以培养创新思维能力为导向的大学物理实验教学探索

叶 倩

（江西中医药大学 江西南昌 330004）

引言

高校以往的物理实验教学形式大多以教师示范为主，学生根据教材中的实验步骤进行模仿和练习，这就会导致学生在做实验的时候，很容易对教材或教师产生过度依赖的心理。再加上实验过程中，学生们自主思考的时间和内容相对较少，其独立判断能力、自学能力和创新能力并没有得到有效的挖掘和充分的发挥。在这样的基础上，大学物理教师通过引入综合设计型物理实验，从实验设计开始，到器材的准备、流程的部署，以及后期实验总结的书写，全都由学生自主负责。这样不仅能够培养他们的团结协作能力和自主思考能力，同时也有利于让学生们的创新思路在实验过程中充分发挥出来，为培养具有高阶思维能力的人才提供保障。

一、综合设计性物理实验的基本概述

1.定义

综合设计性物理实验顾名思义，就是具有综合性和设计性的物理体系。其中综合性，是指整个物理实验的流程相对复杂，涉及的物理原理较多，需要实验人员能够在理清思路、准备好物理实验器材的基础上，把握实验流程，更清晰地汇总出实验原理，并撰写成相应的数据报告。而设计性则是指该类型的物理实验，一般要求实验人员能够具备独立性和自主性，使整个实验具有别出心裁的特征能够区别于传统实验内容。例如用相对较少的实验器材和实验步骤得出相对复杂的结论。也就是说，综合设计性物理实验本身，对实验者的综合素质要求相对较高，从实验设计初期到实验安排、资源调度、实验流程以及后续的总结，都需要实验人员能够精心部署，确保综合设计性实验能在有效的期限内，合理完成，并提高实验结果的有效性和科学性[1]。

2.教学模式分析

在大学综合设计性物理实验教学中，教师仅为学生提供实验项目基本的仪器设备和要求，或者出示有关的实验原理，并不向学生展示实验全部的操作步骤和方法，而是让学生根据实验要求自主地选择仪器，并设计出具有实效性的实验方案。在实践中，物理实验室需要全程对学生开放，使他们在规定的时间内能够完成实验任务。也就是说，在大学物理教学课堂上，综合设计性实验教学是学生充分发挥创造力和想象力的过程，无论是实验的安排、资源调度，还是实验过程的设计部署，都需要学生独立完成，教师以辅导为主，整个教学的重点在于培养学生的实验能力和实验思维上。

在确定综合实验性实验流程的时候，要求教师引导学生对实验室所提供的器材和设备进行实验测量，实验过程中无论出现何种故障现象，都需要学生自主判断、分析和解决，然后根据实验方案进行测试、调整和观察，将测得的实验数据填入数据记录纸中。最后根据整个实验过程完成实验报告，包括：实验目的、实验器材、实验原理、实验步骤、数据处理及实验思考题。整个综合设计性实验中，实验过程和实验方案的敲定，都需要学生自主进行探索，因此实验系统本身具有探究性的特征，是综合发展学生个性的一种教学手段，要求学生能够自主发现实验中遇到的问题并尝试解决。

二、以培养学生创新思维能力为出发点，综合设计性物理实验开发的思路分析

1.综合性实验开发的思路

以探索物理规律为主的综合性实验在大学物理实验的系统中，一些实验内容和实验方法是固定且相同的。因此教师在开发综合性实验的时候，可以以探究物理规律为出发点，培养学生们探索物理规律以及应用实验方法的能力。例如在开发光学实验的时候，单缝衍射实验主要是观察衍射条纹图样及分析条纹宽度与缝宽的关系，圆孔衍射实验观察衍射条纹图样及分析艾里斑半径与圆孔直径的关系。这些实验本身的物理规律是基于光的衍射之上的，要求学生们在实验探索中找到间接测量物理量和直接测量物理量之间的关系。在该类综合性实验开发的过程中，要求教师能够进一步探索和应用物理规律，让学生们基于物理关系探究的视角来进行实验，培养学生的综合应用能力[2]。

