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摘 要：本文分析了传统的大学物理实验教学模式存在的问题，针对性地提出了一种设计性大学物理实验教学模式，通过该教学模式的实施，能够激发学生学习大学物理实验的兴趣，同时促进了学生动手能力和创新能力的提高，将逐步实现应用型本科实验教学的改革和创新。
关键词：大学物理实验;设计性实验;教学模式
中图分类号：O41 文献标识码：A
1 绪论
传统的大学物理实验教学过程分为三个环节，如图1。首先，教师给学生讲解实验原理、实验目的、实验仪器及实验步骤等内容。其次，教师集合学生，按照实验步骤给学生详细演示实验操作过程。最后，学生观察完实验操作步骤后，按照教师的演示步骤进行实验。由此可见，传统的教学模式主要是以教师为主体，学生为客体，实验课教学模式过于“理论化”，实验操作过程过于程序化，这种实验教学难以调动学生的积极性，抑制了学生的创新思维。另外，传统的大学物理实验课程验证性实验及经典物理实验内容偏多，设计性实验不足。这种知识体系下的实验教学，难以促进学生进一步深入学习的兴趣，也在一定程度上不能最大限度地提升学生的创新能力。因此，需要对传统的大学物理教学实验模式进行大胆创新，进一步提高课堂教学质量。
2 设计性实验教学模式
本文提出一种大学物理设计性实验教学模式[1]如图2。首先，教师提出设计实验[2]名称，班级学生进行分组，每组学生针对实验名称，并结合实验室现有的仪器，自己通过阅读论文，查阅资料，网上搜集数据等形式确定设计实验方案，并撰写实验方案报告。当所有分组的学生完成实验方案后，教师组织学生进行分组讨论。
图2 设计性实验教学模式
如果相关分组的同学实验方案[3]可行，则进入实验室，利用实验室现有的仪器，参考预先设计的实验方案，进行实验操作，完成实验后，进行实验数据处理。如果相关分组的同学实验方案不可行，则该组同学需要重新设计实验方案，待分组讨论合理后，方可进入实验室按照实验方案操作实验[4]。
等待所有组别同学完成实验且处理实验数据后，每个组做好整个实验进程的PPT，进行分组答辩。答辩过程中，任意同学可以进行答辩环节提问。待整个答辩流程结束后，教师根据学生的实验方案，实验操作及实验报告和答辩环节的综合表现给出最后的总评成绩。
3 设计性实验教学模式实例
例如测量定值电阻阻值的设计性实验教学中，学生先进行分组，分组后每个小组设计实验方案，通过收集学生设计的实验方案，汇总后有多种实验方案。
第一个小组学生提出用伏安法测定值电阻的阻值，学生设计了实验电路，先利用实验室现有的仪器连接好电路，设计好记录数据的表格，接着按照设计的实验步骤进行实验，每次实验记录电压表的示数和电流表的示数，多次测量多组数据。当学生测量完数据后，紧接着进行数据处理。这时授课教师给该组学生分配一项任务，讨论实验数据的处理方法，该组学生进行激烈讨论，提出的数据处理方法有列表法和作图法[5]，经过授课教师的指导，该组学生选择了作图法进行数据处理，但作图法结合了计算机软件，使得处理数据更加快速、高效。
当该组学生完成电路设计及数据测量和数据处理步骤后，授课教师给学生提出几个问题，一是如果实验室只提供电流表而不提供电压表，如何测量未知电阻的阻值[6]。授课教师要求该组学生进一步讨论，最好能够设计出电路图。二是如果实验室只提供电压表而不提供电流表，如何测量未知电阻的阻值，授课教师引导学生进一步讨论。
