医用物理学设计性实验探讨*

崔春雨，莫　增，廖新华（第三军医大学生物医学工程学院物理学与生物物理学教研室，重庆400030）

医用物理学设计性实验探讨*

崔春雨，莫增，廖新华
（第三军医大学生物医学工程学院物理学与生物物理学教研室，重庆400030）

【提要】医用物理学设计性实验要求学生自主地设计实验过程，达到验证物理原理、解决物理问题等目的，在该实验过程中培养学生严谨的科研精神、自主创新能力和动手能力，是培养新时期创造性人才很好的教学方式之一，是创新性教育的一部分。该文就以时差法测声速为例来介绍大学物理设计性实验的内涵、要求及教学过程。

物理学；医学；设计性实验；教学方法

物理学是一门实验性科学，很多物理原理都来源于现象、猜想、实验、验证的过程。因此，物理实验对于理解物理规律必不可缺，学习医学物理学必然要进行物理实验。传统的医学物理实验仅仅是根据课本所设计好的实验原理和方法进行验证物理规律的过程，学生是被动地进行整个实验，不利于发挥学生的创新能力［1］。而物理设计性实验内容具有自主性、探索性和综合性，没有固定的方法和过程可寻，要求学生根据所学的物理知识，需要解决的物理问题和验证假设的物理原理等，设计具体的实验方案和过程，自主地进行探索性实验，最后进行实验数据的分析和总结。物理设计性实验是医学物理实验课程中的重要组成部分，介于基本教学实验与科学研究之间，是物理教学的深入，是学生独立提出实验题目并进行设计制作过程的实验课程。在实验过程中指导教师仅起到辅助作用，这样有利于培养学生的动手能力和创新能力。设计性实验将使学生经历一次科学实验过程的基本训练［1］，学生从实验题目的选题到设计内容和步骤，选择仪器，进行实验验证，需要学生反复地思考和修改，得出满意结论，有利于培养学生的科学研究的精神和素养。医学物理学设计性实验因此成为医学院校教学改革重要的一部分，是创新性教育重要的环节之一。目前，设计性物理实验课程的开设已成为物理实验课程改革的趋势［2-4］。

1　医学物理设计性实验内容的提出

选择适合的设计性实验题目是完成设计性实验的关键［5］。经过医学物理学1年的学习，学生基本都具有了一定的物理思想和知识，通过医学基础性实验的开设，学生也具备了一定的实验动手能力，掌握了一些基本的实验技能，但总体来说其实践经验仍然较少、操作水平不高，所以必须从学生现有基础条件出发，控制好实验题目的难易程度和合理性，才能达到预期的教学效果。在此基础上，指导教师引导学生进行自主性地设计物理实验，可以设计实验操作验证课本上的物理规律，也可以利用物理规律测量数据，得出新的结论。还可以改造现有的实验方法和改进实验仪器，利用现有实验测量其他物理量等。充分利用学生所学的知识、方法和想象能力，大胆地尝试新的实验内容。例如：有学生做完声速测量的实验后，联想到利用声速测量是否可以找到声速与液体密度关系；有的学生思考将现有的液体黏滞系数测量仪改造为智能型的实验仪等，这些均是很好的设计性实验内容，可以发挥学生创新的能力和科研精神，由此达到培养人才的目的。

2　医学物理设计性实验内容的准备

根据学生所要做物理实验的方向和内容，提出实验具体题目，然后查阅资料和准备实验器材，做好预实验，摸索一定的实验条件，设计具体的实验方案，撰写实验目标、原理、步骤、条件计算过程等。以小组为单位选题后，递交实验设计方案，指导教师对设计方案进行初步论证后，学生开始实验，实验过程中教师各小组轮流指导。实验完成后，以小组为单位进行实验汇报，并提交个人撰写的实验论文［6］。

