宋衛星（陝西理工學院物理系，陝西漢中 723000）
摘要：論述了開發設計性實驗的原則，討論了設計性實驗可分為原理型設計性實驗、製作型設計性實驗、研究型設計性實驗3種型別；提出了設計性實驗規範化教學過程的幾個步驟；強調了上好設計性實驗課指導教師必須做到的幾點要求。
關鍵詞：實驗教學改革；設計性實驗；實踐能力；創新精神
中圖分類號：g642.0文獻標識碼文章編號：
隨著高校實驗教學改革的深入及本科教學工作水平評估的全面展開，實驗教學已從過去單純的驗證性實驗逐步發展到了綜合性、設計性實驗教學，從把實驗當作已有理論的驗證、加深對已有理論的理解、掌握基本操作技能，過渡到了把實驗作為培養學生自主探索的實踐能力和創新精神的手段。為了與時俱進，培養出適合新時期發展所需要的創新型、實用型高素質的合格人才，在本科教學工作水平評估中取得優異成績，我們對設計性實驗的開展進行了大膽的探索和實踐。通過探索與實踐，我們體會到設計性實驗教學過程的規範化對實驗教學質量與效果來說是極為重要的。
1 對設計性實驗的思考
設計性實驗，是一種較高層次的實驗訓練，它要求學生自己查詢和閱讀各種參考材料，在此基礎上，根據一定的實驗要求，自行選擇實驗儀器、設計實驗步驟、觀察和記錄實驗現象和資料、研究實驗過程中發現的種種問題，最後完成實驗[1]。它培養學生獨立解決問題的能力、探索和創新能力，與基礎實驗比較，其訓練內容與層次更高，探索性更強，與科研的聯絡更密切，難度會更大一些。
1.1 開發設計性實驗的原則
實驗教學必須遵循教學原則和教學規律，在開發設計性實驗時應考慮學校的實際條件，學生的接受能力和心理特點。有時雖然某一實驗的物理思想很新穎，但超出了學生的知識水平，或者由於學生操作很不安全，也就沒有教學價值。設計性實驗的選題應緊緊圍繞學生的綜合能力、設計能力及創新意識培養這一目標，注意與課程設計、課外科技活動、實驗教學改革協調一致，不偏離課程教教學大綱（實驗教學大綱）的同時又能兼顧科學發展現狀與趨勢。
在這一總的原則下，選題應考慮以下幾個方面的問題。首先，每個設計性實驗的選題必須緊密結合理論教學的內容和進度，即主要內容應是已學過或正在學習的內容，亦可稍高於所學知識，不至於使學生感到無從下手；其次，實驗內容在操作上要具有一定的伸縮性，對於能力弱一些的學生通過努力可以達到或完成基本的要求，樹立自信心；對於能力強的學生又可以讓他們感覺到有發揮的餘地，建立成就感，使各層次的學生都有所收穫和提高。再次，實驗內容應聯絡實際應用，注意理論與實際應用相結合，使學生通過實驗了解器件或電路的實際應用方法和注意事項[2]。
1.2 設計性實驗的分類
設計性實驗教學包括理論原理和教學兩個方面。因此，設計性實驗既要以實驗原理為基礎，還要以教學論思想為指導。教學目的是實驗設計的出發點和歸宿，任何乙個教學實驗，都有它特定的教學目的。
根據教學目的、實驗本身的性質及其過程特點，設計性實驗可分為原理型設計性實驗、製作型設計性實驗、研究型設計性實驗[3]。
1.2.1 原理型設計性實驗
原理型設計性實驗，主要是針對某一實驗題目，要求學生從原理上給出實驗方法、步驟，所需儀器、必要的公式及推導、為減少誤差而採取的措施等;或者讓學生利用學過的基本原理設計一原理性實驗裝置，去驗證或表現某一規律。因此，這類實驗的教學性與操作特別鮮明，其過程和結果一般是可以預期的。在實驗過程中，學生用自己撰寫的實驗講義進行實驗，主觀能動效能得到充分地調動，盲目操作大大減少，教學效果大大增強。
在原理型設計性實驗過程中，採用最佳的，盡可能合理、巧妙、別人沒有想到的方案，即具有一定的創新性或新穎性是原理型設計性實驗的關鍵所在，是學生綜合運用理論知識能力的體現。
1.2.2 製作型設計性實驗
