综合设计性物理实验项目开发与指导方法的探究

江 影，邱淑霞，庞 宁

（中国计量学院，浙江 杭州 310018）

1 开设综合性设计性物理实验项目的必要性

综合设计性实验，改变了传统的物理实验教学模式，学生由被动接受转变为主动的探索和获取。在这一过程，教师只起到一个引导的作用[1，2，3]。这就要求学生积极发挥自己的主观能动性，学会从不同的角度分析问题，找到一个解决问题的有效方法、形成较为完整的方案，通过具体的实验操作来完成实验任务。这个解决问题的过程很耗时的，也充满挫折的，但是通过这样一个操练过程，学生们的收获是非常明显的，能够逐步地提高学生分析问题和解决问题的能力[4，5]。

综合设计性实验，是在物理思想和教学思想指导下的创造性思维活动，是学生利用所学的专业基础知识和已具有的实验技能，根据实验任务，自己完成实验课题的剖析，资料的搜集，实验方案的设计，自己完成选配仪器，调试测量，相互协作进行实验，自己分析结果，进行科学评价，独立撰写实验报告的过程。综合设计性实验的选题具有一定的探索性，实验内容和方法较为先进，难度要适中，适合学生作为课题研究[6，7，8]。综合设计性实验其目的在于促进学生主动积极学习和思考，培养学生的综合实验能力、实践能力和创新精神。

2 综合设计性物理实验研究开发的思路

综合性物理实验涉及的物理基础理论知识范围较宽，仪器调节更加精细，有助于较全面地培养学生的学习能力，实验动手能力和创新意识[9，10]。设计性实验，是一种介于教学实验与科学研究实验之间的物理实验，它具有对科学研究实验过程进行初步训练的特点。设计性实验的内容，需要经过精心细致的挑选，即具有典型性、综合性，又具有探索性的特点。同时还要充分考虑学生的知识背景、实验技能、教学时间等条件。根据综合设计性实验的教学目的和要求，主要从以下几方面进行开发。

2.1 以实验装置为主线，开设综合性实验

综合实验装置，主要培养学生对仪器的组合设计能力。例如：表头内阻的测量方法有电桥法、半偏法、电位差计法等。将实验所需的有关电学元器件、仪表，组成元器件库，学生自己根据实验需要，选择其中的元件、仪表，组装成惠斯通电桥、伏安法测量电路、电位差计等。既有利于实验的综合，又有利于实验的设计。

2.2 以应用为目的，开设综合性实验

物理实验设计中最常用和基本的重要实验方法是物理量之间的转换。当某一物理量无法直接测量或不利于信息的采集、传输、处理、加工时，就将这一物理量转化为有利于直接测量或信息的自动采集、传输、处理的物理量。例如：测量温度，就是利用温度传感器、热电阻传感器、PN结等传感器，将不能直接测量的温度量转换为电信号的实验，通过这一系列实验，扩大了学生的实验知识视野，提高了学生的理论联系实践能力、综合应用能力，收到了良好的教学效果。

2.3 以测量某个物理量为主线，开设综合性实验

在众多的物理实验中，根据实际情况的不同，研发出不同的测量方法对某个物理量的测量。例如，转动惯量的测量、微小长度的测量，虽然这些方法都属于直接测量，但将它们综合起来开出以测量某个物理量的综合性实验，对学生根据具体情况，选用不同的测量方法和测量工具，进行实验仪器选择能力的培养有显著的帮助。同时对学生应用能力的培养，能起到验证性实验无法达到的作用。

2.4 为探索物理规律，开发设计性实验

这类设计性实验，需要提供一定的实验装置，要求学生能够根据实验要求，观察和分析实验现象，探索和总结物理规律。这能很好地提高学生科学探索的兴趣、进而培养学生科学探索能力。例如：设计碰撞打靶实验的目的，是要求学生分析碰撞时，计算能量损失的大小，并寻找产生主要原因。根据实验的结果，通过分析，总结出球下落时，相互碰撞，有关物理量之间的关系。由于涉及的物理知识内容不深，对低年级开放这样的设计实验，用实验的方法研究和解决问题的思想，非常有利于培养学生的科学态度。

2.5 以学会误差分配原则为目的，开发设计性实验

在工程技术和实验技术领域中，经常会遇到，对某一项目进行测量，可供选用的仪器、仪表或量具有很多。它们运用不同的科学原理，采用不同的测量装置和显示形式，并且测试精度不同，价格也相差很大。在这种情况下，就要求实验者能按照测量任务的需要和实际的可能性，进行统筹考虑，对使用的仪器、仪表或量具做出合理的选择。我们开设误差分配和实验仪器的选择这类实验：学生根据误差要求和误差分配原则，对实验仪器做出合理的选择。

2.6 利用已有的工具以判断某种元器件的属性为目的，开发设计性实验

开发此类设计性实验，要求学生在必须掌握测量工具的基本用途、功能、结构的基础之上，再作进一步的用途开发。此类设计性实验，对培养学生的创新思维能力非常帮助。例如：黑盒子实验，学生必须先掌握万用表的结构，工作原理，在此基础上，依据电阻等元器件的特性来判断各未知元件的属性；判断由一些未知元件组成的电路。加强学生理论联系实际，学会逆向思维的方式。

