基于能力培养的物理实验教学改革与实践
孙学军 金荧荧
摘 要：物理实验是培养学生能力的重要途径之一，本文以培养学生综合能力为目标，进行物理实验教学体系、教学内容、教学方法等多方面的改革与实践。
关键词：能力培养;设计性实验;开放实验室;仿真平台
物理实验作为大学生进校后第一门科学实践课程，在培养学生科学素质、动手能力、思维能力以及创新意识方面有着独特的不可替代的作用，同时物理实验也是培养具备现代科技素质的高质量高层次创新人才的重要实践环节，如何满足学生的实验学习需要？如何激发学生实验积极性和主动性？如何培养创新意识和能力？是目前实验教学改革面临的重要课题。
近几年来，物理实验室以培养和训练学生自主实验能力、综合实践能力、研究与创新能力为目标，对大学物理实验进行了一系列的改革与实践，构建了新的物理实验教学体系，在实验内容、实验教学方法和手段上各方面进行了改革，在实验教学过程中着重培养学生自主学习的意识，培养学生的创新意识和能力。给学生营造了良好的实验环境，激发了学生的实验兴趣，激励了学生个性发展。
一、实验课程体系的改革与实践
物理实验由于学科的交叉渗透，各实验项目之间已形成相互融合和相互关联。因此我们教学内容的安排不再遵循力、热、电、光、近的传统实验项目结构，而是根据实验项目的难易程度，随着学生实验能力的逐步提高，实行分层次实验教学。将实验项目分为基本训练、基础性实验和综合、设计性实验三个层次。实验内容体现出相应的梯度，因材施教，教学层次分明，可以充分调动学生实验的积极性、主动性，更利于学生实验技能的提高和创新能力的培养。其中，在实验课程初期，主要是安排基础性实验，重在培养学生的基本实验技能、加深对理论知识的掌握与理解，掌握基本的實验方法与思想，养成严谨认真的工作作风。实验课程的后半段，加入综合设计性实验，重在培养的综合解决问题的能力和创新能力。
二、实验教学内容的改革与实践
根据实验教学体系的改变，本着“打好基础，有所创新”原则，调整了实验教学内容，重新选择调整实验项目。实验项目的设置突出对学生创新思维、创新方法、创新能力的培养，选题密切结合学生的实际情况，在学生原有的基础上，减少了单纯理论验证性实验、建立了内容的新颖、贴近现代科技的科学性实验体系。增加了实验思想丰富、实验方法独特的实验项目，同时又从现代科技发展和技术应用的角度设置新的实验项目。新的实验体系更具有趣味性、综合性、设计性。实验内容的调整，有利于提高学生对实验的兴趣，有利于培养独立思维，有助于提高分析问题与解决问题的能力，有助于提高学生的创新意识与能力。
为培养创新能力，实验项目中加大设计性实验的比例，一般的实验项目其实验仪器、原理和具体的实验操作方法、步骤都是事先确定好了的，甚至连结果都给学生定好了，学生上实验课大多是“按图索骥”。设计性实验是一种介于基础教学实验与实际科学实验之间的、具有对科学实验全过程进行初步训练的教学实验。设计性实验只提供每个实验项目的基本要求和必要的仪器设备和相关的原理提示，不提供完整的实验方法和步骤，由学生自己根据有关原理和仪器，设计具体实验方案，进行探索和研究。设计性实验报告要求学生参照正规期刊上的论文格式书写，由于论文的结构层次分明，要点突出，有利于锻炼学生的逻辑思维和文字表达能力。对于引用或参考别人文章的内容，要求要清楚地标明参考文献和出处，这样可以培养学生谦虚谨慎、实事求是的研究态度。通过把实验报告写成规范的小论文，可以锻炼学生撰写规范论文的能力，为将来的毕业论文设计做准备。
三、实验教学方法和评价体系的改革与实践
传统的实验教学方法以教师为主体，实验内容的讲解是采用面面俱到的“满堂灌”教学模式，教师对实验的目的、原理、内容进行讲解，对实验仪器的操作和注意问题反复强调，学生实验的整个过程，完全是跟着教师的思路走，没有自己独立思考的空间，长期下来，学生容易形成懒惰和依赖的心理，课堂中不积极思考，有问题直接问老师，他们的自学能力、独立思维能力以及创新能力得不到到充分发挥。
改革传统的实验教学方法，就是将一般的实验内容进行有选择、有重点的讲解。不按部就班，不循规蹈矩，重点突出实验的设计思想、实验方法、仪器选择和实验数据的处理等方面，具体的实验内容和实验步骤留给学生自己研究，实验教学重在授学生以渔，让学生不仅“知其然”还要“知其所以然”，做到能够触类旁通，举一反三。我们在实验中引进了CAI课件，通过大屏幕电视机播放，可以更直观地观察一些物理原理及现象，激发学生的实验兴趣。同时，加大实验室对学生开放的力度，让学生利用计划学时外的时间，进入实验室，在必修实验内容的基础上增加自选项目，根据自己的个人兴趣在实验室进行科学研究，给学生个性发展的空间。