製作型設計性實驗是依據一定的科學原理，設計並製作一實用裝置，去實現某一特定目的。這類實驗的系統性、實踐性與實用性特別鮮明，而且實用性又是其重中之重。這類實驗由指導老師提前向學生下達設計題目、效能要求和技術指標，學生根據要求，進行硬體和軟體的設計，選定實驗裝置和器材，並進行具體的設計，寫出安裝、除錯步驟等，然後進行實驗製作，最後寫出總結報告或設計說明書。
在製作型設計性實驗中，學生要巧妙地利用已有的知識，結合自己的綜合技能，完成乙個從無到有的實踐過程。
目前，由於畢業生就業壓力越來越大，部分高年級學生已開始著手準備在今後競爭激烈的人才市場上展示自己；為就業作鋪墊，他們不滿足於單純的教學實驗，有著強烈的求知慾和實驗製作願望，期待盡快地掌握實用專業技術。因此，適當選擇一些與實際應用相關的課題，一些中小企業的生產專案或自己設想的、新穎的實用專案作為製作型設計性實驗，能夠滿足學生的求知願望，提高專業進取心，培養創新意識和創新精神，鍛鍊他們的動手能力、實用技術開發能力。
1.2.3 研究型設計性實驗
研究型設計性實驗就其目的來說，有時與原理型設計性實驗有類似之處，從而具有一定的教學性。然而，研究型設計性實驗教學的目的已由對已知知識的傳授與驗證變為引導學生探索未知，其任務常常是對某些未知規律或測試方法的探索研究。因而，探索性和研究性是研究型設計性實驗的特點。
在研究型設計性實驗教學過程中，針對某一實驗題目，學生要獨立地從原理上設計出實驗方案乃至合理的實驗方法、步驟、所需儀器、必要的原理公式、為減少誤差所應採取的措施等。要探索、研究某些未知規律或測試方法，需要一定的理論知識，並且有能力將這些理論知識和實驗技術巧妙地結合起來。因此，研究型設計性實驗是對學生綜合運用理論知識能力、實驗技術水平的全面考查。
2 設計性實驗的規範化教學過程
設計性實驗要求學生具有一定的基礎知識、實驗技能以及資料處理能力，對實驗裝置的功能、適用範圍、操作方法等有一定程度的掌握。因此，應在先開設驗證性實驗的基礎上再進行設計性實驗。經過幾年的改革實踐，我們認為設計性實驗教學應按以下幾個步驟進行[4][5]。
1）確定設計性實驗題目
設計性實驗是學生利用所學理論指導實踐的過程，應該密切結合專業實際，使課題具有啟發性、趣味性和實用性，設計性實驗的題目既可以由學生自選，也可以由指導教師向學生下達。設計題目不必過大，那些與專業科研方向相結合的設計性實驗專案，可以開闊學生的視野，使學生對本專業所從事的研究方向和課題有所了解，增強學生對專業的興趣和喜好，使學生的潛質得到充分的發揮。
2）準備
設計性實驗題目確定之後，指導老師應立即向學生下達實驗任務書，其內容主要是強調實驗目的，明確設計的效能要求和主要技術指標，要求學生在實驗前考慮實驗中可能涉及的理論知識和實驗原理，查詢資料，需要的話還要自學相關知識，為下一步擬訂實驗方案，設計操作步驟等作好準備。
3）擬訂實驗方案
在廣泛收集資料的基礎上，按照實驗目的和要求構思一種或多種可能的方案，然後加以整理，進一步具體化，寫出初步的設計方案，包括：實驗原理與實驗方法；所需器件材料、儀器、裝置；具體的實驗步驟或各構成部分的設計；安裝與測試方法、注意事項等。這時擬定的其實是實驗方案的初稿。
4）指導教師對學生實驗方案的審閱、評價
學生擬定的實驗方案相當於實驗講義。一項實驗方案，首先要經過指導教師的審閱，幾經修改、充實，然後才能付諸實驗。實踐中我們對學生制訂的實驗方案要進行兩次審閱、評價。
第一次審閱、評價：在學生在制訂出實驗方案初稿後，指導教師要從實驗方案的基本架構方面對學生實驗方案初稿的各個環節進行認真地審核，肯定其正確、合理的方面，指出其不足片面之處，並提出意見供參考、改進。對學生的設計不宜過多干涉，要注意培養學生的獨立思考和創造能力，鼓勵學生大膽使用新方法，提出新思路，充分調動學生的積極性、主觀能動性、創造性。
