設(shè)計(jì)性研究性實(shí)驗(yàn)題目設(shè)置和教學(xué)方法初探

張映輝

（大連海事大學(xué)，遼寧 大連 116026）

設(shè)計(jì)性研究性實(shí)驗(yàn)題目設(shè)置和教學(xué)方法初探

張映輝

（大連海事大學(xué)，遼寧 大連 116026）

本文站在提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才和增強(qiáng)國家科技競爭力的高度，針對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍存在的設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)題目設(shè)置“難”，以及由此帶來的教學(xué)“難”問題，提出了明確的思路和較實(shí)用的解決方案，對(duì)于全面貫徹教學(xué)基本要求，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次和質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)；題目設(shè)置；分類指導(dǎo)

1 問題的提出

（1）物理實(shí)驗(yàn)是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的先驅(qū)，在實(shí)驗(yàn)思想、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)手段等方面是各學(xué)科科學(xué)實(shí)驗(yàn)（科學(xué)試驗(yàn)）的基礎(chǔ)。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)比理論教學(xué)能更為直接地體現(xiàn)科學(xué)的世界觀和方法論。

（2）新版《理工科類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求》把設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)作為理工科各專業(yè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分［1］，并規(guī)定了最低學(xué)時(shí)比重。貫徹教學(xué)基本要求，探索設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一般規(guī)律，提高設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，是關(guān)系學(xué)生質(zhì)量和國家科技競爭力的重大問題，是每一個(gè)實(shí)驗(yàn)教師的重要職責(zé)。

（3）傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)大都是基礎(chǔ)性或綜合性實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過幾百年的積累，現(xiàn)成的基礎(chǔ)性、綜合性實(shí)驗(yàn)題目眾多，且不乏經(jīng)典。

設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能象基礎(chǔ)性、綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)菢樱扔山處煛霸O(shè)計(jì)”好方案，準(zhǔn)備好儀器設(shè)備，讓學(xué)生“按圖索驥”走一遭。必須根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件和學(xué)生的基礎(chǔ)，提出既有一定難度和現(xiàn)實(shí)（生產(chǎn)、生活）意義，且有一定“設(shè)計(jì)”、“研究”空間的題目。因此，如何設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)題目（即選題的基本原則和方法），是設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須認(rèn)真研究和解決的一個(gè)重要問題。

（4）設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)倡導(dǎo)學(xué)生通過自行設(shè)計(jì)、用自主研究的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而學(xué)生個(gè)體的差異性則會(huì)造成實(shí)驗(yàn)方案（手段、途徑和方法）的多樣性，這將給教師在教學(xué)（實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)）指導(dǎo)上帶來許多意想不到的問題，教學(xué)的難度更大了。

2 關(guān)于設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)的題目設(shè)置

指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)的空間十分廣闊，題目設(shè)置的方法非常眾多。經(jīng)過幾年的研究探索，我們感到，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)選題應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手:

（1）探索新的實(shí)驗(yàn)方法（方案）的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。面對(duì)日新月異的新技術(shù)、新儀器、新設(shè)備，我們完全可以對(duì)某些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的路徑選擇進(jìn)行重新考量，重新設(shè)計(jì)。即引導(dǎo)學(xué)生使用新技術(shù)、新儀器、新設(shè)備重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并完成實(shí)驗(yàn)。

（2）更新現(xiàn)有儀器、設(shè)備的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)（數(shù)字）技術(shù)、激光技術(shù)等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用大大提高了人類對(duì)于物質(zhì)（實(shí)驗(yàn)所輸入的固體、液體、氣體）、能量（輸入的聲、光、電）的控制能力和輸出（現(xiàn)象）的觀測（定性和定量）能力，應(yīng)及時(shí)地應(yīng)用到生產(chǎn)、生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)（試驗(yàn)）之中。即以提高輸入控制水平和輸出（現(xiàn)象、結(jié)論）觀測（測量、記錄）水平為目標(biāo)，指導(dǎo)學(xué)生圍繞“提高實(shí)驗(yàn)的精確度”進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)而更新儀器、設(shè)備。如我校自動(dòng)化2002級(jí)學(xué)生王秋林等設(shè)計(jì)制作的“RC充放電智能化實(shí)驗(yàn)儀”經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具備隨機(jī)采集相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示RC充放電過程，提高測量精度等功能，現(xiàn)已由上級(jí)批準(zhǔn)正式列為實(shí)驗(yàn)“RC串聯(lián)電路充放電特性研究”教學(xué)儀器。