第二个小组学生提出用直流电桥法测定值电阻的阻值。在用该方法测定值电阻时，第二小组的同学又提出两种方法。第一种按照设计的电路图连接好电路，电路中滑动变阻器用分压式连接，滑动触头两边对应的电阻记为R1和R2，电阻箱记为Rs，未知电阻记为Rx，检查电路无误后，设置不同的R1R2的数值，利用直接法的公式Rx=R1R2Rs计算未知电阻的阻值，最后将多个Rx的值求平均值，计算出待测电阻的阻值，紧接着交换未知电阻Rx和电阻箱Rs的值。第二种方法利用箱式电桥，连接好外围电源，外接电流表，在箱式电桥中设置R1R2的數值，利用直接法公式Rx=R1R2Rs计算待测电阻的阻值，共测三次。第二小组同学在用自己搭建好的电路测试未知电阻时，闭合开关后出现若干故障。比如电流表的指针未偏转，比如电流表的指针发生偏转，比如电源出现报警，这时授课教师不要急于为学生解决存在的问题，可以提示学生可能存在的原因，该让学生自己根据电路图及实物电路查找问题，这样锻炼了学生的动手实践能力，又提升了学生对电路的分析[7]能力。
当学生完成了整个实验的电路设计及电路连接和测量实验数据后，授课教师引导学生对实验电路中经常存在的故障及解决方法进行总结，并反思自主设计实验教学[8]过程中的教学方法。一是要注意电路中是否存在短路现象，当存在此现象时，应该立刻关闭电源，重新回归到实验的电路图，认真分析电路的串、并联方式及分析清楚电路中的结点，主要是要分析清楚电流的流向。二是要注意电路中是否存在断路现象，当存在此现象时，学生也应立即切断电源，认真分析电路图，检查电路连接，必要时利用欧姆表等仪器判断电路中具体位置是否存在断路现象。这个过程中，有小组学生提出利用欧姆表判断电路中具体的断路位置存在一定的困难，这时授课教师应该从最基本的理论讲起，给学生讲解该方法的原理，接着为学生亲自演示操作的方法，最后为学生设置一定的实际问题，让学生利用学到的原理及方法解决对应的实际问题。三是要注意连接电流表时电流表串联在电路中，而电压表要并联在电路中。四是要注意连接滑动变阻器时分清楚滑动变阻器的连接方式是分压式还是限流式，要熟悉滑动变阻器的分压式连接电路和限流式连接电路，大部分的学生对滑动变阻器的限流式连接比较清楚，但是对分压式连接不一定清楚明白，所以授课教师要将分析滑动变阻器的分压式连接作为重点内容，详细地为学生分析电流的流向，让学生能够熟练掌握滑动变阻器分压式的连接。四是要注意连接电路时要断开开关。在实验课的教学过程[9]中，授课教师发现有些学生连接电路时电源依然打开，这样在连接电路过程中存在一定的安全隐患。五是要在电路连接完成后，测量前要先估测一下所需要的电压表或电流表的量程，所选择的电压表或者电流表的量程不能过大或者过小。 第三个小组学生提出用欧姆表法测待测电阻的阻值。在进行这样的实验之前，授课教师应该让学生熟悉欧姆表测的内部简单的电路图。学生最好能够亲自绘制欧姆表内部的电路图。授课教师提醒学生在测量过程中，应该用好试触法。当学生用该方法测量完待测电阻的阻值后，授课教师引导学生总结使用欧姆表需要注意的一些问题，一是测量电阻的时候，每一次换挡都应该进行欧姆调零。二是测量时应该使指针尽可能在满刻度的中央附近。三是测量的时候被测电阻和电源以及被测电阻和其他的元件要断开。四是测量时不能用双手同时接触表笔。
第四个小组同学提出数字式欧姆表法。随着科技技术的不断创新，集成电路技术以及数字技术的不断创新和发展，实际的工程应用中已制成各种各样的新型的电阻测量仪器。数字式欧姆表是将电阻变换成电压，接着用模数转换式电压表测定电压的数值，最后从电压来确定待测电阻的数值。该组同学设计的实验方案是合理的，但授课教师提醒学生设计实验方案时应考虑实验室现有的条件及已有的仪器。
第五个小组学生设计了利用等效替代法测量未知电阻的阻值。授课教师要求学生独立设计电路，学生设计了电路图，同时，教师要求学生设计好详细的实验步骤，提出实验过程[10]中需要注意的问题，并设计好实验的表格。学生设计完电路后，教师详细检查学生设计的电路图，确保设计的电路无误后，教师要求学生按照设计的电路图连接实物电路，并且按照设计的实验步骤进行实验。
4 设计性实验教学模式效果反馈
