第24卷第11期 物理实验 2004年11月 PHYSICS EXPERIMEN TATION NoY 2004 设计性、研究性物理实验的实践情况 马世红 (复旦大学物理学系物理教学实验中心,上海200433) 摘要:设计性、研究性实验,相对于传统的测量性、验证性实验而言,更有利于培养学生的开拓精神和创新能力 本文介绍了复旦大学近年来所开设的设计性、研究性实验,它们分别适应于低年级和高年级本科生的物理实验教学;并 对这类实验的教学方法和初步效果进行了讨论 关键词:设计性、研究性实验;物理实验;教学改革 中图分类号:G642.423文献标识码 文章编号:10054642(2004)11-002806 1引言 呆板的、千篇一律的实验教学内容和方式在一定 程度上限制了学生的主动性与积极性,难以激发 科教兴国,关键是人才.科学技术的高速发他们独立思考的兴趣和激情,没有从失败中自己 展对人的创新能力的要求越来越高,加强对学生寻找成功之路的经历,抑制了学生个性的发展,因 创新能力的培养,已成为高等教育改革的重要任而不利于创新人才的培养.正因为这样,多年来 务.在课堂教学中,可以很快地传授大量前人总我国培养的学生与先进国家的学生相比,在考试 结的丰富知识和经验,这是十分必要的;但只有这中往往可以名列前茅,但到实际工作中,却常常缺 些是不够的.更重要的是传授从实践中获取知识乏动手能力,更缺乏独立思考和创新精神 的方法和技能.实验室正是传授这种方法和技能 近年来,为了改变这种状况,我们不断进行了 的重要场所.为了培养高素质的具有创新能力的各种改革.自1985年起我们以大量演示实验为 科学研究与应用人才,必须让学生学会从实践中基础,对一年级学生开设了“自学物理实验”选修 发现问题、解决问题和将已有知识运用到实际中课,让学生真正自己做实验.这些实验着重对物 去.这正是在大学中开设实验课的目的 理现象的观察、分析和研究,特别注意科学性与趣 物理是一门基础学科,物理学的发展已经改味性的结合,充分调动学生的学习积极性和创新 变了和正在继续改变着整个世界的面貌.物理学精神.经过10多年的实践,这门课已具有设计性 又是一门实验科学,古往今来,物理学本身的发展研究性实验的雏形.自1994年起,我们又把一学 和创新无不与物理实验密切联系.物理学中的任期的普通物理实验课分为基础阶段和提高阶段 何创新成果都源自实验,而且都必须经过实验的在提高阶段的“小课题实验”中,让学生自己安排 检验.因此,物理实验教学理应成为培养学生创和设计实验,使他们的独立思考能力和实际动手 造性的重要环节 能力都得到很好地训练和提高.近10年的实践 然而,长期以来,基础物理实验的教学模式单和改进,“小课题实验”已带有设计性研究性实验 ,教学内容陈旧,教学方法过死.实验内容基本的性质.为了进一步提高优秀学生的实验能力和 是验证性和测量性的,缺乏由学生自己设计的带实验素质,我们自1995年起对三年级学生开设了 有研究性的内容.一个班的学生读相同的教材、“综合实验”选修课,这种实验具有先进性、设计 在相同的仪器上做相同的实验,仪器也都由实验性、研究性和综合性,是对科学实验全过程进行深 技术人员安排好不出故障;学生只要按教材上的入训练的课程.在实验中,学生独立查阅文献,收 步骤去做,就能成功地测到数据,完成实验这种集资料,推证有关理论,制定实验方案,选择实验 第三届全国高等学校物理实验教学研讨会”特约报告 攸稿日期:2004-0719 作者简介:马世红(1963-),男,河南温县人,复旦大学物理学系教授,博士,研究方向为功能超薄膜物理与器件、非线 性光学、物理实验教学与研究工作 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd All rights reserved
第 24 卷 第 11 期 2004 年 11 月 物 理 实 验 PHYSICS EXPERIMEN TA TION Vol. 24 No. 11 Nov. ,2004 “第三届全国高等学校物理实验教学研讨会”特约报告 收稿日期 :2004207219 作者简介 :马世红(1963 - ) ,男 ,河南温县人 ,复旦大学物理学系教授 ,博士 ,研究方向为功能超薄膜物理与器件、非线 性光学、物理实验教学与研究工作. 设计性、研究性物理实验的实践情况 马世红 (复旦大学 物理学系 物理教学实验中心 ,上海 200433) 摘 要 :设计性、研究性实验 ,相对于传统的测量性、验证性实验而言 ,更有利于培养学生的开拓精神和创新能力. 本文介绍了复旦大学近年来所开设的设计性、研究性实验 ,它们分别适应于低年级和高年级本科生的物理实验教学 ;并 对这类实验的教学方法和初步效果进行了讨论. 关键词 :设计性、研究性实验 ;物理实验 ;教学改革 中图分类号 : G642. 423 文献标识码 :B 文章编号 :100524642 (2004) 1120028206 1 引 言 科教兴国 ,关键是人才. 科学技术的高速发 展对人的创新能力的要求越来越高 ,加强对学生 创新能力的培养 ,已成为高等教育改革的重要任 务. 在课堂教学中 ,可以很快地传授大量前人总 结的丰富知识和经验 ,这是十分必要的 ;但只有这 些是不够的. 更重要的是传授从实践中获取知识 的方法和技能. 实验室正是传授这种方法和技能 的重要场所. 为了培养高素质的具有创新能力的 科学研究与应用人才 ,必须让学生学会从实践中 发现问题、解决问题和将已有知识运用到实际中 去. 这正是在大学中开设实验课的目的. 物理是一门基础学科 ,物理学的发展已经改 变了和正在继续改变着整个世界的面貌. 物理学 又是一门实验科学 ,古往今来 ,物理学本身的发展 和创新无不与物理实验密切联系. 物理学中的任 何创新成果都源自实验 ,而且都必须经过实验的 检验. 因此 ,物理实验教学理应成为培养学生创 造性的重要环节. 然而 ,长期以来 ,基础物理实验的教学模式单 一 ,教学内容陈旧 ,教学方法过死. 实验内容基本 是验证性和测量性的 ,缺乏由学生自己设计的带 有研究性的内容. 一个班的学生读相同的教材、 在相同的仪器上做相同的实验 ,仪器也都由实验 技术人员安排好 ,不出故障 ;学生只要按教材上的 步骤去做 ,就能成功地测到数据 ,完成实验. 