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设计性物理实验是一种新的教学模式，实践证明它能很好地培养学生的创新能力。为了能更好地组织和开展设计性物理实验，有必要对设计性物理实验的学习方法与实施策略等问题进行相关研究。
大学物理实验教学改革的发展趋势
在实验教学中，重视学生的动手能力和创新能力的培养，努力营造提高学生的科学素质、创新能力和充分调动学生的自主能动性的环境，构建设计性实验教学的新体系，是深化高等学校物理实验教学改革的发展趋势。实验教学体系的建立要参照以下两个方面的原则:一是系统化原则，具体来说就是进行专业调整，打破课程的界限。要从专业整体和学生发展的角度来考虑，学生应该具备什么样的实验理论和技能，实验将相关要素构成科学合理的体系；另外一个是阶段性原则，实验课的设立要考虑到不同层次，不同专业的需要和理论的协调。因此，物理实验教学要分层次和模块化。我院的普通物理实验课程培养方案，以物理实验课程内容改革为切入点，实施物理实验分层次教学平台建设。“普通物理实验”课程整体依照由浅入深的认识规律，按实验内容分三个层次进行教学设计。第一层次基础性实验，注重基本实验技能培养，学习基本物理量的观测技术方法及其正确的实验数据记录、分析处理、实验结果的准确描述和规范实验报告。第二层次综合性实验，充分体现物理研究实际过程，注重实验方法的综合运用，培养学生综合分析和科技创新能力。第三层次设计性实验，注重基本物理现象的观测及研究方法，学习实验设计方法。应该说，第一层次强调基本技能训练，第二层次突出实验综合能力的培养，其教学过程更专注于实验的物理内涵和物理现象的探索，第三层次培养学生从事科学实验的创新能力。为了达到普通物理实验课程的分层次教学目标，我们对普通物理实验项目进行了整合。使实验项目安排分别注重实验原理和实验技术两方面，注重物理研究的内在联系。如开出模块化的示波器系列实验、分光计系列实验和电位差计系列实验等。实验相关项目构成课程的单元，由这些实验单元组合成实验课程整体，使整个实验课程一体化。进一步根据课程的教学目标要求，对实验相关子集中每一项目的教学重点进行调整，使实验教学内容体现层次结构。在物理实验分层次教学实施过程中，第一层次和第二层次实验项目的教学内容面向所有学习物理实验的学生，第三层次项目内容则进一步分“通才”要求和“专才”要求来设置。前者定位于满足所有本科学生教学需要，但在传统的实验方法上有所提高，有所创新，也有自己的教学特色；后者体现了综合创新及使用现代化测量手段，它面向学有余力的优良和优秀学生，满足“优生优培”的教学需要。
物理实验教学的现状分析
大学物理实验教学普遍存在实验教学效果较差，实践能力培养收效不大，学生动手能力不强的状况，其原因可概括为以下几个方面。
1.对实验教学认识不足。由于在教育过程中重视理论和考试，造成学生对实验和实践的重要作用认识不足，客观上形成了教师在黑板上教实验，学生背书本实验的应试教育模式，没有发挥实验对消化、加深理解理论知识的互动作用。在实验的教学设计上以教师为主体，学生被动接受，还有部分学生上实验课不认真，对待实验采取应付的态度。这样就达不到通过实验课培养学生的动手能力和创新能力的目的。
2.项目选择缺乏创新性和综合性。实验项目选择是以验证性实验为主，缺乏有助于培养学生创新能力和实践能力的综合性和设计性实验。由于学生无法深入探究和了解实验的整个过程，只能按实验指导书的规定进行验证性操作，实验设计的主动性不掌握在学生手上，更谈不上创新活动。这样的实验体系束缚了学生的创新潜力，不利于培养学生自主设计的能力。
针对实验教学存在的弊端，国内高等学校开展了新世纪教育改革工程，一些大学对物理实验项目进行了模块化设计，将物理实验分为基础实验、综合性实验和设计性实验几个模块，删除了一些内容陈旧对培养学生能力作用不大的题目，将原来的力、热、光、电磁三个学期的实验整合为预备性、基础性、基础应用和综合设计性实验这四个阶段，建构了新的实验教学体系。总的来说，大多数高校大学物理实验的内容都包含有综合性、设计性物理实验的内容，并且综合性、设计性物理实验在大学物理实验教学内容中所占的比例呈逐年上升趋势。
开展设计性物理实验教学的理论基础
进步主义教育理论认为“由直接经验激励的兴趣是学习的最好刺激”，“教师应当是学习活动的引导者和教育资源的提供者”。进步主义教育既是发生在美国教育界的一场运动，同时也是致力于将学习者从机械学习、背诵课本及教师权威中解放出来的一种理念，进步主义教育提倡多种教育形式如设计实验、问题解决、项目学习等，进步主义教育更多关注的是学习者而不是学科本身，更多地强调活动和经验而不是口头和书面表达技巧。总体来讲，进步主义教育把教与学看作是一个积极主动的、富有创造性的、令人激动的变化过程。在皮亚杰的建构主义学习模式下，学习被视为一个动态的过程，学习者并不是把知识直接从外界搬到记忆中，而是以已有的经验为基础通过与外界的相互作用来获取、建构新知识的过程。学习的过程是通过学习与外部环境的相互作用，实现同化和顺应，来逐步建构有关外部知识的内部图式，从而使自身的认知结构得以转换和发展。