在平时的教学过程中，选取三个班级采用传统的大学物理实验教学方法[11]，选取另外的三个班级采用设计性实验教学模式[12]，经过一学期的教学过程，对授课学生进行问卷调查，学生对设计性实验教学模式反馈如下，一是该教学模式提升了自身的学习兴趣，更有动力去探索未知的问题，二是从被动地接受知识转化为主动地、自觉地吸收知识，三是学生通过查阅大量资料，无论是阅读小论文，还是网上查阅相关文献、新闻，都无形中增强了学生查阅书刊资料的能力，四是学生在设计实验过程中能够积极分工，明确各自责任，在实验过程中也能够进行互相协作，增强了学生的团队合作能力，五是学生能够积极准备实验器材，当在实验过程中遇到困难时，能够独立思考，尽自己最大努力解决实验设计中存在的一些问题，同时也能够积极处理实验过程中遇到的某些问题。统计了学生对两种教学模式的兴趣程度，其中，学生对设计性实验教学模式[13]的感兴趣程度为96.5%，而对传统的实验教学模式感兴趣程度为80.10%。
开展设计性实验教学模式以后，授课教师对教学过程积极反思，有以下体会，一是教师需要进一步更新教育理念，始终要以培养创新型人才为根本宗旨，突出学习过程中实践的重要性，积极引导学生改变学习理念及实验方式，让学生学会在合作中学习，积极促进学生自主学习的能力。二是作为教师要与时俱进，教师要不断学习对应学科领域最前沿的知识，不断更新自身的知识体系，能够整理自己的知识库和素材库，充分了解实验室的各种教学资源和各种仪器，能够积极将理论知识应用于实践，科学地、合理地处理教学过程中遇到的各种问题，不断增强自身处理各种仪器故障的能力，能够熟练掌握各种仪器的操作，能够处理学生在实验过程中遇到的一些常见的问题。三是教师在教学过程中要积极申报相应的研究课题，通过一定的课题的研究，进一步总结教学模式及教学经验，提高教师的教学能力。总之，通过设计性实验教学模式的开展，教师的综合素质有了一定的提升。
学期末对两种教学模式对应的教学班的成绩进行分析，分别从课程优秀率、课程平均分、不及格率及学生评教等级进行分析，如下表所示。
5 结论
综合以上的分析和研究成果，结果表明大学物理实验教学中采用设计性实验教学模式，能够在一定程度上激发学生学习大学物理的兴趣，不仅增强了学生的逻辑思维能力，而且促进了学生独立创新的能力，能够适应应用型本科院校实验教学的要求，更符合“新工科”人才发展的方向。
参考文献：
[1]何仲，康小平，赵鲁梅，等.大学物理创新实验實训研究与实践[J].科技教育，2018，11：149.
[2]徐玮婧，刘婷，杨骏骏，等.大学物理实验的混合式教学应用初探[J].物理实验，2018，12（38）：9293.
[3]黄凯，曹进，常峰.大学物理实验教学酌思考[J].内江科技，2019，1：106.
[4]林二妹.大学物理实验教学改革的研究与实践[J].装备制造技术，2018，11：217218.
[5]彭柯铭，陈健，尹志新，等.大学物理实验培养动手能力的探讨[J].教育教学论坛，2018，1：277278.
[6]陈鹏，杨阳，冯学超，等.数字电表原理及万用表设计实验教学模式探讨[J].物理与工程，2017，3（27）：2527.
[7]郭艳蕊，严慧羽，郝清海，等.现代工程教育背景下大学物理实验的教学探索[J].科技创新导报，2018，35：160161.
[8]刘军华，喻霞，肖楚.新工科背景下实施大学物理实验混合式教学的探讨[J].教育教学，2018，11：58.
[9]辛萍.应用型本科院校的物理实验教学新模式研究[J].科技展望，2017，3：196.
[10]张昉.应用型高校大学物理实验课程教学改革之我见[J].天中学刊，2018，6（33）：156.
[11]刘艳，陈仁安.应用型人才培养模式下大学物理实验教学改革[J].阴山学刊，2018，2（32）：144.
[12]崔秀花，高蕊，徐继微，等.有效衔接基础性实验与设计性实验的探究[J].大学物理实验，2017，5（30）：87.
[13]杨迪，孙丽媛，周永军，等.在大学物理实验课程中创新人才培养的研究与实践[J].大学物理实验，2017，6（30）：139141.