这种 呆板的、千篇一律的实验教学内容和方式在一定 程度上限制了学生的主动性与积极性 ,难以激发 他们独立思考的兴趣和激情 ,没有从失败中自己 寻找成功之路的经历 ,抑制了学生个性的发展 ,因 而不利于创新人才的培养. 正因为这样 ,多年来 我国培养的学生与先进国家的学生相比 ,在考试 中往往可以名列前茅 ,但到实际工作中 ,却常常缺 乏动手能力 ,更缺乏独立思考和创新精神. 近年来 ,为了改变这种状况 ,我们不断进行了 各种改革. 自 1985 年起 ,我们以大量演示实验为 基础 ,对一年级学生开设了“自学物理实验”选修 课 ,让学生真正自己做实验. 这些实验着重对物 理现象的观察、分析和研究 ,特别注意科学性与趣 味性的结合 ,充分调动学生的学习积极性和创新 精神. 经过 10 多年的实践 ,这门课已具有设计性 研究性实验的雏形. 自 1994 年起 ,我们又把一学 期的普通物理实验课分为基础阶段和提高阶段 , 在提高阶段的“小课题实验”中 ,让学生自己安排 和设计实验 ,使他们的独立思考能力和实际动手 能力都得到很好地训练和提高. 近 10 年的实践 和改进“小课题实验”已带有设计性研究性实验 , 的性质. 为了进一步提高优秀学生的实验能力和 实验素质 ,我们自 1995 年起对三年级学生开设了 “综合实验”选修课 ,这种实验具有先进性、设计 性、研究性和综合性 ,是对科学实验全过程进行深 入训练的课程. 在实验中 ,学生独立查阅文献 ,收 集资料 ,推证有关理论 ,制定实验方案 ,选择实验 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
第11期 马世红:设计性、研究性物理实验的实践情况 器材,独立进行操作和测量;最后将实验成果写成虽然简单,却很能激发学生的兴趣,活跃他们的思 论文,进行答辩.实际上,这种“综合物理实验”就路.每个学生的思路不同,所设计的实验方法不 是一种早期的设计性研究性实验 同,研究的方法也不同.通过这种有趣的实验,他 在这些工作的基础上,2000年在世行贷款和们真正懂得了“实践是检验真理的唯一标准”的道 各项配套经费的资助下,特别是在“21世纪高等理 教育教学改革项目”经费的资助下,我校物理教学 又如,我们根据美国哈佛大学的“单摆打靶” 实验中心在研究和开发新型的设计性研究性物理实验改进而成的“碰撞打靶”实验,也是一个很好 实验方面做了一系列的工作按一年级、二年级、的实例.哈佛的实验为:在单摆的摆球与摆线间 三年级学生的不同要求,先后开发了一批(35个)用一小段胶带纸粘合,当摆到最低点时,让电热丝 新型的实验探索出了一套适合这类实验的新教烧断胶带纸,使摆球作平抛运动;教师临时放置 学方法,取得了可喜的成绩.并出版了相应的教张靶纸,要求学生据此算出单摆的高度,使摆球击 材,此教材与传统的实验教材有很大的区别,教材中靶心,然后实验验证之,比赛谁的得分最高(靶 中没有实验步骤只有建议的实验研究课题,没有心为10分).他们认为这是一个学生最感兴趣的 实验原理只有一系列的问题.学生必须自己查阅实验.我们认为这实验构思很好,但对于中国学 参考书(教材中列出了必读与选读的参考书目),生,内容还太简单.我们把它改进了,装置如图1 回答这些问题后,才能设计并进行相关的实验,通所示不是让单摆的摆球在最低点时自己作平抛 过认真的研究,反复实践,才能完成实验要求.现运动去打靶,而是让摆球在最低点去碰撞另一个 将这部分工作的实践情况介绍给大家 小球,由被撞球作平抛运动去打靶.被撞球的质 量、大小可与摆球相同,也可以不同,变化很多,内 2第一类设计性研究性实验—体现科学性与容也丰富了.实践证明这个实验的内容很精彩 趣味性的结合 包括了能量守恒、动量守恒、单摆运动、平抛运动 对低年级学生首先要让他们对物理实验有浓弹性碰撞与非弹性碰撞等,而学生在非常有趣的 厚的兴趣,才谈得上提高与创新.因此,第一类设“打靶竞赛”中,学习了物理、应用了物理,提高了 计性研究性实验特别注意科学性与趣味性的结他们的学习积极性和主动性.实验中他们对于实 合,充分调动学生的学习积极性和创新精神,并让测值与计算值不同的原因作了许多探讨,如空气 学生自己选题,确定实验的内容和难度,设计实验阻力、被撞球的摩擦力,碰撞时存在能量损失等 装置,准备实验器材,拟定实验步骤,动手动脑去许多在理论课上都忽略的因素一一进行讨论,分 进行研究并完成实验.这些实验要求的物理原理析它们影响的大小,有的还设计了实验来估测这 是以中学物理水平为主,因而一年级学生就可实些因素的影响.例如让撞击球不撞而测它又升高 践这类实验.其目的是激发学生学习物理知识、到的最高点比原来低多少,以估计空气阻力的影 研究与探索物理规律的热情,加深对物理规律的响;用2个悬挂的球对撞高度来估计空气阻力和 切身感受,提高动手动脑能力,激励创新精神 碰撞时能量损失的影响,从而估计摩擦的影响,也 例如,我们排了一个十分简单的实验“火灭水 升探因”,让学生把1支蜡烛在盛水玻璃皿中点 燃,然后用一个烧杯倒扣在其上,火焰熄灭后,在 被撞球 升降架 烧杯中的水面升高了.这是为什么?许多学生不 底盘 假思索地认为:氧气烧掉了,空气中少了氧气,总 气压降低,水面就升高了但是如何怎样用实验 来证明你的观点呢?他们会想出各种方法来验 证,如1支蜡烛改用几支蜡烛,用电灯泡代替蜡烛 等,结果却总是否定的.于是只好另辟思路,根据 实验结果否定自己原来的想法,证明原来是因为 热空气变冷收缩造成气压降低的结果.这个实验 图1碰撞打靶装置 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId Al rights reserved
