高师物理学专业学生实验设计能力研究

徐士涛，李洪俊，张丽琴

（淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000）

高师物理学专业学生实验设计能力研究

徐士涛，李洪俊，张丽琴

（淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000）

物理实验设计能力是高师物理学专业学生综合能力的一种表现，它包含了学生对物理知识的把握程度、对知识运用的灵活程度以及学生本身所具有的创造力.由于教学方式、实验教学资源、学生自身实验设计意识等方面原因的影响，大部分学生缺乏严谨性、创新性等实验方面重要因素，实验设计能力较弱.针对存在的问题，提出了提高学生实验设计能力的策略、建立新的教学体系、增加师资力量，合理利用教学实验资源、培养学生实验设计意识和严谨的科学态度等.

实验设计；实验设计能力

1 引言

实验设计是研究者根据实验目的而制定的一系列实验计划以及方法策略.主要内容是合理安排实验程序，并对实验结果做统计分析，它是整个实验结果的前提，也是减少实验误差的重要方法.一个合理的实验设计，不仅能得出较为准确的实验结果，而且可能会使实验事半功倍.

实验设计能力是一种较高水平的实验能力，这一能力对学生掌握基础知识、基本技能和基本方法的水平有着较高的要求.不仅如此，对于学生实验设计中运用创新能力也有一定的要求，要求学生要多角度、多方位地去思考实验中可能出现的问题，在众多的实验中进行判断，选择出最合适的方案进行实验，从而培养综合分析能力，并促进创新思维的形[1].

高师物理学专业的学生很可能会走向高中教学的课堂，所以高师物理学专业学生实验设计能力会影响到高中学生的实验设计能力，而高中学生经过高考后又可能会成为高师物理学专业学生，形成“高中——高师”的循环，所以实验设计能力是高师物理学学生不可缺少的一项能力.

2 物理实验设计理论概述

物理实验设计是指在进行正式物理实验之前，实验者依据一定的物理实验目的和要求，运用有关科学知识、原理，对实验过程中所运用的材料、手段、方法、步骤等全部方案进行制定[5].

物理实验设计的一般模式是：“明确目的、提出问题——猜想与假设——设计制定实验——进行实验——分析论证——评估与交流”.

具体的实验设计步骤是：明确实验目的；建立与实验目的有关的统计假说；弄清其中所涉及的物理原理；确定实验中使用的自变量和控制额外变量；合理选择实验过程中所需要的实验仪器和材料，合理利用选择的用具；设计具体实验步骤；统计实验结果，并对实验结果进行分析，得出结论.

实验设计不是盲目的，要遵循一定的原则，这样设计出的实验才具有准确性.下面是实验设计的几个原则：（1）科学性原则.在实验设计过程中所遵循的物理原理要符合科学性原理，实验结果预期要有科学依据，实验各个环节都不能偏离物理学基本知识和基本原理.具体来说，物理学实验设计的原则应该体现在以下几个方面：实验设计原理要具有科学性、选择实验材料要具有科学性、实验方法要具有科学性、处理实验结果要具有科学性[6].（2）可行性原则.所需要的实验器材必须是实验室现有的或者是容易获取的,并要保证实验所需时间符合课时的安排等[7].整个实验设计过程要切合实际，有允许实验的条件，即实际可行.（3）简便性原则.在设计的实验过程中，要遵循实验材料尽量容易获得、实验装置尽量不要复杂繁多、实验步骤过程少、实验时间短的原则.（4）安全性原则.在实验过程中，人身安全不会受到威胁、实验仪器不会被损坏、环境不会被污染.

物理实验设计能力是指学生运用已有物理知识，对已有的目的进行实验过程设计的能力.实验设计的评价标准：（1）实验目的是否明确.（2）实验方法是否简便，现象明显.（3）实验实际是否可行，操作是否安全可靠.（4）实验推断是否完整严密.

3 影响高师物理学专业学生实验设计能力的因素

3.1 教育体系重理论知识，实验知识方面重视程度相对薄弱.虽然现阶段我国实行了教育改革，注重学生的创造力，但是实验教育体系还不够完善，而且缺乏专业的实验知识的书籍，缺乏相关知识.进入大学之前，高师物理专业学生面对的是高考，更注重理论知识的学习，在实验方面，也是拘泥于课本的做法，缺乏课外延伸，将实验看成是理论部分的辅助性学习.大部分学生在高中甚至只看过老师示范演示实验，而从未动手做过，导致了高师物理学专业学生实验能力的缺失，更不用说自己设计实验.

3.2 师资力量薄弱.师资力量是保证教学质量的重要因素.实验设计过程繁琐而且复杂，无论教师还是学生对实验设计有着“望而却步”的思想.在实验设计教学中，教师的综合能力的高低直接影响实验设计的好坏.而现阶段实验教师的主要任务是给学生进行理论授课来应对考试，对于实验设计方面用的时间和精力都比较少，这就直接影响了实验设计课程的开展，学生就很难得到这方面的培[4].

3.3 实验室资源有限.不论是高中还是大学，总是存在着这样的问题：由于实验仪器的限制，有些实验不能真正地去做，只是凭理论知识对实验进行学习.学生很难想象得到如果变换一种实验设计方式，结果会怎么样.因为实验结果只有做出来才知道，这就可能会使得学生缺乏对实验的进一步思考.现行高师院校物理实验教学研究课程的教材比较陈旧，实际内容没有跟上素质教育和创新教育及课程教材改革发展的要求.陈旧教材内容没有新型教材完善，势必会影响物理师范生实验设计能力[4].