（3）創(chuàng)制新儀器、新設(shè)備的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。對(duì)于某些在過去生產(chǎn)、生活、實(shí)驗(yàn)中不大常見、常用（或僅用其大略而沒有很高的精度限制），而在今后的生產(chǎn)、生活、科學(xué)試驗(yàn)中已（將）普遍運(yùn)用的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)（或運(yùn)用精度有較高要求），客觀上顯然需要?jiǎng)?chuàng)制新的儀器、設(shè)備進(jìn)行觀測、記錄和控制。類比前段所述，可引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)（數(shù)字）技術(shù)、激光技術(shù)等新技術(shù)創(chuàng)制新的儀器、設(shè)備，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證、調(diào)試。

研究性實(shí)驗(yàn)選題主要應(yīng)采用如下方法:

（4）截取法，是指在現(xiàn)有的生產(chǎn)流程（生產(chǎn)實(shí)踐）、科學(xué)試驗(yàn)或者正在進(jìn)行研究探索的科研課題中適當(dāng)截取一小段或一部分內(nèi)容作為設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)題目的選題方法［1］。也就是說，可以把現(xiàn)有的生產(chǎn)或科學(xué)試驗(yàn)流程作為設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)題目的淵源，從中截取其有代表性的一部分加以簡化和改造，使其成為設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)題目。

如我們開設(shè)的“玻璃材料的設(shè)計(jì)與制備”實(shí)驗(yàn)就取自于玻璃生產(chǎn)流程，使學(xué)生學(xué)習(xí)和體驗(yàn)新材料制備和不同配比下凝聚態(tài)物質(zhì)特性研究的一般方法。

（5）跟進(jìn)法，是指將最新科研成果、最新生產(chǎn)流程、最新實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行適當(dāng)加工和簡化作為設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)題目，或者在最新科研成果、最新生產(chǎn)流程、最新實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出前進(jìn)性探索研究課題的選題方法。與截取法相比較，跟進(jìn)法含有“跟”和“進(jìn)”兩層意思，“跟”就是緊跟前沿進(jìn)行選題，而“進(jìn)”則可以站在前沿或者超越現(xiàn)有成果進(jìn)行選題。

一般來說，跟進(jìn)法實(shí)驗(yàn)選題的題目和內(nèi)容可以是開放的。即在實(shí)驗(yàn)教學(xué)題目上只給學(xué)生一個(gè)大致的實(shí)驗(yàn)（試驗(yàn)）研究方向。如在現(xiàn)有設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)題目以外，利用開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，向?qū)W生提供某個(gè)生產(chǎn)或試驗(yàn)流程的情況介紹、科研項(xiàng)目成果或進(jìn)展的資料，引導(dǎo)學(xué)生圍繞相關(guān)流程和具體解決方案進(jìn)行設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)，或者突破現(xiàn)有的研究范圍和現(xiàn)有成果進(jìn)行前進(jìn)性、開拓性、開創(chuàng)性（獨(dú)創(chuàng)性）的研究。

（6）并行法（或者叫類比法），是將科研課題（或其一部分）直接轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)題目，或者將與科研課題、生活難題以及生產(chǎn)實(shí)踐中遇到的現(xiàn)實(shí)問題相類似、相近似的問題用類比的方式轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)題目的選題方法［3］。這里講的“并行”在某種意義上可以是時(shí)間上的同步性（同時(shí)實(shí)行或?qū)嵤部梢允莾?nèi)容或方法上的相似性、類比性。

一種方法是指導(dǎo)學(xué)生直接參與本系老師承擔(dān)的科研項(xiàng)目，將其中難度適中的某一部分（或幾部分）內(nèi)容作為設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)題目或畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目交給學(xué)生去探索和研究。另一種方法是將生產(chǎn)、生活中現(xiàn)實(shí)難題的解決直接確定為設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)。

應(yīng)該指出或說明的是，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)沒有嚴(yán)格界限，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的方案、儀器、設(shè)備需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究、改進(jìn)、調(diào)試和驗(yàn)證。而研究性實(shí)驗(yàn)則更需要對(duì)原理、思路、方案、手段進(jìn)行認(rèn)真的設(shè)計(jì)。上面對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、研究性實(shí)驗(yàn)題目進(jìn)行的分別論述只是為了闡述實(shí)驗(yàn)題目設(shè)置方法的便利。竊諸君自會(huì)明鑒。