器材 ,独立进行操作和测量 ;最后将实验成果写成 论文 ,进行答辩. 实际上 ,这种“综合物理实验”就 是一种早期的设计性研究性实验. 在这些工作的基础上 ,2000 年在世行贷款和 各项配套经费的资助下 ,特别是在“21 世纪高等 教育教学改革项目”经费的资助下 ,我校物理教学 实验中心在研究和开发新型的设计性研究性物理 实验方面做了一系列的工作. 按一年级、二年级、 三年级学生的不同要求 ,先后开发了一批 (35 个) 新型的实验 ,探索出了一套适合这类实验的新教 学方法 ,取得了可喜的成绩. 并出版了相应的教 材 ,此教材与传统的实验教材有很大的区别 ,教材 中没有实验步骤只有建议的实验研究课题 ,没有 实验原理只有一系列的问题. 学生必须自己查阅 参考书(教材中列出了必读与选读的参考书目) , 回答这些问题后 ,才能设计并进行相关的实验 ,通 过认真的研究 ,反复实践 ,才能完成实验要求. 现 将这部分工作的实践情况介绍给大家. 2 第一类设计性研究性实验 ———体现科学性与 趣味性的结合 对低年级学生首先要让他们对物理实验有浓 厚的兴趣 ,才谈得上提高与创新. 因此 ,第一类设 计性研究性实验特别注意科学性与趣味性的结 合 ,充分调动学生的学习积极性和创新精神 ,并让 学生自己选题 ,确定实验的内容和难度 ,设计实验 装置 ,准备实验器材 ,拟定实验步骤 ,动手动脑去 进行研究并完成实验. 这些实验要求的物理原理 是以中学物理水平为主 ,因而一年级学生就可实 践这类实验. 其目的是激发学生学习物理知识、 研究与探索物理规律的热情 ,加深对物理规律的 切身感受 ,提高动手动脑能力 ,激励创新精神. 例如 ,我们排了一个十分简单的实验“火灭水 升探因”,让学生把 1 支蜡烛在盛水玻璃皿中点 燃 ,然后用一个烧杯倒扣在其上 ,火焰熄灭后 ,在 烧杯中的水面升高了. 这是为什么 ? 许多学生不 假思索地认为 :氧气烧掉了 ,空气中少了氧气 ,总 气压降低 ,水面就升高了. 但是如何怎样用实验 来证明你的观点呢 ? 他们会想出各种方法来验 证 ,如 1 支蜡烛改用几支蜡烛 ,用电灯泡代替蜡烛 等 ,结果却总是否定的. 于是只好另辟思路 ,根据 实验结果否定自己原来的想法 ,证明原来是因为 热空气变冷收缩造成气压降低的结果. 这个实验 虽然简单 ,却很能激发学生的兴趣 ,活跃他们的思 路. 每个学生的思路不同 ,所设计的实验方法不 同 ,研究的方法也不同. 通过这种有趣的实验 ,他 们真正懂得了“实践是检验真理的唯一标准”的道 理. 又如 ,我们根据美国哈佛大学的“单摆打靶” 图 1 碰撞打靶装置 实验改进而成的“碰撞打靶”实验 ,也是一个很好 的实例. 哈佛的实验为 :在单摆的摆球与摆线间 用一小段胶带纸粘合 ,当摆到最低点时 ,让电热丝 烧断胶带纸 ,使摆球作平抛运动 ;教师临时放置一 张靶纸 ,要求学生据此算出单摆的高度 ,使摆球击 中靶心 ,然后实验验证之 ,比赛谁的得分最高 (靶 心为 10 分) . 他们认为这是一个学生最感兴趣的 实验. 我们认为这实验构思很好 ,但对于中国学 生 ,内容还太简单. 我们把它改进了 ,装置如图 1 所示 :不是让单摆的摆球在最低点时自己作平抛 运动去打靶 ,而是让摆球在最低点去碰撞另一个 小球 ,由被撞球作平抛运动去打靶. 被撞球的质 量、大小可与摆球相同 ,也可以不同 ,变化很多 ,内 容也丰富了. 实践证明 ,这个实验的内容很精彩 , 包括了能量守恒、动量守恒、单摆运动、平抛运动、 弹性碰撞与非弹性碰撞等 ,而学生在非常有趣的 “打靶竞赛”中 ,学习了物理、应用了物理 ,提高了 他们的学习积极性和主动性. 实验中他们对于实 测值与计算值不同的原因作了许多探讨 ,如空气 阻力、被撞球的摩擦力 ,碰撞时存在能量损失等 , 许多在理论课上都忽略的因素一一进行讨论 ,分 析它们影响的大小 ,有的还设计了实验来估测这 些因素的影响. 例如让撞击球不撞而测它又升高 到的最高点比原来低多少 ,以估计空气阻力的影 响 ;用 2 个悬挂的球对撞高度来估计空气阻力和 碰撞时能量损失的影响 ,从而估计摩擦的影响 ,也 第 11 期 马世红 :设计性、研究性物理实验的实践情况 92 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
物理实验 第24卷 有用不同台面来比较摩擦力影响的大小等.实验 这一类实验很多我们共排出了涉及力学、热 的趣味性带来了学生科学研究的积极性,也使一学、电磁学和光学等领域的15个研究课题,例如 年级的大学生初步尝到了科学研究的味道.他们在光谱类实验中,可让学生学习和比较不同光谱 说:做这样的实验与中学的物理实验大不相同,真仪器(棱镜和光栅单色仪)的特点和应用领域,在 正感到是自己在做实验,而不是根据老师或书本此基础上,如物理学系2000级的周良成和王一凡 的要求,重复别人的工作 同学主动提出希望利用这种单色仪并结合计算机 由于此类设计性研究性实验内容与常规实验程序对物体的色度值进行测量的设计性实验,图 相差不多,因此安排在常规必做实验的教学中是2为利用计算积分(程序)所得的一对常见补色的 合适的.这样,每个学生都有机会进行这样的实计算结果经过一学期的努力,这一课题取得成 验.但由于常规教学的实验学时数是规定的,而功,并在中国光学学会2004年学术大会上报告 设计性研究性实验的学时数变化较大,因而允许此论文修改后,提交给“第三次全国高等学校物理 学生用2次实验时间做1个实验,或1次实验时实验教学研讨会”并被《物理实验》杂志录用 间做2个实验,使学生有较多自由安排的时间 在实验教材中,有较多的选做内容及实验拓展,使 学生可以有较多自主安排的空间.实践证明这种 方法是可行的,受益面很广,每个学生都可得到设 计性研究性实验的训练.当然,对于兴趣更浓、有 志于物理实验研究的学生,这还是不够的.于是 我们又专门开设了一门全校公选课—自学物理 实验,让全校各系学生自由选修.这就满足了特 (a) 别爱好物理实验的学生的要求,他们有机会在 学期中做多个饶有兴趣的设计性研究性实验,活 跃了思维,提高了动手能力,激励了创新精神 3第二类设计性研究性实验—着重动手能力 的提高 实际动手能力,对于理工科大学生来说,是指 实际动手进行科学研究工作的能力.这包括查阅 文献资料的能力,根据具体要求设计实验的能力, 在实践中发现问题、分析问题、解决问题的能力,图2计算所得结果的颜色一红色和绿色(一对补色) 以及总结、归纳能力,撰写、宣读论文的能力(书面 与口头表达能力),等等.这些能力的培养在过去 这类实验完成后,要求进行书面总结和口头 的常规实验中是很少注意的,是我国学生的“弱报告交流,这对于学生往往是生平第一次“作学术 项”为了加强这方面的训练,针对二、三年级的报告”可建议学生采用 Power point等软件来作 设计性研究性实验应带有一些科学研究的性质,报告,包括文字、图像、照片、录像、动画等让他们 要求学生在3~5次实验时间(9~15学时)内,按对自己的实验作有声有色的精彩介绍,这不仅对 照一定的要求去设计、研究和完成1个小的实验他们的书面和口头表达能力是一种很好的训练 课题.这样的小课题只给一些必要的参考资料而同时对其他同学也能开阔眼界学到更多的知识 不给现成实验教材和实验步骤,只给一些可供选并交流在实际动手中的宝贵经验教训 择和搭配的仪器和元件而不给现成的成套设备 由于这类设计性研究性实验内容比较多,不 实验的原理应是学生在普通物理学习中已掌握可能在常规实验的一二次实验时间中完成。于是 的或稍加补充即可掌握的.他们要从查找文献我们把常规实验(测量性、验证性实验)的次数适 资料开始,订方案,做规划,直至完成实验 当压缩,腾出5~6次实验时间集中进行设计性研 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId Al rights reserved
