师引导、学生分析沿概念框架逐步攀升。学习主题明确之后就是学生如何查阅资料和设计解决方案了。对于一个设计性实验而言，需要查阅与问题相关的知识点可能比较多。首先，要知道怎么样查阅资料，教科书、杂志、网络都可以获得相关的信息；其次，要理解获得的信息，清楚需要测量的物理量，选择合适的实验器材；最后，设计实验步骤，测量获得相关的数据并进行误差评定，优化实验参数之后再次进行测量，然后撰写实验报告。

4.4 协作学习

协作学习指实验者与实验者之间或老师之间的讨论[9]。设计性实验一般而言都是两个或者两个以上组员完成的，通过组员之间的讨论可以补充个人思考的不足，加深对问题的理解。教师作为设计性实验的指导者在其中的作用也不可或缺，对大部分实验而言教师都有明确的解决思路，因此教师可以对学生的实验方案或者方案中的具体步骤进行评价，可以避免一些不必要的弯路。当然对于某些没有实施过的设计性实验，教师也可以直接参与到实验中，指导资料的查阅、思路的整理和方案的制定。通过协作学习可以训练学生在研究工作中的合作能力，挖掘每个参与者的潜能。

4.5 效果评价

包括学生的自我评价和学习小组对个人的学习评价，评价内容为自学能力、团队协作能力、对所学知识的意义建构能力。效果评价主要考察两个方面，一方面是对实验过程和结果进行评价，另一方面是对实验过程中学生的行为进行评价[10]。完美的实验方案和良好的结果是评价实验成功与否的关键，很多创新就是通过关注实验中的某些细节而产生的。因此，实验过程中应该鼓励学生思考实验中出现的不正常现象，杜绝全搬照抄、应付了事的实验态度。实验可以考察一个人的动手能力，有些人在实验过程中很主动，能够设计巧妙的实验装置，在实验出现困境的时候也不会气馁而是思考问题并竭力解决它，能够积极地吸收组员或者老师的正确意见。效果评价可以促进学生认知水平和认知能力的提升，也可以发现学生思维的闪光点和开发学生的能力，真正做到教学相长和因材施教。

5 结束语

相对于基础性实验和综合性实验，设计性实验更侧重于培养学生分析问题、解决问题的能力。学生面对众多信息和方法如何进行综合、判断和取舍以获得理想的实验方案，对实验仪器原理的掌握及对设备的熟练操作，这些都体现了学生原有的知识结构与外界信息的碰撞，促进学生对新知识的掌握。因此在地方本科院校实践教学不仅要夯实基础，更应该加大设计性实验教学的投入，鼓励教师对设计性实验教学方法的研究；重视学生的自主学习和合作学习，帮助学生进行意义建构，从而达到学生全面发展的目的。

[1]刘竹琴, 白泽生．设计性物理实验教学调研与初探[J]．实验室研究与探索，2005,27 (8):10-13.

[2]张建伟，陈琦．从认知主义到建构主义[J]．北京师范大学学报：社会科学版，1996,32 (4):75-82.

[3]王轶男．建构主义学习理论指导下中学化学课堂教学设计与实践[D]．长春：东北师范大学，2004.

[4]杨昌权，孟桂菊．用建构主义理论指导设计性物理实验教学[J]．实验技术与管理,2011，28(4):22-25.

[5]漆建军, 肖化．基于现代教育理论的综合性设计性大学物理实验[J]．实验室研究与探索，2008,27(9)：99-102.

[6]乔宪武，江 影，徐 鹏, 设计性物理实验教学方法改革,大学物理实验[J]．2012,25(1):81-83.

[7]张映辉．提高设计性、研究性实验教学质量的实践探索[J]．物理与工程，2011,21(1)：8-10.

[8]刘竹琴, 白泽生．设计性物理实验教学调研与初探[J]．实验室研究与探索，2005,24(8)：10-12.

[9]吴肖，熊建文，物理设计性实验中的学生实验行为[J]．实验室研究与探索，2013,32(1)：108-110.

[10]苏学军, 张立春, 张勇．设计性实验在大学物理实验课程中的设置与评价[J].实验技术与管理,2010,27(5):137-139.

Disscussion of Designing Physical Experiment Teaching Model

JIN Gui, DENG Haiming, HUANG Xiaoyi, YAO Min, JIANG Chunzhi, CHEN Yaqi

(Department of Physics and Electronics Engineering, Xiangnan University, Chenzhou 423000, China)

In this paper, we have discussed some questions about designing experiment as its definition, topic obtaining and teaching model．At first, the comparison between constructivism theory and traditional teaching theory is mentioned, and then its intimate connection with designing experiment is analyzed and defined. Second, we demonstrated how to obtain the topic from three methods. At last, the designing physical experiment teaching model based on constructivism theory is demonstrated．

constructivism theory；designing physical expermient；anchored instruction；experiment teaching

2014-06-16；修改日期: 2014-07-08

湖南省教育科学“十二五”规划课题“大学物理演示实验平台下理工科学生创造性思维培育的研究与实践”(XJK012CGD023)；“地方本科院校基础物理实验平台下大学生创新思维培育研究” (XJK013CGD024)；湖南省普通高校教学改革课题资助项目(2012443；2013452；2014495)。

金 桂(1978-)，男，博士研究生，讲师，从事光学及大学物理实验教学研究。

黄小益(1963- )，男，博士，教授，硕士研究生导师，从事声子晶体及大学物理实验教学研究。

G642.423；O4-33

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.021