物理实验中学生科研能力的培养.doc

物理实验中学生科研能力的培养
一、研究设计型物理实验的教学模式
（一）研究设计型实验的选题模式
研究设计型物理实验能否收到良好的教学效果和研究成效，教学内容的选取和实验项目的设置至关重要，为此笔者采取两种方式，一种是教师根据现有的实验资源和学生具备的知识提供恰当的课题，给出该课题相关的参考资料及仪器设备清单，学生自主完成整个实验过程，撰写相应的研究报告；另一种是学生根据自己的兴趣和爱好，自拟研究题目，自选实验仪器。两种方式体现了以学生为主体，教师要给一定的引导，但后一种方式在实践过程发现，学生往往忽视自身的知识水平和实验室条件，将题目设计过大或过于简单，因此教师的审核显得非常关键，要严格把关才能取得较好的成效。
（二）研究设计型物理实验的教学内容
研究设计型物理实验的思想和精髓在于设计，要重点突出实验的设计依据、原理和途径、器材的装置设计及误差的消除方法，而不是具体的实验操作步骤上，要让学生在设计实验的过程中充分的理解基础知识，找到可研究价值的线索，并能进行合理的创新，因此研究课题的设置是决定教学能否收到良好的效果和研究能否取得成果的一个重要环节。笔者把教学内容分为专题型研究实验和课题型研究实验。
1.专题型研究实验
专题型研究实验是由几个内容相关的独立实验形成一个专题。如：（1）用不同的原理、不同的方法和不同的仪器测量同一个物理量的研究：如用干涉法和衍射法测光的波长；重力加速度的测量有单摆、复摆、自由落体、气垫导轨等方法；用拉伸、梁弯曲法、传感器动态法等方法测量杨氏模量；（2）同一个物理现象的用不同的方式表现：如波的衍射，透射光栅衍射，光波的单缝及圆孔夫琅禾费衍射，微波布拉格衍射等；（3）用同一个仪器对不同的物理现象的研究：如迈克耳逊干涉仪研究等倾干涉、等厚干涉和点光源的非定域干涉现象等等。通过这种专题型研究实验来训练学生综合实验技能，掌握各种测量方法，更熟练地使用各种基本仪器，通过对比这些方法的来评判其优劣，训练学生对实验原理、实验结果进行归纳、综合、分析能力，进而从多角度、全方位、深入地对物理本质进行探讨，加深对各种方法的原理的理解，理论基础知识得到提升和巩固。专题型研究实验题目和每一个专题包含哪些实验内容一般由教师拟定。
2.课题型研究实验
课题型研究实验教师给定的实验题目、要求和实验条件或学生自拟课题，自行设计合理的实验方案并基本完成全过程的实验。要求学生在查找资料文献之后，建立多种物理模型，对物理模型进行比较，并选择合适的物理模型，根据物理模型选择合理的测量方法和实验器材，选择最佳的实验测量条件，对数据进行合理的处理，确定实验方案，制定实验步骤（包括操作步骤、注意事项），最后教师对学生的方案进行审阅修改，形成可行的实验方案。以毕业论文的形式将课程教学分为三个部分：建立物理模型：根据实验对象的物理性质，研究与实验对象相关的物理原理及各物理量之间的关系，推导数学公式。如自组望远镜。其光学系统是由物镜和目镜组成的无焦系统，物镜的象方焦点Fo与目镜的物方焦点Fe重合。无穷远物体发出的光经物镜后在物镜焦平面上成一倒立缩小的实像，再经目镜成虚像于无穷远处，使视角增大，利于人眼观察。视角放大M=（fo为物镜焦距，fe为目镜焦距）。选择合理的测量方法和器材：每个物理量怎么测量，用什么仪器，准确度如何确定。影响望远镜视角放大M是物镜的焦距，物镜的焦距越长，望远镜的放大倍率越高。因此要选择更好的方法来测量透镜焦距。最佳的实验测量条件和数据处理：实验方法、实验仪器选定后，选择有利的实验条件及参数范围，以最大限度的减小误差。确定实验方案，制定实验步骤：（1）画出相应的实验装置图或电路图、光路图；（2）拟定详细的实验步骤；（3）设计实验数据表格；（4）实验仪器、设备的名称，规格，使用条件等。
（三）教学设计
在教学设计上，将课程教学分为三个部分：
1.开题:实验方案设计与开题汇报。将学生分为3-4人为一个研究小组，选择一个专题或课题进行研究，经查阅文献、自行设计实验方案（包括建立物理模型、选择合理的测量方法和拟定器材、实验测量条件和数据处理等），教师对方案进行审核后提出修改意见，然后开题汇报的形式，在全班进行答辩论证其方案的可行性。