有用不同台面来比较摩擦力影响的大小等. 实验 的趣味性带来了学生科学研究的积极性 ,也使一 年级的大学生初步尝到了科学研究的味道. 他们 说 :做这样的实验与中学的物理实验大不相同 ,真 正感到是自己在做实验 ,而不是根据老师或书本 的要求 ,重复别人的工作. 由于此类设计性研究性实验内容与常规实验 相差不多 ,因此安排在常规必做实验的教学中是 合适的. 这样 ,每个学生都有机会进行这样的实 验. 但由于常规教学的实验学时数是规定的 ,而 设计性研究性实验的学时数变化较大 ,因而允许 学生用 2 次实验时间做 1 个实验 ,或 1 次实验时 间做 2 个实验 ,使学生有较多自由安排的时间. 在实验教材中 ,有较多的选做内容及实验拓展 ,使 学生可以有较多自主安排的空间. 实践证明这种 方法是可行的 ,受益面很广 ,每个学生都可得到设 计性研究性实验的训练. 当然 ,对于兴趣更浓、有 志于物理实验研究的学生 ,这还是不够的. 于是 , 我们又专门开设了一门全校公选课 ———自学物理 实验 ,让全校各系学生自由选修. 这就满足了特 别爱好物理实验的学生的要求 ,他们有机会在一 学期中做多个饶有兴趣的设计性研究性实验 ,活 跃了思维 ,提高了动手能力 ,激励了创新精神. 3 第二类设计性研究性实验 ———着重动手能力 的提高 实际动手能力 ,对于理工科大学生来说 ,是指 实际动手进行科学研究工作的能力. 这包括查阅 文献资料的能力 ,根据具体要求设计实验的能力 , 在实践中发现问题、分析问题、解决问题的能力 , 以及总结、归纳能力 ,撰写、宣读论文的能力(书面 与口头表达能力) ,等等. 这些能力的培养在过去 的常规实验中是很少注意的 ,是我国学生的“弱 项”. 为了加强这方面的训练 ,针对二、三年级的 设计性研究性实验应带有一些科学研究的性质 , 要求学生在 3～5 次实验时间(9～15 学时) 内 ,按 照一定的要求去设计、研究和完成 1 个小的实验 课题. 这样的小课题只给一些必要的参考资料而 不给现成实验教材和实验步骤 ,只给一些可供选 择和搭配的仪器和元件而不给现成的成套设备. 实验的原理应是学生在普通物理学习中已掌握 的 ,或稍加补充即可掌握的. 他们要从查找文献 资料开始 ,订方案 ,做规划 ,直至完成实验. 这一类实验很多 ,我们共排出了涉及力学、热 学、电磁学和光学等领域的 15 个研究课题 ,例如 在光谱类实验中 ,可让学生学习和比较不同光谱 仪器(棱镜和光栅单色仪) 的特点和应用领域 ,在 此基础上 ,如物理学系 2000 级的周良成和王一凡 同学主动提出希望利用这种单色仪并结合计算机 程序对物体的色度值进行测量的设计性实验 ,图 2 为利用计算积分(程序) 所得的一对常见补色的 计算结果. 经过一学期的努力 ,这一课题取得成 功 ,并在中国光学学会 2004 年学术大会上报告. 此论文修改后 ,提交给“第三次全国高等学校物理 实验教学研讨会”并被《物理实验》杂志录用. 图 2 计算所得结果的颜色 ———红色和绿色(一对补色) 这类实验完成后 ,要求进行书面总结和口头 报告交流 ,这对于学生往往是生平第一次“作学术 报告”. 可建议学生采用 PowerPoint 等软件来作 报告 ,包括文字、图像、照片、录像、动画等 ,让他们 对自己的实验作有声有色的精彩介绍 ,这不仅对 他们的书面和口头表达能力是一种很好的训练 , 同时对其他同学也能开阔眼界 ,学到更多的知识 , 并交流在实际动手中的宝贵经验教训. 由于这类设计性研究性实验内容比较多 ,不 可能在常规实验的一二次实验时间中完成. 于是 我们把常规实验 (测量性、验证性实验) 的次数适 当压缩 ,腾出 5～6 次实验时间集中进行设计性研 03 物理实验 第 24 卷 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
l1期 马世红:设计性、研究性物理实验的实践情况 究性实验.例如我们把过去2学期的必修实验压特别困难,但学生的错误却往往很多,有的甚至不 缩到1.5学期,结束后进行考试,以平时成绩与考知从何下手.这充分反映出学生过去在动手能力 试成绩综合后的成绩为依据进行排队.除了不及训练上的缺陷.通过这样的实验,学生的实践能 格的(约为学生总数的1/10左右)要重做那些必力明显提高 做实验以外,让90%的学生2人1组自由选择 又如,“光镊子”是一项国际上新开发的高技 个设计性研究性实验课题做半个学期(成绩好的术,我们在1999年的Am.J.Phys上看到哈佛大 学生先选).他们要从查找文献资料开始,订方学的一篇文章,说他们自制了一台可供本科生实 案,做规划,直至完成实验.实验完成后,要进行验用的廉价光镊子,只用了6500美元我们想他 书面总结和口头交流。学生既要每人递交一份论们既然可以做,我们应该比他们做得更便宜.于 文式的实验总结还要在全组进行报告,而其他学是把它当作三年级的又一设计性研究性实验.果 生则要认真去听报告并提问.我们规定提问的好然,陈铭智等同学经过一学期的努力,只用2万元 坏也是学生最终成绩的评分标准之一.这就要求人民币就把它研制成功,并且己作为一个普通物 学生认真听、仔细想、学会“问”.实际上,这也是理实验让许多学生做过了.图3给出了光镊子的 个很重要的学习过程.李政道先生曾反复强原理图和实验装置照片,论文也在2002年国际大 调:“学问、学问,就是要学会问.