学生的成绩评价体系作为检查教学效果的重要手段，在实验教学中起着重要的作用，科学的评价体系有利于调动学生实验的积极性，为了使学生重视平时实验课堂的学习，同时也为了避免学生课堂上实验操作懒得动手的现象，对学生的每一个实验项目的成绩评定分为三个部分：分别是预习、实验操作、实验报告三部分组成，每一个部分都要进行评定，并逐一进行打分登记。最后的实验成绩评定，采用平时成绩和操作考试相结合，平时成绩占60%，操作考试占40%。操作考试的实验题目，在平时实验的基础上，有所变化，学生举一反三，自行设计实验方案，操作采用单人单组的形式，学生独立完成实验，老师直接现场对学生所做的实验做出评判。
四、实验教学中基本科学素质培养的改革与实践
物理实验课程是一门基础课程，重在培养学生的基本素质，因此在日常的实验中加强对学生进行以下方面的培养：培养学生阅读实验教材和查阅资料的能力，让学生通过阅读实验教材和查阅资料，掌握基本的实验原理及方法，物理实验当中蕴含丰富的实验思想和实验方法，每做一个实验，引导学生深入理解和体会每一个实验的内涵和本质;培养学生学会正确使用各类实验仪器的能力，每一类的实验仪器都有不同的特点，操作的规程也不相同。通过实验，学生掌握电学仪器、光学仪器、力学以及热学等各类仪器操作规程，正确使用仪器进行测量，测量的训练落实到具体到每一个实践教学环节，例如：量程的选择，零点的调节，以及读数的规则等等;培养学生正确记录和处理实验数据能力，物理实验作为一门实验科学，不仅是进行实验操作，还要对实验的数据、实验的结果学会正确的计算处理和表达。实验中学会各类数据处理的方法，例如：逐差法，作图法等，为将来从事科学研究，撰写论文打下基础。
五、实践活动创新的改革与实践
日常生活中，教师应该鼓励学生参加各种科研活动，引导他们注重对身边事物的观察，用物理实验的思维去进行创作，改变身边的环境。鼓励学生参加物理实验的各类比赛，在比赛中自己设计创造，发现问题、解决问题，去体验科新创新的辛苦和快乐。老师组建各种物理实验小组，让学生利用空闲时间来到实验室，帮助老师准备实验，调试仪器，或者做一些实际的手工制作，例如焊接导线，修理简单的仪器等，或者根据教学内容，布置一些小的课题，引导学生以小组的形式共同探索研究，构建相互学习、相互促进的实验学习氛围，集思广益，在共同的研究中激发出创新的火花。
六、仿真实验平台的探索与实践
随着大数据、互联网时代的到来，物理实验教学也进行了虚拟实验平台的尝试。特别是2020年，突如其来的疫情打乱了正常的教学秩序，我们按照“停课不停学”的要求，利用仿真实验平台进行实验。仿真平台对于教师和学生来说，都是一个全新的体验，一切都要从头摸索。经过一段时间的探索，终于掌握了平台的使用，利用平台圆满地完成了实验教学任务，最大限度减少了疫情带来的影响。
（一）仿真平台的优势
仿真平台是伴随着互联网出现的新兴事物，实验室由“实体”实验室转为“虚拟”的实验室，平台进行仿真实验具有传统实验无法比拟的优势。仿真平台优势之一就是学生的实验操作过程不受时间和空间的制约。首先，教师对实验内容进行集中讲解，讲解完毕后，在实验平台安排实验预习、操作以及实验报告等各项任务。接着，学生根据教师的安排，自主安排实验各环节，实验操作可以多次进行，不断的完善和改进操作，直到完全弄会弄懂，好多学生实验一做就是五六个小时，沉浸在实验操作的乐趣之中，为每一次实验分数的刷新而兴奋，不断的挑战自我。其次，仿真平台的优势之二就是省去了教师大量课前的仪器设备调试维修工作。一般传统的实验课，实验课前，教师每次都要对仪器反复调试，并进行维修维护，实验操作过程中，也容易出現仪器损坏等问题，一旦出现仪器故障，就会影响学生实验，而利用平台实验则完全不用担心仪器出现故障，学生放心，教师放心，完全消除了仪器故障带来的问题，节省了实验成本。
（二）仿真平台的不足
任何事物都是一分为二的，仿真平台带来便捷的同时，也存在着一些不足。仿真平台是在虚拟的实验环境中进行操作，与真正的实验室操作相比，有着截然不同的感受。学生不能亲身感受实验室的氛围和环境，不能亲眼所见，亲手操作仪器设备，实验操作过程当中出现问题，教师指导起来极为不便。另外，仿真平台在实验操作各环节的评定方面，各实验项目之间大同小异，不容易体现特色，平台设动的程序都是固化的，不能灵活调整。
七、结语
让学生在实验室进行自主研究和探索，培养学生的素质，提高动手能力、创新能力，是大学物理实验教学的根本宗旨。遵循“以学生为本”的教学理念，引导学生进行自主设计性实验，对学生进行实验室开放等是调动学生实验学习主动性、积极性，提高实验教学质量的有效途径。我们在物理实验教学中，要多措并举，勇于改革，不断地进行探索和研究，以适应新时代的发展和要求。