3 關(guān)于設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法

（1）對(duì)工程設(shè)計(jì)制造類工科專業(yè)（如我校輪機(jī)、電氣、土木、自動(dòng)化）的學(xué)生應(yīng)著重提供處于前沿、難度較大、具有創(chuàng)新探索性質(zhì)的設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)題目，重在引導(dǎo)學(xué)生開闊思路、大膽設(shè)想。一是綜合運(yùn)用理論知識(shí)和各種儀器設(shè)備（包括計(jì)算機(jī)），對(duì)既定的實(shí)驗(yàn)題目進(jìn)行獨(dú)創(chuàng)性研究和探索，從而得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果或結(jié)論；二是對(duì)最新科研成果及相關(guān)（或相近）問題進(jìn)行獨(dú)創(chuàng)性研究和探索，從而導(dǎo)出新近得知的結(jié)論、做法、設(shè)備、工序等；三是導(dǎo)出與最新科研成果相關(guān)、相近、相類似的新結(jié)論、新成果、新做法、新設(shè)備、新工序。第三點(diǎn)亦可作為指導(dǎo)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的一個(gè)做法選項(xiàng)。

（2）對(duì)其他普通工科類（如航海技術(shù)，交通運(yùn)輸之外貿(mào)運(yùn)輸、港口管理）的學(xué)生，應(yīng)主要提供基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性、難度相對(duì)較小的設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)題目，重在進(jìn)一步熟悉和理解物理概念和規(guī)律，熟悉儀器的使用方法，并在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生開動(dòng)腦筋、大膽實(shí)踐、勇于創(chuàng)新，提高知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，培養(yǎng)學(xué)生自信心。

（3）對(duì)興趣濃厚、設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力較強(qiáng)的學(xué)生，一是開放實(shí)驗(yàn)室，給他們提供更多的研究機(jī)會(huì)；二是指定教師負(fù)責(zé)組織他們形成研究攻關(guān)小組，加強(qiáng)引導(dǎo)、交流配合、舉辦“頭腦風(fēng)暴”沙龍，指導(dǎo)他們?cè)O(shè)計(jì)新方法、新組合、新程序，創(chuàng)制新儀器、新設(shè)備，指導(dǎo)他們撰寫論文、幫助他們推廣新方法、新設(shè)備；三是積極組織本校物理實(shí)驗(yàn)技能大賽，發(fā)現(xiàn)人才，培育創(chuàng)新研究興趣進(jìn)而選出骨干力量，參加省市物理學(xué)術(shù)競賽和物理實(shí)驗(yàn)競賽，直接參與前沿學(xué)術(shù)研究，感受、探索、創(chuàng)新氛圍，為國家和社會(huì)培養(yǎng)和輸送基礎(chǔ)扎實(shí)、綜合素質(zhì)高的科技人才。

（4）對(duì)物理專業(yè)的學(xué)生（尤其是研究生）應(yīng)著重提供能較好地體現(xiàn)物理思想和方法，有一定難度和創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)性研究性實(shí)驗(yàn)題目。重在引導(dǎo)學(xué)生在深刻理解物理規(guī)律，熟練掌握儀器設(shè)備功用的基礎(chǔ)上，積極運(yùn)用物理科學(xué)發(fā)展中形成的各種先進(jìn)的思想和方法進(jìn)行獨(dú)創(chuàng)性研究和探索，實(shí)驗(yàn)的目的不止于得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果或結(jié)論，而更在于學(xué)會(huì)運(yùn)用物理思想和物理方法，更在于思路和方法的創(chuàng)新性，更在于培養(yǎng)一種科學(xué)精神、一種追求真理的習(xí)慣，以及對(duì)物理科學(xué)的一種崇敬、信仰和熱愛。

［1］ 教育部高等學(xué)校物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委會(huì).理工科類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求（2010年版）［M］.北京:高等教育出版社，2011，15-18.

［2］ 張映輝.截取、跟進(jìn)、并行--設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)選題的重要方法［Z］.《物理與工程》2013年增刊-“2013年全國高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教育學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集”，303、304、307.

［3］ 張?jiān)雒鳎瑢O臘珍，霍劍青，等.創(chuàng)新研究型物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)踐［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2009（7）: 14-17.

［4］ 喬憲武，江影，徐鵬.設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012，25（1）.

Research on the Thematic Setting and Teaching Method for Design of and Research Experiment

ZHANG Ying-hui
（Dalian Maritime University，Liaoning Dalian 116026）

It is based on the improving the scientific attainments of students，cultivating innovative talents and enhancing the technological competition of the nation.In general，the thematic setting for design of and research experiment is difficult.Moreover，the corresponding teaching is hard.According to these problems in the teaching of university physics experiment，we propose explicit idea and practical resolving project.This paper has very important guidable signification for us to carry out basic requiring for teaching and improve experimental teaching and quality.

design of experiment；research experiment；thematic setting；classified guidance

G642.0

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.01.035

1007-2934（2015）01-0107-03

2014-09-16