但我们的学生在学物理教育学术研讨会上发表 学校中一般不学问,只学答,这就是他们普遍缺乏 创造性的重要原因之一.”我们在第二类设计性研 (监控系统监视 究性实验的总结报告中把提问的水平当作评分标 功率横向单模氮氖激光 CCD 准之一,也是在这方面的一个改进 (光源系统 4第三类设计性研究性实验—加强综合与创 显微镜 新能力的培养 样品台 在前两个阶段学习的基础上,对部分优秀学 (操作系统) 生明确提出“创新”的要求.第三类设计性研究性 (a)装置原理图 实验应以“获得创新成果”为目的.这些实验应要 求学生在1个学期的学习中,完成1~2个小型研 究课题.这些课题应具有一定的创新性,课题涉 及的实验内容与方法应具有综合性,可由教师从 科学研究的课题中演化而来,也可由学生自己在 实验中发现和提出.要求学生自己调研和查阅资 料,自己设计、装配、调试实验装置,直至完成 例如,高真空镀膜是一个已有许多同学做过 的二年级的设计性研究性实验.它要求学生在阅 读参考资料的基础上首先制定镀膜要求:镀高反 (b)实验装置照片 膜或増透膜或滤光膜或偏振膜等;然后设计岀镀 图3光镊子 膜方案:用什么材料?镀多少层?每层厚度为多 少?如何进行厚度监控?再在熟悉真空镀膜机的 对于这类设计性研究性实验,由于课题相对 操作要领后,自己镀膜最后设计一套测量装置来较大,要求较高,大多难以在较短时间(几周)内完 测量所要求达到的技术指标(如高反膜的反射率,成因此必须开设一门独立的选修课我们一般 増透膜的透射率或滤光膜的中心波长、带宽透反叫作“综合物理实验”(原来也叫“小课题实验” 比,等等).这样一套实验从目的的提出到检验是对于一些特别大的研究课题难以在规定的课程学 否完成都由学生自己确定,而且全部由自己完成,时内完成经教师同意,甚至可以把实验室钥匙交 所用到的实验原理和实验技术虽然不深奥,也不给学生,让他们随时可以进实验室工作.选修这 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId Al rights reserved
究性实验. 例如我们把过去 2 学期的必修实验压 缩到 1. 5 学期 ,结束后进行考试 ,以平时成绩与考 试成绩综合后的成绩为依据进行排队. 除了不及 格的(约为学生总数的 1/ 10 左右) 要重做那些必 做实验以外 ,让 90 %的学生 2 人 1 组自由选择一 个设计性研究性实验课题做半个学期 (成绩好的 学生先选) . 他们要从查找文献资料开始 ,订方 案 ,做规划 ,直至完成实验. 实验完成后 ,要进行 书面总结和口头交流. 学生既要每人递交一份论 文式的实验总结 ,还要在全组进行报告 ,而其他学 生则要认真去听报告并提问. 我们规定提问的好 坏也是学生最终成绩的评分标准之一. 这就要求 学生认真听、仔细想、学会“问”. 实际上 ,这也是 一个很重要的学习过程. 李政道先生曾反复强 调“学问、学问 : ,就是要学会问. 但我们的学生在 学校中一般不学问 ,只学答 ,这就是他们普遍缺乏 创造性的重要原因之一. ”我们在第二类设计性研 究性实验的总结报告中把提问的水平当作评分标 准之一 ,也是在这方面的一个改进. 4 第三类设计性研究性实验 ———加强综合与创 新能力的培养 在前两个阶段学习的基础上 ,对部分优秀学 生明确提出“创新”的要求. 第三类设计性研究性 实验应以“获得创新成果”为目的. 这些实验应要 求学生在 1 个学期的学习中 ,完成 1～2 个小型研 究课题. 这些课题应具有一定的创新性 ,课题涉 及的实验内容与方法应具有综合性 ,可由教师从 科学研究的课题中演化而来 ,也可由学生自己在 实验中发现和提出. 要求学生自己调研和查阅资 料 ,自己设计、装配、调试实验装置 ,直至完成. 例如 ,高真空镀膜是一个已有许多同学做过 的二年级的设计性研究性实验. 它要求学生在阅 读参考资料的基础上首先制定镀膜要求 :镀高反 膜或增透膜或滤光膜或偏振膜等 ;然后设计出镀 膜方案 :用什么材料 ? 镀多少层 ? 每层厚度为多 少 ? 如何进行厚度监控 ? 再在熟悉真空镀膜机的 操作要领后 ,自己镀膜 ,最后设计一套测量装置来 测量所要求达到的技术指标(如高反膜的反射率 , 增透膜的透射率或滤光膜的中心波长、带宽、透反 比 ,等等) . 这样一套实验从目的的提出到检验是 否完成都由学生自己确定 ,而且全部由自己完成 , 所用到的实验原理和实验技术虽然不深奥 ,也不 特别困难 ,但学生的错误却往往很多 ,有的甚至不 知从何下手. 这充分反映出学生过去在动手能力 训练上的缺陷. 通过这样的实验 ,学生的实践能 力明显提高. 又如“光镊子”是一项国际上新开发的高技 , 术 ,我们在 1999 年的 Am. J . Phys 上看到哈佛大 学的一篇文章 ,说他们自制了一台可供本科生实 验用的廉价光镊子 ,只用了 6 500 美元. 我们想他 们既然可以做 ,我们应该比他们做得更便宜. 于 是把它当作三年级的又一设计性研究性实验. 果 然 ,陈铭智等同学经过一学期的努力 ,只用 2 万元 人民币就把它研制成功 ,并且已作为一个普通物 理实验让许多学生做过了. 图 3 给出了光镊子的 原理图和实验装置照片 ,论文也在 2002 年国际大 学物理教育学术研讨会上发表. 图 3 光镊子 对于这类设计性研究性实验 ,由于课题相对 较大 ,要求较高 ,大多难以在较短时间(几周) 内完 成. 因此必须开设一门独立的选修课 ,我们一般 叫作“综合物理实验”(原来也叫“小课题实验”) . 对于一些特别大的研究课题难以在规定的课程学 时内完成 ,经教师同意 ,甚至可以把实验室钥匙交 给学生 ,让他们随时可以进实验室工作. 选修这 第 11 期 马世红 :设计性、研究性物理实验的实践情况 13 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
