物理实验教学中学生创新能力的培养

摘要：培养高素质创新型人才是高等学校的根本任务，实验室是培养学生创新能力的重要基地。在物理实验教学中培养学生创新能力的主要途径和方法包括：进行物理实验史教育，培养学生的创新意识；采用多样化的实验方法，活化学生的创新思维；注重创新演示实验和设计性实验，培养学生的创新技能；介绍科学家的典型事例，培养学生的创新情感和创新人格；用科学评价激发学生的创新动力。

关键词：物理实验；创新能力；培养

中图分类号：G424.31　文献标志码：A　文章编号：1002-0845(2007)10-0042－02

科学技术的发展突飞猛进，社会对人们的创新能力的要求也越来越高，因而，加强对学生创新能力的培养，已经成为我国教育教学改革的重点。在物理实验教学中，创新教育的提出，一方面是物理教学改革不断深入的需要，另一方面也是由物理学科的特点与物理实验的本质所决定的。然而，长期以来，普通物理实验的教学内容缺少更新，教学方法过于死板，实验内容基本上是验证性和测量性的，缺少学生自己进行设计、研究的内容。学生不须分析与创新，只需按教材上的步骤按部就班去做，就能完成实验。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，抑制了学生个性的发展，因而不利于创新人才的培养。为了弥补这一不足，我院在物理实验教学中对实施创新教育进行了不断的探索，取得了一定的经验。

一、物理实验教学中培养学生创新能力的主要途径

1、进行物理实验史教育，培养学生的创新意识

物理实验除演示实验、验证实验外，还应包括物理实验史教育、设计研究性实验、学生小仪器制作等。例如：玻尔发表原子模型理论的第二年，夫兰克和赫兹用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，使原子从低能级激发到高能级。他们对电子与原子碰撞时能量交换的研究，直接证明了原子内部能量的量子化。后来，他们又在同样的实验中测得被慢电子激发的原子返回基态时辐射的光频率，发现这种辐射验证了玻尔假设的频率定则。因此，夫兰克一赫兹实验就成为玻尔理论的一个重要实验依据。由于他们的工作对原子物理学的发展起了决定性的作用，曾共同获得1925年的物理学诺贝尔奖和1906年诺贝尔物理学奖。汤姆生研究阴极射线导致了电子的发现，利用实验准确地测出了电子的荷质比。他们的实验设计是何等的巧妙，设计思想与器材组合都是创新精神的体现……这些实验史的介绍，不仅向学生展示了科学发现、技术发明的过程，而且展示了科学家的创造思维和创新精神。要发挥物理学实验史的创造教育功能，我们在教学中就要重视实验史的教育。可以启发学生体会实验思想与设计的精彩之处并提出问题；也可采用演示实验，引发学生的好奇心；还可让学生自己动手，组织与设计实验，来“表演”某些著名实验。总之，通过让学生接触到不同的物理实验背景、教师的不同观点和思想方法，学习物理实验史，对学生进行德育的渗透以及科学精神和创新意识的培养，具有很好的作用。

2、实验方法多样化，活化学生的创新思维

目前学生的分组实验，普遍存在只重视简单的操作练习，从器材、方法到表格设计都是按照规定好的步骤和方法进行实验，不能很好地领会实验原理和思想方法，因此，必须改革实验教学的方法。教师在设计教学内容时可以结合实验室条件对实验项目进行重新组合，尽量将有相似的刺激与反应的教学内容做系统编排。在编排时，教师可以以专题的形式呈现实验内容，每个专题确定一个主题，可以从实验方法的相似性上选题。如用干涉法测量光波波长，可将杨氏双缝干涉、菲聂耳双棱镜实验、迈克尔逊干涉实验编在一个专题；也可以依据实验仪器的相似程度进行选题，如将分光计、单色仪、摄谱仪等光谱仪器作为一个专题选择实验项目；也可以将对同一物理量的测量作为选题依据，如电阻的测量可将伏安法、电位差计法、惠斯登电桥法、开尔文电桥等编在一起；这样学生在进行专题训练时很容易做到由此及彼，融会贯通，从而衍生出一系列值得进行比较研究的问题，实现知识与能力间的相互迁移。如重力加速度的测量实验，学生可以利用单摆、复摆、可倒摆、自由落体运动、倾斜气轨等许多实验方法进行。应让学生尽可能多地设计实验方案，从科学性、可靠性、简便性、准确性等实验设计原则出发，对各个方案进行评价，最后选取两种方案进行实验测量与比较，活跃学生的思维，使实验教学有更广阔的活动空间和思维空间，可以激发和满足不同层次学生的探索与创新欲望，使之达到不同层次学生创新能力培养的目标。

3、注重创新演示实验和设计性实验，培养学生的创新技能

教师创新演示实验，不仅能更好地发挥实验的教育功能，促使学生掌握有关学科知识，而且能对学生进行潜移默化的熏陶和感染，培养他们的创新精神，从而达到培养学生创新能力的目的。

修完基础物理实验的学生，可以根据自己的专业和兴趣爱好自由选择实验项目和实验课时间，以体现全面开放的教学模式的优势。近几年，我们结合本校学生的具体特点和情况，从以下几方面来确定设计性实验项目：