其次，是开发以应用为目的的综合性实验。在大学物理中，物理量之间的相互转换，是实验最基本和常用的方法。尤其是当一些物理量无法直接进行信息的加工、处理、传输和采集的时候，就需要实验人员将相应的物理量依托相应的载体转化为直接测量量，传感器就是其中之一。能将无法直接测量的物理量转化为电信号的实验装置，便于对信息进行加工、传输和采集。因此，教师在为学生们开发综合性实验的时候，可以应用光电传感器、温度传感器以及电容式传感器等让学生们选择，增强学生的理论实践联系能力。

最后，开发以物理性质为主线的综合性实验。在大学物理当中，物理实验的教学目的就是启发学生对实验的现象进行分析和观察，帮助学生们对物理的规律和概念进行正确的理解和认识。因此，要求教师能够开发以物理性质为主线的综合性实验系统。例如设计交流电桥，让学生们对交流电路的各种状态进行科学的分析和系统的了解，并充分对比交流电路和直流电路，提高学生全面认知交流电路性质的能力。这样不仅有利于帮助学生观察和总结物理实验现象，同时也能让学生主动掌握物理规律，强化个人的学习能力。

2.设计性实验开发的思路

首先，开发以测量某个物理量为主要目的的设计性实验。在实践中，教师可以通过实验方案的撰写以及实验方法的引导，让学生们能够综合选择实验仪器以及实验所需的装置。例如，在开展葡萄糖溶液旋光率测量的实验时，要求教师让学生们对实验的方案进行预先的考量，并将设计写方案和预测到的实验结果进行比较，选择针对性强的设计实验方案。这样不仅能够培养学生们的发散性思维能力，同时也有利于锻炼学生的实验预测能力，使他们掌握更具有规律的实验总结方法和思维方式。

其次，开发以验证物理规律为目标的设计性实验。在大学物理专业中，物理规律本身具有相对明显的物理量函数关系，在开发该类实验的过程中，要求教师能够引导学生对物理规律成立的条件进行预先的分析，然后选择合理、数量充足的实验装置和设计方案，在满足假设条件的基础上，对物理流程进行预先的判定，然后再着手开始实验。例如，在进行能量守恒定律验证实验的时候，如果在气垫上进行，不仅难度较大，而且还无法确定能量的损耗。因此要求教师能够带领学生们寻找一些阻力相对较小的实验平台，忽略阻力本身对实验结果造成的影响，激发学生们主动探索的欲望。而且相对来讲，与综合性实验相比，设计类实验难度较大，但却可以有效培养学生的实验探索能力以及科学验证能力等。

再次，开发以寻找某类物理量测量工具为主要目的的设计性实验。在开发这类实验的时候，要求学生能够掌握物理实验测量工具的基本结构、用途以及性能等，然后再对实验的整个流程，进行用途的开发，有利于培养学生的创造思维能力。例如，在进行交流电桥平衡指示器研究的时候，教师可以让学生们用示波器来代替，先掌握示波器的主要工作原理和结构，在实验中观察相差电压以及波形的使用和调节方法，使其能够彻底地代替平衡指示器，让学生对各类型的物理实验器材有更明确且清晰的了解，学会使用的方法。

最后，开发以探索物理规律为目标的设计性实验。在开发这类设计性实验的时候，教师要为学生们提供一定数量的实验装置，然后让学生按照既定的实验要求分析和观察实验现象，最终总结和探索物理实验规律。这种实验设计方法可以有效培养学生的兴趣和探索意识。如杨氏双缝干涉实验，学生在观察光的干涉条纹时，需要观察条纹干涉图样并进行分析，通过比对总结出影响干涉条纹间距的相关因素，然后分析其物理量之间的具体关系。整个过程有利于培养学生树立严谨的科学态度，并用积极且有效的研究方法和探究方式解决物理实验问题[3]。