在使用声速测量仪研究声速和液体密度关系的实验中，学生在做声速测量实验时，利用液体来测量声速，有学生就在此找到了灵感，想到能不能利用声速测量仪来测量液体密度，于是，他们就用不同的液体密度来测量声速，由此来发现二者关系。他们实施了一定的预实验后，就确定了实验题目，撰写了实验计划，准备好了实验材料包括声速测量仪、水槽，分辨率为0.1 us计时器、量筒、精度为0.1 g的电子秤等。所用试剂为上海国药生产的氯化钠（相对分子质量为58.44），葡萄糖粉末（相对分子质量为198.17）。做好实验器材的准备后，注意实验条件的探索，看看实验与环境温度等是否有关，设定好实验条件和大体步骤，先测什么，再测什么，写出1份预实验报告。

3　医学物理设计性实验的实施

设计性实验实际上就是找到实验方法和步骤，按照步骤进行实验，获得数据的过程。学生在实验中遇到了问题，很容易对实验方案轻易放弃，或急于求助教师而不能自行思考解决问题。所以，指导教师应让学生明确设计性实验的步骤，根据设计好的实验方案，开始实施实验。由于是创新的实验方法和内容，所以按照所想的实验目标，需要边根据边修改实施实验的过程，可能还需要根据实验结果，反复探索实验条件，总结经验，提炼出实验所涉及的物理原理和得出具体的试验步骤，最后得出实验结果进行分析［7-9］。

学生在做声速与液体密度的关系实验时，先将声速测量仪连接好［3］，实验发现需将发射和接收增益设定为2。将氯化钠晶体和葡萄糖晶粉从0开始，依次加25g，直到250 g，配成不同密度的溶液，每改变一个密度，游标卡尺等距进行移动，测出声波传播的时间，计算出平均声速，将实验数据做成表格进行分析得出结论。

4　设计实验结果的分析和总结

物理设计性实验对结果的分析是非常重要的一步，也是对实验后续可行性的分析。在学生反复地进行实验后，对得到的实验原始数据进行整理计算，得出结论，看是否符合预期目标，能否进行下一步探索，指导教师在此过程加以建议和分析，让学生将整个实验进行总结和交流分析，写出完整的实验报告，包括实验目的、原理、内容和数据处理过程等。如果设计性实验有创新性的发现，可以鼓励学生继续实验研究，申请专利或发表论文。另外，指导教师还应以设计性实验为例阐述文献调研和检索的方法，培养学生获取资料的科研素养及良好的版权意识［10-12］。

在使用声速测量仪研究声速和液体密度的关系实验中，学生得出的实验数据分析发现：在温度、气压一定的条件下，以氯化钠溶液、葡萄糖溶液为介质传导的超声波声速与密度呈良好的线性关系。实验得出这个线性关系的具体表达式后，可以利用其求出不同声速值所对应的液体密度值，这就为液体密度的测量提供了一种新的、简洁的、可操作的方法。说明学生这次的设计性实验很有意义，培养了他们的实验技能和创新能力。

5　小　结

医学物理设计性实验是现在医学物理实验必要的补充，基础性实验培养了学生的动手能力，而设计性实验培养学生的创新能力和科研精神［5］。设计性实验从提出问题、解决问题到总结经验均要求学生独立完成，这样能激发学生独立思考和不断探索的精神，由此还可以培养一批具有科研能力的学生继续深造。第三军医大学作为军队院校，尽管物理实验条件一般，作者克服各种困难在生物医学工程专业的医学物理实验教学中，增加了设计性实验的课题，学生通过自己查阅资料，制订实验方案，选择仪器装置，确定实验步骤，最终完成实验，写出完整的实验报告。并以此为契机，寻找学有余力的学生参加军队和重庆市的大学生物理创新竞赛，制作的自动输液器和仿真听诊教学机取得了优异的成绩。实践证明，医学物理设计性实验与传统的验证式实验相比，在充分发挥学生主观能动性方面，在培养学生综合应用物理知识方面及培养学生实践能力和创新能力方面有着不可代替的重要作用。

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［7］王玉华，李雪梅.浅析大学物理设计性实验对学生科研素养的培养［J］.管理观察，2015（4）：134-136.

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10.3969/j.issn.1009-5519.2016.04.050

C

1009-5519（2016）04-0601-02

国家自然科学基金青年项目（11405269）。

（2015-12-29）