教師對方案的指導作用是啟發性的、方向性的、建議性的，為防止發生事故，對某些違反實驗原理和基本操作規程的操作步驟要進行糾正，並給予特別提示；學生的實驗方案初稿是學生學習態度原始的真實體現，是實驗成績評定的重要依據。對學生實驗方案初稿審閱之後，教師要立即下發給學生，並督促其盡快修改、充實。
第二次審閱、評價：經過修改、充實的學生實驗方案已基本上成為設計的最終結果，它是學生實驗方案是否完美的體現，指導教師對實驗方案進行評價是這一步驟的主要工作。除了對某些違反實驗原理和基本操作規程，有可能造成事故的操作步驟進行糾正之外， 指導教師一般不再建議學生修改實驗方案。
5）設計性實驗的操作過程
設計性實驗的操作過程與驗證性實驗不同。在實驗過程中，學生是主體並起主導作用，他們會遇到許多問題，教師一般不直接回答和解決學生的問題，而是引導、解惑，啟發、鼓勵學生去大膽地思考和嘗試，認真分析問題、找出解決問題的辦法；讓學生通過自己積極主動的思考，有所創新，有所發揮，敢於堅持自己認為正確的東西，實事求是地記錄所測資料，取得實驗的成功[6]。此外，學生的實驗資料(元器件引數、必要的線路圖、測量資料、訊號波形引數等) 應由指導教師簽字並作為實驗報告的附件，隨實驗報告一併上交，學生在實驗報告中應對實驗資料進行整理。
6）實驗報告或設計說明書
完成實驗後，學生要對實驗得到的資料和結果進行分析總結，得出實驗結論，寫出研究報告或設計說明書並展示成果。
3 設計性實驗的考核與實驗學時安排
3.1 實驗考核辦法
合理的考核辦法能夠端正學生的實驗態度、規範實驗過程，提高實驗教學效果。設計性實驗原則上不進行實驗考試。每個實驗都按實驗態度10分、實驗方案的制定30分、實驗操作及完成情況30分、實驗報告30分4個方面評定滿分為100的實驗成績，期末作為總成績的一部分。
其中的實驗態度反映學生遵守紀律情況、實驗過程中的獨立性和自主性；方案的制訂情況主要反映學生應用原理的正確性、合理性，獨特性以及創新性; 實驗操作及完成情況主要反映學生對實驗過程的熟悉程度、實驗儀器使用的熟練程度、實驗資料的正確性、實驗問題的解決能力以及根據實驗方案完成實驗的質量和效果；實驗報告主要反映其撰寫是否規範，資料處理是否正確，對實驗結果的分析是否合理，結論是否正確、完整等 [2]。
3.2 實驗學時安排
設計性實驗因實驗內容的不同所需實驗課時也不同。對於4個學時的設計性實驗來說，第一階段安排1個學時，讓學生進一步熟悉儀器裝置的功能及使用方法，為實驗方案初稿的撰寫奠定基礎，個別同學若覺得時間不夠，可再利用實驗室開放時間去完成；第二階段大約安排1周時間，用於學生自行查閱參考文獻資料，研究、撰寫實驗方案初稿並交指導教師審閱，指導教師審閱後學生還要完成實驗方案初稿的修改。第三階段安排3個學時，學生按修改後的實驗方案完成全部實驗任務。
4 設計性實驗對指導教師的要求
由於設計性實驗的要求遠高於基礎實驗，在設計性實驗教學過程中，學生可能會問及很多相關問題，而且在實驗操作過程中也會出現許多不可預期的情況，要指導學生完成設計性實驗，對教師的相關知識及經驗的儲備都提出了更高的要求[6]。因此，設計性實驗規範化教學過程的另乙個關鍵環節就是教師的備課，教師要上好設計性實驗課必須做到(1)備教材，教師根據實驗內容認真鑽研教學大綱，準備好與實驗相關的知識，寫出教案。(2)備學生，根據實驗內容，結合學生不同層次的知識水平，有針對性地擬寫出供學生預習用的思考題並在實驗前一周布置。
(3)備實驗，在備教材、備學生的基礎上，認真準備實驗，使實驗儀器等處於良好狀態。(4)備教法，教學方法是處理教學內容，組織教學活動，實現教學目的的方法和手段。設計性實驗過程與驗證性實驗不同，傳統的講授、示範加實驗的方法顯然不再適用，指導教師要考慮的是如何才能培養學生分析問題和解決問題的能力、自主探索的實踐能力和創新精神等[7]。
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