作者简介：赵朝军（1986— ），男，汉族，陕西陇县人，硕士，讲师，研究方向：大学物理实验教学方法。
关键词：大学物理实验;设计性实验;教学模式
中图分类号：O41 文献标识码：A
1 绪论
传统的大学物理实验教学过程分为三个环节，如图1。首先，教师给学生讲解实验原理、实验目的、实验仪器及实验步骤等内容。其次，教师集合学生，按照实验步骤给学生详细演示实验操作过程。最后，学生观察完实验操作步骤后，按照教师的演示步骤进行实验。由此可见，传统的教学模式主要是以教师为主体，学生为客体，实验课教学模式过于“理论化”，实验操作过程过于程序化，这种实验教学难以调动学生的积极性，抑制了学生的创新思维。另外，传统的大学物理实验课程验证性实验及经典物理实验内容偏多，设计性实验不足。这种知识体系下的实验教学，难以促进学生进一步深入学习的兴趣，也在一定程度上不能最大限度地提升学生的创新能力。因此，需要对传统的大学物理教学实验模式进行大胆创新，进一步提高课堂教学质量。
2 设计性实验教学模式
本文提出一种大学物理设计性实验教学模式[1]如图2。首先，教师提出设计实验[2]名称，班级学生进行分组，每组学生针对实验名称，并结合实验室现有的仪器，自己通过阅读论文，查阅资料，网上搜集数据等形式确定设计实验方案，并撰写实验方案报告。当所有分组的学生完成实验方案后，教师组织学生进行分组讨论。
图2 设计性实验教学模式
如果相关分组的同学实验方案[3]可行，则进入实验室，利用实验室现有的仪器，参考预先设计的实验方案，进行实验操作，完成实验后，进行实验数据处理。如果相关分组的同学实验方案不可行，则该组同学需要重新设计实验方案，待分组讨论合理后，方可进入实验室按照实验方案操作实验[4]。
等待所有组别同学完成实验且处理实验数据后，每个组做好整个实验进程的PPT，进行分组答辩。答辩过程中，任意同学可以进行答辩环节提问。待整个答辩流程结束后，教师根据学生的实验方案，实验操作及实验报告和答辩环节的综合表现给出最后的总评成绩。
3 设计性实验教学模式实例
例如测量定值电阻阻值的设计性实验教学中，学生先进行分组，分组后每个小组设计实验方案，通过收集学生设计的实验方案，汇总后有多种实验方案。
第一个小组学生提出用伏安法测定值电阻的阻值，学生设计了实验电路，先利用实验室现有的仪器连接好电路，设计好记录数据的表格，接着按照设计的实验步骤进行实验，每次实验记录电压表的示数和电流表的示数，多次测量多组数据。当学生测量完数据后，紧接着进行数据处理。这时授课教师给该组学生分配一项任务，讨论实验数据的处理方法，该组学生进行激烈讨论，提出的数据处理方法有列表法和作图法[5]，经过授课教师的指导，该组学生选择了作图法进行数据处理，但作图法结合了计算机软件，使得处理数据更加快速、高效。
当该组学生完成电路设计及数据测量和数据处理步骤后，授课教师给学生提出几个问题，一是如果实验室只提供电流表而不提供电压表，如何测量未知电阻的阻值[6]。授课教师要求该组学生进一步讨论，最好能够设计出电路图。二是如果实验室只提供电压表而不提供电流表，如何测量未知电阻的阻值，授课教师引导学生进一步讨论。
第二个小组学生提出用直流电桥法测定值电阻的阻值。在用该方法测定值电阻时，第二小组的同学又提出两种方法。第一种按照设计的电路图连接好电路，电路中滑动变阻器用分压式连接，滑动触头两边对应的电阻记为R1和R2，电阻箱记为Rs，未知电阻记为Rx，检查电路无误后，设置不同的R1R2的数值，利用直接法的公式Rx=R1R2Rs计算未知电阻的阻值，最后将多个Rx的值求平均值，计算出待测电阻的阻值，紧接着交换未知电阻Rx和电阻箱Rs的值。第二种方法利用箱式电桥，连接好外围电源，外接电流表，在箱式电桥中设置R1R2的數值，利用直接法公式Rx=R1R2Rs计算待测电阻的阻值，共测三次。第二小组同学在用自己搭建好的电路测试未知电阻时，闭合开关后出现若干故障。比如电流表的指针未偏转，比如电流表的指针发生偏转，比如电源出现报警，这时授课教师不要急于为学生解决存在的问题，可以提示学生可能存在的原因，该让学生自己根据电路图及实物电路查找问题，这样锻炼了学生的动手实践能力，又提升了学生对电路的分析[7]能力。