2.方案实施。方案实施之前教师要审查实验方案及实验步骤，指导学生使用器材。学生采取课余开放实验室与课内实验相结合各组独立完成实验，教师要随时注意对各组实验中出现的问题组织讨论并给予及时指导。
3.研究论文撰写及答辩。学生实验完成后，要撰写研究论文，主要从实验背景、实验原理、实验过程探讨、数据处理方法、研究收获、创新点等内容，按照毕业论文格式书写，并在规定时间通过论文答辩。
二、教学方法
为了做到循序渐进地培养学生科研能力，研究设计型实验设置采取分层次训练方式，从大一开始设置的是中学物理方面的选题。大二、大三设置大学物理实验选题，在完成相应的基础性实验基础上，开设一至二项研究设计型实验，培养学生科学素养，科学研究也得到初步训练。大四单独开设一门研究设计型物理实验课程，可以结合毕业论文进行。通过四年不间断的实验研究训练，学生的科研能力和创新意识得到提高。为了达成这些训练，必须提供给学生足够的空间和时间，在教学方式和方法也要作相应的改革。研究设计型实验教师基本不讲实验原理、数据误差分析，只是简单讲一下注意事项，重点放在实验进行的过程指导当中，充分启发学生的发散思维。在实验过程中，教师可以对每个学生的操作提出问题，针对课题相关的基础知识、误差问题和实验结论向学生提问，通过提问和引导的方式，启发学生自主完成设计型实验。实验中教师只负责解决学生的技术性问题，要让学生自行探索，最终独立完成实验设计。研究设计型实验给学生营造了开放、自由、独立的研学环境，锻炼了学生科研的基本素质，如选题、分析、研究、创新、总结归纳及论文的撰写能力，并且通过组织多种形式的讨论课和汇报课，培养了学生的研学兴趣。
三、对研究设计型物理实验的建议
开设设计型物理实验的目的，在于锻炼学生的科研能力、创新能力和实际动手能力，发挥学生的主观能动性，改变学生“实验都是跟着老师和课本进行机械的操作”的心态，在时间、空间上要为学生提供便利的场所和条件，同时要对学生给予充分的指导。以下对开设设计型物理实验提出几点自己的建议：
1.要根据学生具体情况，不断更新研究项目，引进新知识新技术的研究课题，增加多学科交叉渗透项目如电子技术、计算机技术等，增强研究设计型物理实验的趣味性和研究性。要提供宽松自主的研讨实验环境，采取多样化的教学方式来吸引学生，不间断的有计划安排研究项目，研究项目由易到难，让学生感到他们具备能力完成项目，唤醒学生兴趣。
2.充分利用网络教学平台，通过实验预约全面地向学生开放实验室，学生可以利用课余时间自主安排实验进程。安排实验教师在实验室值班辅导答疑，增加了学生实际动手操作的机会，也可充分利用实验室资源。
3.由于研究设计型物理实验涉及力学、热学、电磁学、光学、近代物理及电子技术、计算机技术等多课程多学科交叉，因要有稳定的、高水平的师资队伍，实行项目导师制，对学生的专业问题给予解答，对学生因材施教，使学生能拥有个性化的发展，对学生的指导更有针对性。
4.要采取激励机制来保证研究设计型实验的教学效果。将研究设计型物理实验教学与校大学生创新创业训练计划相挂钩，建立研究论文竞赛机制，有质量的论文可以当作毕业论文或专业技能竞赛获得学分。
四、结束语
通过开设研究设计型物理实验，充分发挥学生的主观能动性和想象力，提高学生实际动手操作能力，培养学生的科研能力和创新意识。设计型物理实验对于教师和学生都是很大程度的提升，对于教师，从亲自指导实验过程中了解到学生面临的问题，教师与学生直接交流的增多，对学生真实情况有更深入的了解，为我们教学创造了良好的条件。对于学生，既可以训练学生文献检索，自主设计方案，拟定解决办法，独立完成实验，撰写科研论文的能力，又可培养学生解决实际问题的能力、创新思维能力、团结协作能力以及科学素养，同时由于不同学科、不同专业参与指导，可以开发更多交叉学科的课题，学生根据爱好兴趣及就业方向有更多的学习机会，不同教师的研究方向、不同研究风格体现到实验教学和学生的学习中，学生从中吸纳不同教师研究风格，为日后从事科学研究打下宽厚基础。文章只是简单的研究和分析了研究设计型物理实验的一部分，设计型物理实验的教学问题和规律还需深层次的探讨和教学实践的应用，还需要进一步的补充和完善。