能力培養(yǎng)下的物理實驗教學改革實踐
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摘要：物理實驗是培養(yǎng)學生能力的重要途徑之一，本文以培養(yǎng)學生綜合能力為目標，進行物理實驗教學體系、教學內(nèi)容、教學方法等多方面的改革與實踐。
關鍵詞：能力培養(yǎng)；設計性實驗；開放實驗室；仿真平臺
物理實驗作為大學生進校后第一門科學實踐課程，在培養(yǎng)學生科學素質、動手能力、思維能力以及創(chuàng)新意識方面有著獨特的不可替代的作用，同時物理實驗也是培養(yǎng)具備現(xiàn)代科技素質的高質量高層次創(chuàng)新人才的重要實踐環(huán)節(jié)，如何滿足學生的實驗學習需要？如何激發(fā)學生實驗積極性和主動性？如何培養(yǎng)創(chuàng)新意識和能力？是目前實驗教學改革面臨的重要課題。近幾年來，物理實驗室以培養(yǎng)和訓練學生自主實驗能力、綜合實踐能力、研究與創(chuàng)新能力為目標，對大學物理實驗進行了一系列的改革與實踐，構建了新的物理實驗教學體系，在實驗內(nèi)容、實驗教學方法和手段上各方面進行了改革，在實驗教學過程中著重培養(yǎng)學生自主學習的意識，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和能力。給學生營造了良好的實驗環(huán)境，激發(fā)了學生的實驗興趣，激勵了學生個性發(fā)展。
一、實驗課程體系的改革與實踐
物理實驗由于學科的交叉滲透，各實驗項目之間已形成相互融合和相互關聯(lián)。因此我們教學內(nèi)容的安排不再遵循力、熱、電、光、近的傳統(tǒng)實驗項目結構，而是根據(jù)實驗項目的難易程度，隨著學生實驗能力的逐步提高，實行分層次實驗教學。將實驗項目分為基本訓練、基礎性實驗和綜合、設計性實驗三個層次。實驗內(nèi)容體現(xiàn)出相應的梯度，因材施教，教學層次分明，可以充分調動學生實驗的積極性、主動性，更利于學生實驗技能的提高和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。其中，在實驗課程初期，主要是安排基礎性實驗，重在培養(yǎng)學生的基本實驗技能、加深對理論知識的掌握與理解，掌握基本的實驗方法與思想，養(yǎng)成嚴謹認真的工作作風。實驗課程的后半段，加入綜合設計性實驗，重在培養(yǎng)的綜合解決問題的能力和創(chuàng)新能力。
二、實驗教學內(nèi)容的改革與實踐
根據(jù)實驗教學體系的改變，本著“打好基礎，有所創(chuàng)新”原則，調整了實驗教學內(nèi)容，重新選擇調整實驗項目。實驗項目的設置突出對學生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新方法、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，選題密切結合學生的實際情況，在學生原有的基礎上，減少了單純理論驗證性實驗、建立了內(nèi)容的新穎、貼近現(xiàn)代科技的科學性實驗體系。增加了實驗思想豐富、實驗方法獨特的實驗項目，同時又從現(xiàn)代科技發(fā)展和技術應用的角度設置新的實驗項目。新的實驗體系更具有趣味性、綜合性、設計性。實驗內(nèi)容的調整，有利于提高學生對實驗的興趣，有利于培養(yǎng)獨立思維，有助于提高分析問題與解決問題的能力，有助于提高學生的創(chuàng)新意識與能力。為培養(yǎng)創(chuàng)新能力，實驗項目中加大設計性實驗的比例，一般的實驗項目其實驗儀器、原理和具體的實驗操作方法、步驟都是事先確定好了的，甚至連結果都給學生定好了，學生上實驗課大多是“按圖索驥”。