(1)利用原有的实验项目

某些已经做过的实验，所用仪器的集成化程度较高，学生虽然做过这些实验，但他们基本上都是在使用说明书和实验室给出的操作步骤提示下完成的，对于仪器的结构，他们并不清楚。如霍耳效应实验，实验仪器的线路基本上都被封在仪器的内部，学生即使没有掌握实验及仪器的原理，也一样可以完成数据的测量。这很容易养成学生急功近利的思想和不求甚解的学习态度，并没有达到我们开设实验的初衷。现在我们把这个实验作为设计性实验的一个项目，要求学生根据霍耳效应的原理，自己设计实验电路来实现霍耳片一系列参数的测定，或实现对几种形状磁铁磁场的测定。要完成这样的实验，学生对原理要深刻理解掌握，对实验中引起误差的因素要理解并想办法减小或消除，要自己动手焊接霍耳片的电极引线并设计搭建实验电路，并通过同学之间或师生之间的讨论解决遇到的问题。这不仅使学生加深了对物理原理的理解掌握，并且通过设计和实践，切实培养了学生的创新能力、动手能力，还增强了他们的知识应用的能力。

(2)普通物理和普通物理实验的知识拓展和应用

教学应因材施教，根据我校学生以及实验室仪器的情况，我们将普通物理学的一些知识设计成实验项目。如给出一种透明固体(或液体)材料，要求学生测出它的折射率。该项目所涉及的知识面广，与普通物理光学部分的光的折射、衍射、干涉知识都有一定的联系，学生可利用所学的知识或所掌握的方法进行设计，如可利用分光计来测定，也可用劈尖或牛顿环来测定，还可用单色光直接以一定角度照在材料面上，通过测定折射光线的折射角来测定。这个实验虽然简单，但它增强了学生的知识应用能力，也增加了他们对物理的兴趣。

设计性物理实验需要灵活、综合地运用所学的物理以

及相关学科的知识和技能，还需要学生做好以下工作：1)查阅资料，设计实验原理和实验方法；2)根据实验要求，正确选择实验仪器；3)设计独特的实验构思；4)独立进行实验操作。因而，大力开展设计性实验能有效地培养学生解决物理问题的能力和培养创造能力，培养学生分析能力和创新能力。

4、介绍科学家的典型事例，培育学生的创新情感和创新人格

创新取得成功的决定因素首先不在于创新者渊博的知识，而在于他们的创新人格。源自内心的热爱和追求是创新的灵魂，自主性、激情、意志等对创新素质的形成与提高具有极大地推动作用。所以在教学中要特别注重创新意识的培养，激发学生的创新欲望；加强对学生的情感教育，促进学生情感智慧的发展。物理学是一门实验科学，物理学的发展史就是一个创新的历史。用物理学发展过程中科学家的典型事例作为情感教育和价值观教育的切入点，充分挖掘科学家崇尚科学的情感和价值观、严肃认真的科学态度和良好的品格修养，追求科学的顽强毅力和献身科学的奉献精神，从而发挥科学史可以给人以智慧的功能，可以较好地达到培养学生创新情感和创新人格的目的。

二、建设物理实验创新基地，用科学评价激发学生创新的动力

爱因斯坦曾明确地谈到许多学者在自己工作时的感受：“科学技术发现的历史告诉我们，人类在独立思考和创造思维方面的能力仍是很弱的。当客观世界和科学需求长时期地等待一个新思想诞生时，通常需要在外部刺激下才使它实际产生。”为此，我们对如何在物理实验教学中培养学生创新意识、创新思维和创造能力等方面进行了深入的思考和探讨，认为构建一个面向全校本科生的开放的物理实验创新基地是探索创新教育模式的一种有效方法。在这样的环境下，学生可以很轻松地进行全开放的自主探索研究。2004年，我们得到了中央共建实验室项目资助，扩充了许多仪器，例如：智能红外扫描成像实验装置的设计与实验研究，综合光学实验装置的设计与实验研究，弦振动的实验研究，助听器的设计与制作，摩擦与空气阻力的研究，核磁共振实验，光学干涉法测量微小长度，高温报警电路，延时控制电路，压力传感器的研究，一维传感器的设计，电子秤的设计与制作，多种方法测量微波波长，动力学系统的实验研究，电风扇温控开关的设计等。两年多的实践证明，学生喜欢参加创新基地的学习和活动，400多名学生选修了设计与创新实验项目，完成了40多个实验项目。这些实验题目有些涉及新型教学实验仪器的设计与制作，教学内容扩充和深化，测量技术的改进；有些涉及前沿科研课题简化实验；有些涉及学生们自身的学习与生活需求。通过这些学习和活动，学生不仅了解了一些前沿物理知识，而且有效地培养了学生的创新精神和实践能力。 构建新的实验操作考核体系，改变以往实验考核成绩按平时成绩和期末考试各占50％的记分办法，采用以多种形式对教学总体效果进行综合考核评价，改革与完善了学生实验考核方法和考评标准。现以实验过程的多个环节制订考核标准，根据实验报告、口试、笔试、实验操作技能、自行独立设计实验能力、创新能力等多方面情况进行综合考核，从而达到重点考核动手能力、综合分析问题的能力和创新能力的目的。

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