三、在综合设计性物理实验开发中培养学生创新思维能力的方法

1.合理选择综合设计性实验内容

在大学物理课堂上，为了能够进一步科学地、有针对性地开展综合设计性实验教学，使学生们寻找物理学的规律，总结实验方法，提高创新能力，要求教师鼓励学生们留在实验室当中，并为学生们创造实验条件，选择针对性强的实验设计课题，根据学生们的实验反馈来进一步实现教学的整改和反思工作。例如在实践中，教师通过改良实验目的，以及基础实验内容的形式，来进一步强化学生的创新意识，在一些基础性实验当中寻找新的角度。例如在必做实验中增设一些选做的拔高的内容，这样既可以让学生深化、补充和巩固原有的物理理论规律，同时还可以培养学生的独立思维和自主学习能力。

其次教师可以改变实验方法，让学生们能够对原理相同或原理不相同的实验采用多途径的实验方式，来达到具体的实验目标，使整个实验流程具有延伸性和拓展性。最后，教师可以带领学生们共同改变实验仪器和装置，使简单的仪器可以升级为系统的复杂的装置系统，为实验而服务。尤其引导学生们利用实验室当下的废旧仪器，进行动手操练和功能还原。

2.科学安排综合设计性实验的时间

近几年来，国家为了能够培养出高阶的科学技术人才与各地区的高校合作，通过增加资金投入整修实验室，为物理专业以及其他技术类专业学科的建设提供了强有力的资金支持。因此各地高校，不断丰富物理实验教学成果，并生成了设计性实验、近代与综合及应用性实验、基础实验、基本训练等多层次的实验教学新体系，使整个物理实验内容呈现出了更高深的梯度，不仅层次分明，而且教学的针对性也相对较强，有利于突出培养学生的创新能力和创造性思维。

尤其在综合设计性实验开发的过程中，由于实验类型较多，而且实验的操作方式也各有不同，教师在选择实验内容以及优化时间安排的时候，必须要有所侧重，既让学生们能够掌握基础物理实验的方法和知识体系，同时也要让学生们具备一定的高阶物理思维能力，确保一些高深的物理实验课题在有效的期限内完成。例如综合设计性实验课的开设，需要于每学期理论课程讲到1/3后再开设，让学生们带着丰富的理论知识体系还原实验过程，汇总更具有针对性和可塑性的实验结果[4]。

3.加强对实验过程的指导和监督

首先，教师要引导学生们明确实验要求，选择必要的仪器设备，并出示与实验相关的原理和方案。因为综合设计性实验，要求充分体现思维训练的基本内容，需要激发学生的好奇心理以及问题意识，让他们在手脑并用的情况下，正确地完成实验操作，并总结有效的实验成果。

其次，要让学生们进行预先的课堂预习。综合设计性实验的完成，仅靠两三个学时是远远不够的，因此，教师要先为学生们出示实验的主题，让他们提前两三天甚至一周提交实验方案，由教师或实验组组长进行审核。如果实验思路和设计方案与最终的实验成果偏差较大或错误相对明显，则要求学生重新修改并二次提交，直到方案可行即可。这既给予了学生正确实验思路，同时也是加深师生之间交流的重要渠道。

最后，教师需要对学生加强实验的指导工作。例如通过培养学生的创新精神，鼓励学生在实验开始之前，查阅大量的资料或彼此之间开展讨论和交流，摸清楚实验的具体方法和操作思路。教师要安排一定的时间与学生实验同步，在遇到困难的时候，教师要及时给予学生帮助。整个过程中学生们需要独立的思考和判断，发现问题后要集中到小组当中，共同探究讨论，有效解决问题。最终在进行实验评价的时候，要求教师能够基于学生态度、实验成果汇总等多个角度对学生的实验结果进行判定，以达到评判的公平。

结语

大学物理实验教学实践中，通过开发综合设计性物理实验，有利于培养学生的创新思维能力，同时也可以优化学生的操作技能。在实践中，要求教师能够针对性地结合学生们的身心发展现状，开发时效性强的综合设计性物理实验，通过选择合理的实验内容，安排合适的实验时间，并加强对实验过程的指导和监督，有效培养学生的创新思维能力，使学生们可以在理论联系实际的情况下，提高物理学习成效，为日后的就业发展提供服务。