設計性實驗是一種介于基礎教學實驗與實際科學實驗之間的、具有對科學實驗全過程進行初步訓練的教學實驗。設計性實驗只提供每個實驗項目的基本要求和必要的儀器設備和相關的原理提示，不提供完整的實驗方法和步驟，由學生自己根據(jù)有關原理和儀器，設計具體實驗方案，進行探索和研究。設計性實驗報告要求學生參照正規(guī)期刊上的論文格式書寫，由于論文的結構層次分明，要點突出，有利于鍛煉學生的邏輯思維和文字表達能力。對于引用或參考別人文章的內(nèi)容，要求要清楚地標明參考文獻和出處，這樣可以培養(yǎng)學生謙虛謹慎、實事求是的研究態(tài)度。通過把實驗報告寫成規(guī)范的小論文，可以鍛煉學生撰寫規(guī)范論文的能力，為將來的畢業(yè)論文設計做準備。
三、實驗教學方法和評價體系的改革與實踐
傳統(tǒng)的實驗教學方法以教師為主體，實驗內(nèi)容的講解是采用面面俱到的“滿堂灌”教學模式，教師對實驗的目的、原理、內(nèi)容進行講解，對實驗儀器的操作和注意問題反復強調，學生實驗的整個過程，完全是跟著教師的思路走，沒有自己獨立思考的空間，長期下來，學生容易形成懶惰和依賴的心理，課堂中不積極思考，有問題直接問老師，他們的自學能力、獨立思維能力以及創(chuàng)新能力得不到到充分發(fā)揮。改革傳統(tǒng)的實驗教學方法，就是將一般的實驗內(nèi)容進行有選擇、有重點的講解。不按部就班，不循規(guī)蹈矩，重點突出實驗的設計思想、實驗方法、儀器選擇和實驗數(shù)據(jù)的處理等方面，具體的實驗內(nèi)容和實驗步驟留給學生自己研究，實驗教學重在授學生以漁，讓學生不僅“知其然”還要“知其所以然”，做到能夠觸類旁通，舉一反三。我們在實驗中引進了CAI課件，通過大屏幕電視機播放，可以更直觀地觀察一些物理原理及現(xiàn)象，激發(fā)學生的實驗興趣。同時，加大實驗室對學生開放的力度，讓學生利用計劃學時外的時間，進入實驗室，在必修實驗內(nèi)容的基礎上增加自選項目，根據(jù)自己的個人興趣在實驗室進行科學研究，給學生個性發(fā)展的空間。學生的成績評價體系作為檢查教學效果的重要手段，在實驗教學中起著重要的作用，科學的評價體系有利于調動學生實驗的積極性，為了使學生重視平時實驗課堂的學習，同時也為了避免學生課堂上實驗操作懶得動手的現(xiàn)象，對學生的每一個實驗項目的成績評定分為三個部分：分別是預習、實驗操作、實驗報告三部分組成，每一個部分都要進行評定，并逐一進行打分登記。最后的實驗成績評定，采用平時成績和操作考試相結合，平時成績占60％，操作考試占40％。操作考試的實驗題目，在平時實驗的基礎上，有所變化，學生舉一反三，自行設計實驗方案，操作采用單人單組的形式，學生獨立完成實驗，老師直接現(xiàn)場對學生所做的實驗做出評判。
四、實驗教學中基本科學素質培養(yǎng)的改革與實踐
物理實驗課程是一門基礎課程，重在培養(yǎng)學生的基本素質，因此在日常的實驗中加強對學生進行以下方面的培養(yǎng)：培養(yǎng)學生閱讀實驗教材和查閱資料的能力，讓學生通過閱讀實驗教材和查閱資料，掌握基本的實驗原理及方法，物理實驗當中蘊含豐富的實驗思想和實驗方法，每做一個實驗，引導學生深入理解和體會每一個實驗的內(nèi)涵和本質；培養(yǎng)學生學會正確使用各類實驗儀器的能力，每一類的實驗儀器都有不同的特點，操作的規(guī)程也不相同。通過實驗，學生掌握電學儀器、光學儀器、力學以及熱學等各類儀器操作規(guī)程，正確使用儀器進行測量，測量的訓練落實到具體到每一個實踐教學環(huán)節(jié)，例如：量程的選擇，零點的調節(jié)，以及讀數(shù)的規(guī)則等等；培養(yǎng)學生正確記錄和處理實驗數(shù)據(jù)能力，物理實驗作為一門實驗科學，不僅是進行實驗操作，還要對實驗的數(shù)據(jù)、實驗的結果學會正確的計算處理和表達。實驗中學會各類數(shù)據(jù)處理的方法，例如：逐差法，作圖法等，為將來從事科學研究，撰寫論文打下基礎。