物理实验 第24卷 些实验的学生一般要求有较强的动手能力和活跃验票”来做实验.虽然这样做的可行性还有待研 的思考能力(他们的各科学习成绩,尤其是实验成究,要真正实施也还有许多问题要解决,但学生的 绩至少应在中等以上).2人1组选定课题后,教这种要求充分表明,他们对实验的兴趣大大增加 师一般只对课题的意义、背景等情况作些介绍,完了.通过这些实验,学生的动手能力和创新精神 全由学生提出实验方案.教师只对其初步方案进大为提高,几十篇已发表的论文雄辩地证明,他们 行审核,并对其中关键性内容进行恰如其分的指在这些实验中所取得的收获和达到的水平,是过 导.在整个实验教学的全过程中,要求学生把在去常规实验所不可比拟的 普通物理实验和理论课中学到的知识和技能,创 造性地运用在所研究的实验课题中.他们可以随 小结及实践的思考 时与教师交流想法,讨论问题,得到启发和帮助 综上所述,与传统的测量性、验证性实验相 但不能依赖教师,全部实验工作必须由学生自己比,设计性、研究性实验的教学内容不同,教学方 完成.实验结束时,每个课题都要写出研究论文,法也不同 并进行学术答辩和交流,部分论文应具有创新的 按照教育部在最近制定的《高等学校基础课 成果,其中优秀的论文应能在正式学术刊物或学实验教学示范中心建设标准》中,已规定了“提高 术会议论文集上发表 研究创新型实验在全部实验项目中占有一定的比 5实践的自我评价 例”的要求.实际上,全国各高等学校的实验中心 建设计划中,都已把开设一定量的设计性研究性 我们对参加了设计性研究性实验的学生进行实验,当作教学改革的重要内容 了调查.他们一致认为,设计性研究性实验,是 我们刚刚出版的教材目前包含了35个实验 种让他们有更多的独立自主,对实验方法进行设适合的年级从一年级到三年级,需要的学时数从 计、对实验结果进行研究的实验,与传统的测量性3学时到1学期,实验的要求从初步学习如何设 或验证性实验相比,它更有利于培养他们的开拓计实验到研究全新的课题,内容涵盖力学、声学 精神和创新能力.他们普遍反映,“我们经过设计热学、电磁学、光学、近代物理等各子学科.虽然 性研究性实验的磨练,感到它最大特点就是没有这些实验在复旦大学实施过,并证明是切实可行 标准答案.实验的器材选择、步骤安排、数据获的,但是其它学校的老师要采用本教材可能会有 得、结果讨论,一切都是开放的.这样的课题可谓部分困难,因为教材中所列的参考书不一定均能 是‘科学研究的小型化、学生实验的拓展化’的成检索到,而真正要带好这些实验,仅看这些参考资 功尝试,它对于我们的科学精神、科学态度和意志料也是不够的.因此,为了进一步帮助部分院校 力的培养都大有裨益.许多科学家的成功都是从的教师方便地开设这些实验,我们又组织撰写了 实验室中的独立思考开始的,设计性研究性实验一套《设计性研究性物理实验教程教师参考书》的 不正是为这种独立思考提供了最肥沃的土壤么?电子教材(光盘).在该光盘中,我们把《教程》中 (物理系00级周亚俊)“我们可以做自己想做的事向学生提出的每一个问题均作了详细而全面的解 情,可以自己查阅资料,自己设计实验,并培养合答(相当于“题解”),对每一项实验内容在带学生 作和团队精神”(物理系9级周立辉)……除了物过程中可能遇到的问题及如何解决的方法作出了 理系以外,其他各系学生也很欢迎设计性研究性提示和建议(相当于“教案”).这些内容主要集中 实验.他们说:“最吸引我们的地方是可以充分发了我们实验中心各位老师具体指导这些实验的丰 挥自己的动手能力”(材料系曹荣根),“对我们掌富经验和体会.教师可根据此书指导学生进行实 握物理知识和高科技知识起了很大的作用”(世界验,但是这本教材显然是不能直接交给学生,否则 经济系马红),“在创新能力的培养上给了我们新一切都讲明白,就谈不上设计性和研究性了.当 的启迪”(国际金融系周文耀),“是素质教育的一然,针对不同学生的不同情况,教师可以适当把电 个好课程”(生命科学院潘新竹)……在调査中,许子教材中的部分实验内容介绍给学生,这对基础 多学生都提出希望增加实验课时,有的甚至提出,较差的学生是有益的.介绍什么、介绍多少,完全 要自己另外花钱,象计算机买“上机票”那样买“实由教师根据学生的情况具体掌握.相信这套教材 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId Al rights reserved
些实验的学生一般要求有较强的动手能力和活跃 的思考能力(他们的各科学习成绩 ,尤其是实验成 绩至少应在中等以上) . 2 人 1 组选定课题后 ,教 师一般只对课题的意义、背景等情况作些介绍 ,完 全由学生提出实验方案. 教师只对其初步方案进 行审核 ,并对其中关键性内容进行恰如其分的指 导. 在整个实验教学的全过程中 ,要求学生把在 普通物理实验和理论课中学到的知识和技能 ,创 造性地运用在所研究的实验课题中. 他们可以随 时与教师交流想法 ,讨论问题 ,得到启发和帮助 ; 但不能依赖教师 ,全部实验工作必须由学生自己 完成. 实验结束时 ,每个课题都要写出研究论文 , 并进行学术答辩和交流 ,部分论文应具有创新的 成果 ,其中优秀的论文应能在正式学术刊物或学 术会议论文集上发表. 5 实践的自我评价 我们对参加了设计性研究性实验的学生进行 了调查. 他们一致认为 ,设计性研究性实验 ,是一 种让他们有更多的独立自主 ,对实验方法进行设 计、对实验结果进行研究的实验 ,与传统的测量性 或验证性实验相比 ,它更有利于培养他们的开拓 精神和创新能力. 他们普遍反映“我们经过设计 , 性研究性实验的磨练 ,感到它最大特点就是 :没有 标准答案. 实验的器材选择、步骤安排、数据获 得、结果讨论 ,一切都是开放的. 这样的课题可谓 是‘科学研究的小型化、学生实验的拓展化’的成 功尝试 ,它对于我们的科学精神、科学态度和意志 力的培养都大有裨益. 许多科学家的成功都是从 实验室中的独立思考开始的 ,设计性研究性实验 不正是为这种独立思考提供了最肥沃的土壤么 ?” (物理系 00 级周亚俊)“我们可以做自己想做的事 情 ,可以自己查阅资料 ,自己设计实验 ,并培养合 作和团队精神”(物理系 99 级周立辉) ……除了物 理系以外 ,其他各系学生也很欢迎设计性研究性 实验. 他们说“最吸引我们的地方是可以充分发 : 挥自己的动手能力”(材料系曹荣根) “对我们掌 , 握物理知识和高科技知识起了很大的作用”(世界 经济系马红) “在创新能力的培养上给了我们新 , 的启迪”(国际金融系周文耀) “是素质教育的一 , 个好课程”(生命科学院潘新竹) ……在调查中 ,许 多学生都提出希望增加实验课时 ,有的甚至提出 , 要自己另外花钱 ,象计算机买“上机票”那样买“实 验票”来做实验. 