2.7 以教师科研项目为依托，开发设计性实验

这类实验将科研项目与实验教学相结合，使有能力和有兴趣的学生尽早进入科研状态。同时参加学科竞赛，提高学生综合能力。例如“人工云”的制备及性能的研究，就是教师将自己科研项目的一部分提供给学生，学生自行设计制作，解决问题。此项目参加浙江省大学生物理科技创新竞赛并获得二等奖。

2.8 以测某一物理量为目的而开发设计性实验

以测某一物理量为目的设计性实验，涉及确定实验方法、设计实验方案、选取仪器设备和制作实验装置。例如：在液体折射率的测量、小颗粒和悬浮体密度的测定实验中，方案的设计和实验结果的比较，是针对某个具体测量的物理量，选择和设计实验方案。此类设计性实验为培养学生发散性思维能力提供了有效内容和途径。

3 综合性、设计性物理实验内容

依据以上探讨的依据，结合实际情况，我们开出了以下综合性、设计性实验项目：

（1）表头内阻的测量：实验方法有惠斯通电桥、半偏法、电位差计。

（2）温度的测量：实验方法有热电偶、热敏电阻、PN结。

（3）导体导热系数的测量：涉及用动态法测量良导体的导热系数、用稳态平板法测量真空橡皮板的不良导体导热系数、用稳态圆球法测量粉末的不良导体导热系数等。

（4）小颗粒和悬浮体密度的测定：涉及测定不溶于水的小颗粒的密度、测定不溶于水悬浮体密度、测定溶于水的小颗粒（食盐）的密度。

（5）液体折射率的测量：掠射法测量液体的折射率、分光计测量玻璃容器内液体的折射率、迈克尔逊干涉仪测量液体的折射率等。

（6）微小长度的测量：利用衍射法测量微小长度、劈尖测量微小长度、迈克尔逊干涉仪测量微小长度。

（7）黑匣子实验：依据电阻、电感、半导体二极管、三极管、电容等元器件的特性来判断各未知元件的属性；判断由一些未知元件组成的电路，画出电路图并标出各元器件的数值。

（8）误差分配和实验仪器的选择：根据误差要求和误差分配原则，对实验仪器做出合理的选择；根据误差分析选定简单测量电路、确定电表的量程、规格和电源输出电压。

（9）“人工云”的制备及性能的研究：通过实验配制最好的泡沫水，这样的泡沫持续时间长不易爆破；制造泡沫机，使其符合实验要求；制造方便易操作的试验模型；测量不同温度下泡沫持续时间；测量装置的保温效果。

（10）碰撞打靶实验：熟悉对碰实验的条件、分析碰触过程中动量和能量的变化、通过自主设计实验，得出实验结论。

4 综合性、设计性物理实验指导方法

开设综合性、设计性物理实验，学生即能够学习物理实验基础知识，又能够接受到严格训练。在掌握初步的实验能力的同时，养成良好的实验习惯和严谨的科学作风。其中，实验能力包括动手和动脑的能力。动手能力在于学生要能熟练使用实验仪器、按设计好的实验步骤顺利完成实验；动脑能力要在设计实验步骤、选取实验条件、分析实验现象、提出改进措施等方面培养学生。因此，在具体评价时可适当加大实验过程（动手）及实验分析、讨论（动脑）两个环节的权重进行评价。

（1）为了更好地进行综合性、设计性实验项目教学，在校园网的教学平台和课程选课系统上，公布物理实验课程所有的综合性、设计性实验项目。对综合性实验项目，学生在网上自主选择实验项目。对设计性实验项目，组织基本知识和技能实验成绩在优良以上的或积极要求的学生参加，由若干人组成团队，选择实验项目。这样既可以鼓励学生重视基本实验的学习，又可以使综合性、设计性实验项目能够切实有效地进行。

（2）采用以学生为主体，以教师为主导的模式，培养学生的自主学习的能力和创新意识。在教学环节上，因材施教，突显学生个性，学生自主选择实验项目，经过系统确认后，即可进行实验项目研究。

（3）在教学过程中，实施“预习—设计—实验—再设计—再实验 ”的循环提高过程，学生自行查找资料，设计实验方案，选择实验仪器，完成实验，并写出实验总结报告或论文，或开展实验报告交流会。

（4）教师审核学生的设计方案，定期检查实验项目进度，起到启发、释疑、指导、鼓励创新的主导作用。

5 结 论

物理实验是一门对理工科学生进行科学实验基本训练的必修课程，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端，对培养学生自主学习能力，综合学习能力，创新求知能力起到重要的作用。

教学上，实行分层次、多样性的实验教学体系，在开设基本知识与基本技能的实验基础上，设置了部分设计性实验和研究性实验，建成了开展综合性设计性实验项目的平台。

近三年，实验中心在物理实验课程中开设了综合设计性物理实验20余项目，学生的积极性很高，实验效比较果理想。开设这类实验，为申报学校开放实验项目提供了优秀的学生资源，同时开放实验项目也为设计性实验提供丰富的项目资源。

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[2]杨述武.2000.普通物理实验（一）（二）（三）（四）[M].北京：高等教育出版社.

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[7]杜英磊，赵勇飞，霍剑青，向守平.基础物理实验课程体系和实验内容改革的初步尝试[J].物理实验，1997，18（1）：3－5.

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