当学生完成了整个实验的电路设计及电路连接和测量实验数据后，授课教师引导学生对实验电路中经常存在的故障及解决方法进行总结，并反思自主设计实验教学[8]过程中的教学方法。一是要注意电路中是否存在短路现象，当存在此现象时，应该立刻关闭电源，重新回归到实验的电路图，认真分析电路的串、并联方式及分析清楚电路中的结点，主要是要分析清楚电流的流向。二是要注意电路中是否存在断路现象，当存在此现象时，学生也应立即切断电源，认真分析电路图，检查电路连接，必要时利用欧姆表等仪器判断电路中具体位置是否存在断路现象。这个过程中，有小组学生提出利用欧姆表判断电路中具体的断路位置存在一定的困难，这时授课教师应该从最基本的理论讲起，给学生讲解该方法的原理，接着为学生亲自演示操作的方法，最后为学生设置一定的实际问题，让学生利用学到的原理及方法解决对应的实际问题。三是要注意连接电流表时电流表串联在电路中，而电压表要并联在电路中。四是要注意连接滑动变阻器时分清楚滑动变阻器的连接方式是分压式还是限流式，要熟悉滑动变阻器的分压式连接电路和限流式连接电路，大部分的学生对滑动变阻器的限流式连接比较清楚，但是对分压式连接不一定清楚明白，所以授课教师要将分析滑动变阻器的分压式连接作为重点内容，详细地为学生分析电流的流向，让学生能够熟练掌握滑动变阻器分压式的连接。四是要注意连接电路时要断开开关。在实验课的教学过程[9]中，授课教师发现有些学生连接电路时电源依然打开，这样在连接电路过程中存在一定的安全隐患。五是要在电路连接完成后，测量前要先估测一下所需要的电压表或电流表的量程，所选择的电压表或者电流表的量程不能过大或者过小。 第三个小组学生提出用欧姆表法测待测电阻的阻值。在进行这样的实验之前，授课教师应该让学生熟悉欧姆表测的内部简单的电路图。学生最好能够亲自绘制欧姆表内部的电路图。授课教师提醒学生在测量过程中，应该用好试触法。当学生用该方法测量完待测电阻的阻值后，授课教师引导学生总结使用欧姆表需要注意的一些问题，一是测量电阻的时候，每一次换挡都应该进行欧姆调零。二是测量时应该使指针尽可能在满刻度的中央附近。三是测量的时候被测电阻和电源以及被测电阻和其他的元件要断开。四是测量时不能用双手同时接触表笔。
第四个小组同学提出数字式欧姆表法。随着科技技术的不断创新，集成电路技术以及数字技术的不断创新和发展，实际的工程应用中已制成各种各样的新型的电阻测量仪器。数字式欧姆表是将电阻变换成电压，接着用模数转换式电压表测定电压的数值，最后从电压来确定待测电阻的数值。该组同学设计的实验方案是合理的，但授课教师提醒学生设计实验方案时应考虑实验室现有的条件及已有的仪器。
第五个小组学生设计了利用等效替代法测量未知电阻的阻值。授课教师要求学生独立设计电路，学生设计了电路图，同时，教师要求学生设计好详细的实验步骤，提出实验过程[10]中需要注意的问题，并设计好实验的表格。学生设计完电路后，教师详细检查学生设计的电路图，确保设计的电路无误后，教师要求学生按照设计的电路图连接实物电路，并且按照设计的实验步骤进行实验。
4 设计性实验教学模式效果反馈