虽然这样做的可行性还有待研 究 ,要真正实施也还有许多问题要解决 ,但学生的 这种要求充分表明 ,他们对实验的兴趣大大增加 了. 通过这些实验 ,学生的动手能力和创新精神 大为提高 ,几十篇已发表的论文雄辩地证明 ,他们 在这些实验中所取得的收获和达到的水平 ,是过 去常规实验所不可比拟的 ! 6 小结及实践的思考 综上所述 ,与传统的测量性、验证性实验相 比 ,设计性、研究性实验的教学内容不同 ,教学方 法也不同. 按照教育部在最近制定的《高等学校基础课 实验教学示范中心建设标准》中 ,已规定了“提高 研究创新型实验在全部实验项目中占有一定的比 例”的要求. 实际上 ,全国各高等学校的实验中心 建设计划中 ,都已把开设一定量的设计性研究性 实验 ,当作教学改革的重要内容. 我们刚刚出版的教材目前包含了 35 个实验 , 适合的年级从一年级到三年级 ,需要的学时数从 3 学时到 1 学期 ,实验的要求从初步学习如何设 计实验到研究全新的课题 ,内容涵盖力学、声学、 热学、电磁学、光学、近代物理等各子学科. 虽然 这些实验在复旦大学实施过 ,并证明是切实可行 的 ,但是其它学校的老师要采用本教材可能会有 部分困难 ,因为教材中所列的参考书不一定均能 检索到 ,而真正要带好这些实验 ,仅看这些参考资 料也是不够的. 因此 ,为了进一步帮助部分院校 的教师方便地开设这些实验 ,我们又组织撰写了 一套《设计性研究性物理实验教程教师参考书》的 电子教材(光盘) . 在该光盘中 ,我们把《教程》中 向学生提出的每一个问题均作了详细而全面的解 答(相当于“题解”) ,对每一项实验内容在带学生 过程中可能遇到的问题及如何解决的方法作出了 提示和建议(相当于“教案”) . 这些内容主要集中 了我们实验中心各位老师具体指导这些实验的丰 富经验和体会. 教师可根据此书指导学生进行实 验 ,但是这本教材显然是不能直接交给学生 ,否则 一切都讲明白 ,就谈不上设计性和研究性了. 当 然 ,针对不同学生的不同情况 ,教师可以适当把电 子教材中的部分实验内容介绍给学生 ,这对基础 较差的学生是有益的. 介绍什么、介绍多少 ,完全 由教师根据学生的情况具体掌握. 相信这套教材 23 物理实验 第 24 卷 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
第11期 马世红:设计性、研究性物理实验的实践情况 33 能够起到“抛砖引玉”的作用,兄弟院校的教师可 开发[A].《改革创新发展》(第一集)(世界银行贷 以结合各自的特点找到和开发出适合自己学校情 款21世纪初高等理工科教育教学改革项目研究成 况的设计性研究性物理实验 果)[C].北京:高等教育出版社,2003.260~263 设计性研究性实验不象测量性验证性实验那2马世红,赵在忠,王煜,等,开设实验选修课养学 样稳定,可以“数年如一日”的进行,而必须不断推 生创新能力[].物理实验,2002,22(3):27~29 [3]沈元华.设计性、研究性物理实验介绍[J].物理实 陈出新.有些实验经过几届学生做过后,已没有 验,2004,24(2):33~37 多少内容可自己独立设计和研究了,就应该淘汰 [4]沈元华,陈元杰,陆申龙,等.设计性研究性物理实 年年增加新内容,是设计性研究性实验能保持其 验教程[M].上海:复旦大学出版社,2004 趣味性、先进性、创新性、有效性的关键.因此,设[5]沈元华,陈元杰,陆申龙,等.设计性研究性物理实 计性研究性实验应是滚动性发展的实验,每年要 验教师用书(光盘)[M/CD]上海:复旦大学电子音 充实新内容、淘汰旧实验,不断发展改进要把各 出版社2004 种科研和教学活动的新成果不断反映进来,而教6]沈元华,陆申龙,基础物理实验M北京高等教 学方式方法也还要不断创新,以适应不断变化的 育出版社,2003 学生情况和社会需求 7]杨之昌,马秀芳.物理光学实验[M].上海:复旦大 学出版社,1993 参考文献 [1]马世红沈元华.设计性研究性物理实验的研究与 Practice of design and research physics experiments in Fudan University MA Shi-hong Central Lab for Physical Education, Physics Department, Fudan University, Shanghai 200433, China) Abstract Compared to traditional confirmatory and measuring experiments, design and research ex periments are a great help to develop the initiative ability of students. Part of design and research experi- ments set up in Fudan University in recent years are introduced in this paper, which are suitable for juni and senior undergraduate. The teaching method and preliminary effects are discussed Key words design and research experiment; physics experiments; teaching reform (上接第27页) Qualitative and semr quantitative physics experiments SHEn Yuarr hua Physics Department, Fudan University, Shanghai 200433, China) Abstract In recent years, some qualitative and semiquantitative experiments have been added in ex- periments teaching in Fudan University. It has been shown that these experiments contribute to developing