3.4 实验室开放率低.为防止高校实验室发生仪器损坏，平时实验室开放率低，甚至从不开放.另外在实验课程中，出于对实验仪器的保护，除相关实验外，不允许乱动实验仪器.学生在实验时不敢大胆去尝试，这就使学生很难注意到自己设计实验时要注意的实验细节，导致学生只知道实验仪器可以用来做什么实验，而不知道实验仪器真正的工作原理，所以在设计实验时，往往拘泥于学习过的实验，从而不能根据不同实验仪器的工作原理设计出新的实验.这样就导致学生设计的实验缺乏严密性.

高师学生物理实验设计意识不强.之前分析的都是影响高师物理学专业学生物理实验设计能力的外在因素，学生本身内在因素的影响也不能忽略.不论在什么条件下，学生实验设计能力与学生本身的实验设计意识是不可分割的.但是高师学生，从小在学习上以理论学习为主，实验学习为辅的学习方式，学生习惯了学习已有知识，缺乏学习创造的主动性，就使得高师学生实验设计意识不强，自然不会去主动学习设计相关内容，这是影响高师学生实验设计能力很大的一个因素.

4 高师物理学专业学生实验设计能力的培养

4.1 建立新的教学体系

教学体系决定了学生的学习模式，所以要想改变学生实验设计能力，最根本的方法就是利用新的教学体系.重视教材中的实验教学，从课本切入，扎实学生的实验基础.教师在教学时，不能按部就班地完全按照课本设计方法进行，因为如果给定了实验设计方法和确定的结果，学生很容易会对课本产生依赖，而不去思考其他可能的办法.教师应该引导学生思考新的方法（例如：探究式教学），这样才会激发学生的好奇心，从而培养学生对实验设计的兴趣.这样学生有扎实的实验基础和对实验设计的兴趣，有利于学生实验设计能力的培养.

4.2 增加师资力量，合理利用教学实验资源

在实验教学中，教师的指导起着很大的作用，所以增加实验设计方面的师资力量是必要的.减少学生对实验设计难度的畏惧感，对学生实验设计能力的培养有很大作用.实验工作者要积极配合学校教育体制的改革，合理利用有限的教学资源，进行理论和实践密切结合的实验研究，而且所设计的实验要具有综合性、设计性和开放性.以弥补实验资源不充足的劣势，不仅要合理利用教学资源，实验室向学生开放也是必要的，让学生自己动手去研究实验，有利于学生在设计实验时注意步骤中的细节，培养学生设计实验的勇气，让学生在设计实验时做到大胆与细心相结合，而且学生自己动手做实验，实验过程中能够培养学生自我探索实验的能力.

4.3 培养学生实验设计意识和严谨的科学态度

学生设计实验就一定要有实验设计的意识.在日常实验学习中，要培养学生从多方面考虑实验.可以实行分组探讨实验，对学生设计的实验进行客观的评价，使学生在设计实验时体会到成就感，这样会激发学生对设计实验的主动性和上进心.设计实验只有实验意识还不够，实验对严谨性要求非常高，要遵循实验设计原则.只有实验设计的严谨，才能顺利地得到想要的实验结果.可以通过将学生合理的实验设计方案让学生进行操作，实际的操作才能发现潜在的问题.通过学生自己发现问题，对提高学生对实验设计时严谨的态度有很大作用.学生实验设计能力的培养，要求学生必须具有严谨的科学态度.

5 结论

由于教育方式、实验教学资源、学生自身实验设计意识等方面因素的影响，在设计实验时，学生设计实验局限于课本已学习过的方法，创新能力不足.而创新能力是实验设计能力的重要组成部分，缺乏创新力，自然会导致实验设计能力较弱，设计实验时缺乏严谨性，整体实验设计能力较弱.高师物理学专业学生实验设计能力培养可以从以下几个方面进行：（1）建立新的教学体系.新的实验教学体系能够激发学生对实验设计的兴趣，有利于学生实验设计能力的培养.（2）增加实验设计方面的师资力量、合理利用教学实验资源.教师引导，学生自己动手完成实验，培养学生设计实验时的创新性.（3）培养学生实验设计意识和严谨的科学态度.培养学生设计实验时的严谨性.

〔1〕张岩.从实验基础知识切入培养学生实验设计能力[J].信息技术环境构建与教学应用，2009.

〔2〕俞晓明.高师物理实验教学中提高实验设计能力的思考与实践[D].南京师范大学，2004.

〔3〕李琼.高中学生生物实验设计能力的调查研究[D].广西师范大学，2007.

〔4〕苗深花，凌爱霞.影响师范生化学实验设计能力培养因素的调查分析[D].曲阜师范大学，2005.

〔5〕薛玉梅.关于生物探究性实验教学对提高学生实验设计能力的研究[D].内蒙古师范大学，2007.

〔6〕郑放先.高中生生物实验能力的培养[D].湖南师范大学，2007.

〔7〕杨友凤.例谈高中生物实验设计原则[J].教书育人，2012（25）：46～47.

〔8〕联合国教科文组织总部.教育—财富蕴藏其中[M].北京：教育科学出版社，1996.

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1673-260X（2017）12-0016-02

2017-09-19

2017年度安徽省高校自然科学研究重点项目 (KJ2017A844)；2016年度安徽省高等学校自然科学研究一般项目（KJ2016B003）

徐士涛（1975－），男，讲师，博士，安徽淮北师范大学物理与电子信息学院，主要研究方向为材料科学与物理