五、實踐活動創(chuàng)新的改革與實踐
日常生活中，教師應該鼓勵學生參加各種科研活動，引導他們注重對身邊事物的觀察，用物理實驗的思維去進行創(chuàng)作，改變身邊的環(huán)境。鼓勵學生參加物理實驗的各類比賽，在比賽中自己設計創(chuàng)造，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，去體驗科新創(chuàng)新的辛苦和快樂。老師組建各種物理實驗小組，讓學生利用空閑時間來到實驗室，幫助老師準備實驗，調試儀器，或者做一些實際的手工制作，例如焊接導線，修理簡單的儀器等，或者根據(jù)教學內(nèi)容，布置一些小的課題，引導學生以小組的形式共同探索研究，構建相互學習、相互促進的實驗學習氛圍，集思廣益，在共同的研究中激發(fā)出創(chuàng)新的火花。
六、仿真實驗平臺的探索與實踐
隨著大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，物理實驗教學也進行了虛擬實驗平臺的嘗試。特別是2020年，突如其來的疫情打亂了正常的教學秩序，我們按照“停課不停學”的要求，利用仿真實驗平臺進行實驗。仿真平臺對于教師和學生來說，都是一個全新的體驗，一切都要從頭摸索。經(jīng)過一段時間的探索，終于掌握了平臺的使用，利用平臺圓滿地完成了實驗教學任務，最大限度減少了疫情帶來的影響。
（一）仿真平臺的優(yōu)勢仿真平臺是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)的新興事物，實驗室由“實體”實驗室轉為“虛擬”的實驗室，平臺進行仿真實驗具有傳統(tǒng)實驗無法比擬的優(yōu)勢。仿真平臺優(yōu)勢之一就是學生的實驗操作過程不受時間和空間的制約。首先，教師對實驗內(nèi)容進行集中講解，講解完畢后，在實驗平臺安排實驗預習、操作以及實驗報告等各項任務。接著，學生根據(jù)教師的安排，自主安排實驗各環(huán)節(jié)，實驗操作可以多次進行，不斷的完善和改進操作，直到完全弄會弄懂，好多學生實驗一做就是五六個小時，沉浸在實驗操作的樂趣之中，為每一次實驗分數(shù)的刷新而興奮，不斷的挑戰(zhàn)自我。其次，仿真平臺的優(yōu)勢之二就是省去了教師大量課前的儀器設備調試維修工作。一般傳統(tǒng)的實驗課，實驗課前，教師每次都要對儀器反復調試，并進行維修維護，實驗操作過程中，也容易出現(xiàn)儀器損壞等問題，一旦出現(xiàn)儀器故障，就會影響學生實驗，而利用平臺實驗則完全不用擔心儀器出現(xiàn)故障，學生放心，教師放心，完全消除了儀器故障帶來的問題，節(jié)省了實驗成本。
（二）仿真平臺的不足任何事物都是一分為二的，仿真平臺帶來便捷的同時，也存在著一些不足。仿真平臺是在虛擬的實驗環(huán)境中進行操作，與真正的實驗室操作相比，有著截然不同的感受。學生不能親身感受實驗室的氛圍和環(huán)境，不能親眼所見，親手操作儀器設備，實驗操作過程當中出現(xiàn)問題，教師指導起來極為不便。另外，仿真平臺在實驗操作各環(huán)節(jié)的評定方面，各實驗項目之間大同小異，不容易體現(xiàn)特色，平臺設動的程序都是固化的，不能靈活調整。
七、結語
讓學生在實驗室進行自主研究和探索，培養(yǎng)學生的素質，提高動手能力、創(chuàng)新能力，是大學物理實驗教學的根本宗旨。遵循“以學生為本”的教學理念，引導學生進行自主設計性實驗，對學生進行實驗室開放等是調動學生實驗學習主動性、積極性，提高實驗教學質量的有效途徑。我們在物理實驗教學中，要多措并舉，勇于改革，不斷地進行探索和研究，以適應新時代的發(fā)展和要求。
作者：孫學軍 金熒熒 單位：山東科技大學基礎課部