the students' ability to analyze and solve problems, enhance their insight and judgment, encourage their desire for knowledge and creativity, and therefore enhance their scientific qualities. The experience and preliminary results are introduced Key words: qualitative and semiquantitative experiments; physics experiment; teaching reform 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId Al rights reserved
能够起到“抛砖引玉”的作用 ,兄弟院校的教师可 以结合各自的特点找到和开发出适合自己学校情 况的设计性研究性物理实验. 设计性研究性实验不象测量性验证性实验那 样稳定 ,可以“数年如一日”的进行 ,而必须不断推 陈出新. 有些实验经过几届学生做过后 ,已没有 多少内容可自己独立设计和研究了 ,就应该淘汰. 年年增加新内容 ,是设计性研究性实验能保持其 趣味性、先进性、创新性、有效性的关键. 因此 ,设 计性研究性实验应是滚动性发展的实验 ,每年要 充实新内容、淘汰旧实验 ,不断发展改进. 要把各 种科研和教学活动的新成果不断反映进来 ,而教 学方式方法也还要不断创新 ,以适应不断变化的 学生情况和社会需求. 参考文献 : [1 ] 马世红 ,沈元华. 设计性研究性物理实验的研究与 开发[A ].《改革·创新·发展》(第一集) (世界银行贷 款 21 世纪初高等理工科教育教学改革项目研究成 果) [ C]. 北京 :高等教育出版社 ,2003. 260～263. [2 ] 马世红 ,赵在忠 ,王煜 ,等. 开设实验选修课 ,培养学 生创新能力[J ]. 物理实验 ,2002 ,22 (3) :27～29. [3 ] 沈元华. 设计性、研究性物理实验介绍[J ]. 物理实 验 ,2004 ,24 (2) :33～37. [4 ] 沈元华 ,陈元杰 ,陆申龙 ,等. 设计性研究性物理实 验教程[ M ]. 上海 :复旦大学出版社 ,2004. [5 ] 沈元华 ,陈元杰 ,陆申龙 ,等. 设计性研究性物理实 验教师用书(光盘) [ M/ CD ]. 上海 :复旦大学电子音 像出版社 ,2004. [6 ] 沈元华 ,陆申龙. 基础物理实验[ M ]. 北京 :高等教 育出版社 ,2003. [7 ] 杨之昌 ,马秀芳. 物理光学实验[ M ]. 上海 :复旦大 学出版社 ,1993. Practice of design and research physics experiments in Fudan University MA Shi2hong (Central Lab for Physical Education , Physics Department , Fudan University , Shanghai 200433 , China) Abstract : Compared to traditional confirmatory and measuring experiments , design and research ex2 periments are a great help to develop the initiative ability of students. Part of design and research experi2 ments set up in Fudan University in recent years are introduced in this paper , which are suitable for junior and senior undergraduate. The teaching method and preliminary effects are discussed. Key words : design and research experiment ; physics experiments ; teaching reform (上接第 27 页) Qualitative and semi2quantitative physics experiments SHEN Yuan2hua (Physics Department , Fudan University , Shanghai 200433 , China) Abstract : In recent years , some qualitative and semi2quantitative experiments have been added in ex2 periments teaching in Fudan University. It has been shown that these experiments contribute to developing the students’ability to analyze and solve problems , enhance their insight and judgment , encourage their desire for knowledge and creativity , and therefore enhance their scientific qualities. The experience and preliminary results are introduced. Key words : qualitative and semi2quantitative experiments ; physics experiment ; teaching reform 第 11 期 马世红 :设计性、研究性物理实验的实践情况 33 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved