大学物理自主设计性实验教学模式的研究与探索
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摘 要：大学物理实验是理工科学生必修的一门单独设课的基础课，是培养和提高学生科学实验能力、科学实验素养和创新能力的重要课程。近年来，我们在传统教学模式的基础上，在实验教学中增加了自主设计性实验项目，通过自主设计性实验教学模式的实施，学生的实验能力和创新能力显著提高。
关键词：大学物理实验;自主设计性实验教学模式;创新能力
一、自主设计性实验教学模式实施的意义
高校实验教学改革和实验室建设作为强化实践教学环节和培养创新人才的基础，在培养理工科学生的实践能力和创新精神，提升学生的科学素质方面有着极其重要的作用[1]。实验课程中开设自主设计性实验，是实验教学改革的重要举措。在传统的实验教学模式中，实验教材详细列出实验步骤、线路图、实验原理，学生的实验过程就是按部就班的完成实验，实验的思路被限定，主观能动性得不到发挥。自主设计性实验教学模式是一种以学生为主，教师为辅来培养学生自主学习探索及创新能力的新型教学模式。具体来说，就是学生在教师的指导下，根据实验题目、实验条件，通过查阅资料，自主设计实验方案，自拟实验操作步骤，在一定的时间内完成实验，经历一次科学实验的全过程。学生在设计实验方案的过程中，实验的思路开阔了，学生的思维活跃了，创新能力与解决问题的能力不断提高。
二、自主设计性实验教学模式的具体实施
（一）实验教材的编写与自主设计性实验的安排
为配合自主设计性实验教学模式的实施，我们首先对实验教材进行了调整与改编。实验教材共有28个实验项目，根据教学模式和实验内容的不同分为四个模块。分别为基本训练、基础实验、近代综合与应用实验、自主设计性实验等四个部分组成，其中自主设计性实验模块作为教材中一个相对独立的部分，占据了整个教材四分之一的内容。这个模块的实验项目全部采用自主设计性实验教学模式，这些实验项目撰写的格式与其他传统实验不同，实验教材中只提供实验题目、实验原理、实验要求以及实验思考题，具体的实验线路图、实验步骤、实验表格全部省略，要求学生自己拟定，这样就避免了传统实验中学生照本宣科地弊端，给学生留下了思考和发挥的空间。另外，大学物理实验课程分两个学期进行，考虑到自主设计性实验项目难度较大，对学生的实验能力要求较高，因此，第一学期的前半程主要安排基础性实验，实行传统型实验教学模式，通过实验课程训练，学生的基本实验操作能力得到提高。在此基础上，在第一学期后半程或者第二学期安排自主设计性实验项目，由于实验学时有限，自主设计性实验只能安排2至3个实验。
（二）自主设计性实验项目的选题
对于自主设计性实验项目的选题，我们结合学生的实验能力和实验室现有的实验设备，本着“设计性实验既要有所创新，又要结合实际，让学生能够切实可行”的原则，进行反复与研究，在实验教材中选定了七个不同的设计性实验项目。这些实验涵盖了力学、电学、光学等方面，实验题目分别是：气垫导轨测量重力加速度，不规则物体密度的测定，落球法测量液体的粘滞系数，分压电路输出特性研究，电学元件伏安特性曲线的描绘，电表的改装与校准，非平衡直流电桥测量电阻。这些自主设计性实验项目的选题具有如下特点：选题紧扣大纲，立足基础、适当延伸，实验内容相对比较熟悉，实验难度适中，运用所学的实验方法，进行适当转换后，就可以完成;选题具有一定的探索性，需要学生查阅资料，方案的形成过程中要不断探索研究;选题具有实用性，尽量选择现实生活中可能遇到的问题，使学生对所选的实验有浓厚的兴趣;选题具有开放性，实验方法不单一，可以通过多种方法实现实验目的，以保证学生之间设计方案多样性与差异性[2]。
（三）自主性设计性实验课前准备工作
由于自主设计性实验没有现成的实验方案，所以实验课前教师和学生都需要做大量的准备工作。实验课前，教师提前下发通知并指定实验题目，学生按照通知要求，根据实验题目，查阅相关资料，写出完整的实验预习报告，预习报告中包括实验线路图、实验步骤、实验数据表格等一整套的实验设计方案，通过这一环节，使学生对所做的实验进行认真思考，形成实验方案的基本雏形。实验预习报告要求在实验课前两天上交给指导教师，指导教师对设计的实验方案进行批阅，重点把握实验方案的可行性与科学性，保证实验在实验室的现有条件下能够顺利实施。通过批阅预习报告，把实验方案中存在的问题指出来，让学生再进行修改完善，不合理的实验方案令其重新整改。由于实验选题都比较切合学生实际，学生设计起来难度不大，实验方案确定后，直接可以在课堂实施。指导教师除了批阅预习报告，还要根据学生的实验方案，准备实验所用的仪器设备和各种耗材，以确保实验方案实施。