在平时的教学过程中，选取三个班级采用传统的大学物理实验教学方法[11]，选取另外的三个班级采用设计性实验教学模式[12]，经过一学期的教学过程，对授课学生进行问卷调查，学生对设计性实验教学模式反馈如下，一是该教学模式提升了自身的学习兴趣，更有动力去探索未知的问题，二是从被动地接受知识转化为主动地、自觉地吸收知识，三是学生通过查阅大量资料，无论是阅读小论文，还是网上查阅相关文献、新闻，都无形中增强了学生查阅书刊资料的能力，四是学生在设计实验过程中能够积极分工，明确各自责任，在实验过程中也能够进行互相协作，增强了学生的团队合作能力，五是学生能够积极准备实验器材，当在实验过程中遇到困难时，能够独立思考，尽自己最大努力解决实验设计中存在的一些问题，同时也能够积极处理实验过程中遇到的某些问题。统计了学生对两种教学模式的兴趣程度，其中，学生对设计性实验教学模式[13]的感兴趣程度为96.5%，而对传统的实验教学模式感兴趣程度为80.10%。
开展设计性实验教学模式以后，授课教师对教学过程积极反思，有以下体会，一是教师需要进一步更新教育理念，始终要以培养创新型人才为根本宗旨，突出学习过程中实践的重要性，积极引导学生改变学习理念及实验方式，让学生学会在合作中学习，积极促进学生自主学习的能力。二是作为教师要与时俱进，教师要不断学习对应学科领域最前沿的知识，不断更新自身的知识体系，能够整理自己的知识库和素材库，充分了解实验室的各种教学资源和各种仪器，能够积极将理论知识应用于实践，科学地、合理地处理教学过程中遇到的各种问题，不断增强自身处理各种仪器故障的能力，能够熟练掌握各种仪器的操作，能够处理学生在实验过程中遇到的一些常见的问题。三是教师在教学过程中要积极申报相应的研究课题，通过一定的课题的研究，进一步总结教学模式及教学经验，提高教师的教学能力。总之，通过设计性实验教学模式的开展，教师的综合素质有了一定的提升。
学期末对两种教学模式对应的教学班的成绩进行分析，分别从课程优秀率、课程平均分、不及格率及学生评教等级进行分析，如下表所示。
5 结论
综合以上的分析和研究成果，结果表明大学物理实验教学中采用设计性实验教学模式，能够在一定程度上激发学生学习大学物理的兴趣，不仅增强了学生的逻辑思维能力，而且促进了学生独立创新的能力，能够适应应用型本科院校实验教学的要求，更符合“新工科”人才发展的方向。
参考文献：
[1]何仲，康小平，赵鲁梅，等.大学物理创新实验實训研究与实践[J].科技教育，2018，11：149.
[2]徐玮婧，刘婷，杨骏骏，等.大学物理实验的混合式教学应用初探[J].物理实验，2018，12（38）：9293.
[3]黄凯，曹进，常峰.大学物理实验教学酌思考[J].内江科技，2019，1：106.
[4]林二妹.大学物理实验教学改革的研究与实践[J].装备制造技术，2018，11：217218.
[5]彭柯铭，陈健，尹志新，等.大学物理实验培养动手能力的探讨[J].教育教学论坛，2018，1：277278.
[6]陈鹏，杨阳，冯学超，等.数字电表原理及万用表设计实验教学模式探讨[J].物理与工程，2017，3（27）：2527.
[7]郭艳蕊，严慧羽，郝清海，等.现代工程教育背景下大学物理实验的教学探索[J].科技创新导报，2018，35：160161.
[8]刘军华，喻霞，肖楚.新工科背景下实施大学物理实验混合式教学的探讨[J].教育教学，2018，11：58.
[9]辛萍.应用型本科院校的物理实验教学新模式研究[J].科技展望，2017，3：196.
[10]张昉.应用型高校大学物理实验课程教学改革之我见[J].天中学刊，2018，6（33）：156.
[11]刘艳，陈仁安.应用型人才培养模式下大学物理实验教学改革[J].阴山学刊，2018，2（32）：144.
[12]崔秀花，高蕊，徐继微，等.有效衔接基础性实验与设计性实验的探究[J].大学物理实验，2017，5（30）：87.
[13]杨迪，孙丽媛，周永军，等.在大学物理实验课程中创新人才培养的研究与实践[J].大学物理实验，2017，6（30）：139141.
作者简介：赵朝军（1986— ），男，汉族，陕西陇县人，硕士，讲师，研究方向：大学物理实验教学方法。