（四）自主设计性实验课堂操作与课后总结
課前准备工作完成后，学生带着预习报告进入实验室开始实验，教师在实验过程中起着指导和监督作用。实验之前，教师结合预习报告中出现的共性问题进行讲解，提醒大家注意，由于学生在实验中普遍存在着安全意识缺乏的问题，好多设计的线路都没有保护措施，对于元件参数的计算不够精准，实验中容易出现烧坏仪器元件的现象，因此，对于实验仪器的安全使用问题，教师在课堂上反复强调，以避免实验中出现随意损坏仪器情况。在保证仪器安全使用的前提下，学生利用实验室提供的仪器元件，按照拟定好的实验方案进行操作，实验时一般两人一组，实验当中出现问题，两人共同讨论，共同排查故障，共同解决问题，通过不同的测量与比较，切磋研究，学生分析问题、解决问题能力、科研能力与创新能力得到全面提高。实验结束后，要求学生写出完整的实验报告，实验报告是对整个实验的概括与总结，实验的整个过程以及数据结果要清晰准确的表述出来，同时，对实验当中出现的问题进行分析，找出问题所在，对于实验当中成功的地方，予以肯定和提炼。从最初的预习报告到最终的实验报告，学生通过对比分析，得到成长与进步，对实验的理解上升到新的高度，完成了一次从理论到实践，再从实践到理论的科学实验全过程。 三、自主设计性教学模式的效果及存在的问题
自主设计性实验教学模式实施以来，打破了固有的旧思维模式，充分激发了学生的主观能动性，学生对基础知识的掌握有了明显的提高，从简单理解上升到灵活应用，举一反三，实验中更注重实验方法与实验思想的学习，学生的思维能力和创新能力得到提升，学生实验的积极性得到增强，由过去的“按照实验步骤做”，变成“按照自己的思路走”，由“要我做”变成“我要做”，学生真正成为了实验的主导者[3]，好多学生对科学研究产生了浓厚的兴趣。但是，在自主设计性实验教学模式的实施过程中也出现了一些问题，首先，实验教师的科研能力还需要提高，迫切需要打造一支高素质的实验教学队伍。教师作为自主设计性实验的组织者，应该具备深厚的学术功底、扎实的专业知识，从实验选题到实验方案的实施，每一个环节都要全面掌握和了解，针对实验当中出现的各类问题，做出及时的判断与分析，引导和启发学生思考。因此，教师需要加大教学投入的力度，不断提高自己的科研能力;其次，学生设计的实验方案重复性较高，由于学生知识储备的局限性，使得学生设计的实验方案大同小异，新颖性不够，学生参与实验的积极性和创造性还需要进一步提高;另外，实验室仪器设备需要不断更新，长期以来，实验室仪器设备种类比较单一，大部分仪器都是批量购买，好多的实验方案只能局限在现有的仪器设备范围内。因此，实验室要加大仪器设备经费的投入，以保证自主设计性实验教学模式的实施。
四、结语
随着教学改革的不断深入，自主设计性实验教学模式的研究与探索已成为高校实验教学改革的重要内容。目前，在自主设计性实验教学模式的实施中，还存在诸多的问题，这给我们的实验教学提出了挑战，我们要迎难而上，接受挑战，不断优化教学内容、改进教学模式，使自主设计性实验教学更加规范化。
参考文献：
[1]刘天宁，徐清.高校实验教学改革和实验室建设与创新人才培养[J].昆明理工大学学报，2007.7（6）：101-103.
[2]徐胜，夏思墨，韩超峰，王全興.自主设计在免疫学实验教学中的探索与实践[J].基础医学教育，2019.21（9）：718-721.
[3]竺铝涛.纺织工程专业自主设计性教学模式探究[J].纺织服装教育，2019，34（04）259-362.
基金项目：本文系山东科技大学济南校区教学项目（JNJG2017210）的研究成果
作者简介：孙学军（1968-），女，汉族，山东济南人，硕士，高级实验师，研究方向：实验物理。
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