在这种学习中，学生要主动建构客观事物及其关系的表征，这种建构是自己主动对新信息加工而成的，因此这种学习更加强调学习的主动性、情景性、协作性。建构主义提倡的是一种更加开放的学习，这种模式中教师和学生的作用也有了新的定位，学生不再是教学内容的被动接受者，而是知识的主动获取和建构者；教师从以教授知识为主变成以辅导学生的学习为主，成为学生建构意义的指导者。总的来讲，设计性物理实验秉承了进步主义教育理论的精神，淡化了教材的概念，强调学生的自主性和实际动手操作，不再强调教师的权威性，即教师不再主宰学生的学习而是变成学生学习的引导者，学生可以自由地和教师交换想法和意见。而设计性物理实验的学习模式重心在于通过对物理实验的设计，让学生自主地建构和完善自己的认知结构，这种学习模式把设计性物理实验大体上分为三个阶段，即冲突阶段、建构阶段和应用阶段。在冲突阶段，教师要积极地创设问题情境，引发学生的认知冲突，学生则积极地搜索已有的认知结构，为认知结构的转换奠定基础。在建构阶段，由冲突而引发学生的探索欲望，学生对冲突中出现的新问题进行研究和分析，借助有效的学习和思维策略解决冲突。这种教学模式充分体现了建构主义学习观和布鲁纳的认知结构学习理论，重视学生在知识内化的过程中探索研究的作用，重视教学过程中有关问题情景的创设，重视知识结构的创新。
设计性物理实验教学目标的实施
设计性物理实验要求学生自行设计和选择合理的实验方案，并在实验过程中检验其正确性。因此，设计性实验教学的核心是设计和选择实验方案，并检验方案的正确性与合理性。实验设计时应注意以下问题：
1.实验方案的选择与审定。设计性实验课题确定后，教师对学生的实验方案设计审定是设计性实验教学中的一个重要环节，教师在审定实验方案的过程中，对学生的设计方案应给予必要的指导，和学生共同修订设计方案，从研究实验方案的可行性、设计思想、实验方法、实验手段、显示方式等方面入手，培养学生的想象能力和创造性思维能力。
2.实验方案的指导。学生根据实验课题的要求和所研究的问题，查阅参考资料来解决有关问题。教师可以介绍一些查阅资料的方法，指出相关资料的来源，通过指导学生查阅资料和修改实验方案，培养学生的自学能力、分析问题和解决问题的能力。
3.实验方法的选择。指导学生根据实验课题的要求和研究对象，收集各种可能的实验方法，即根据一定的物理原理，确定在被测量与可测量之间建立关系的各种可能的方法。然后，比较各种实验方法所能达到的实验精度、实验条件及实施的可能性，以便确定“最佳”实验方法，或选择其中几种分别进行试验后，确定“最佳”实验方法。
4.测量方法的选择。实验方法选定后，为使各物理量测量结果的误差最小，需要进行误差来源及误差传递分析，并根据可能提供的仪器确定合适具体的测量方法。因为测量一个物理量，可能有多种测量方法可供选用。
5.测量仪器的选择。实验方法和实验方案确定后，应合理选择测量仪器，充分发挥实验仪器的作用，有效地进行实验。对于设计性实验，仪器、装置的合理选择及正确的搭配对于实验测量至关重要。
6.测量条件的选择。确定测量的最有利条件，也就是确定在什么条件下进行测量引起的误差最小。实验条件的选择是否恰当，对于实验的成败和效果影响很大。实验装置和器材是影响实验条件的因素之一，在选择实验装置和器材时应注意满足实验所要求的条件。
7.实验成绩的评价。设计性实验的多样性特性决定了实验评价方式的创新性。既然设计性实验有其本质上的独特性，所以对实验结果的评价也不能像针对以前的实验那样，单凭预习报告和实验报告就给定分数。在设计性实验中，学生可能要经历多次的失败，多次的尝试，最后却不一定能获得成功。因此，我们必须建立一种着重体验实验过程，着重培养学生自己体会、理解和创新的评价体系，才能适应设计性实验发展的要求。
结束语
综合设计性实验评价体系的创造性体现在以下几个方面:（1）强调多元化评价。一是评价主体的多元化，除了将教师作为评价主体之外，还应有实验团队的评价和个人自我评价部分；二是评价过程的多元化，评价的标准不仅是看实验结果，而是把整个实验过程当成整体，对全过程进行评价，特别是对于学生修正的过程也要给予正确的评判，以此促进学生创造性思维能力和科学素质的培养。（2）注重个体差异性，使评价个性化。任何仅以一种智力评价标准来评价一个人的智力水平是片面的，不科学的。在设计性实验评价中，教师应该把握住学生个体的实际情况和差异性，在评价中应该注意到学生各方面的表现，而不应该只单纯用实验数据结果和实验报告来衡量学生的成绩。（3）关注评价过程中所反映的动态变化。在一般的实验中，教师关注得更多的是实验的预习报告、实验数据和实验数据这些静态指标。而在综合设计性实验中，评价更要关注的是实验过程中的动态评价，即学生的成长变化。实验过程本身就是一个学生的经验、情感的交流、合作与碰撞的过程，是动态变化的。作为教师，应当时刻关注这些动态的变化，恰当地给学生评价和指导。
与一般的常规物理实验相比，设计性实验更注意了调动学生学习的主动性和积极性，开拓学生的智力，培养和发挥学生创造设计的能力。
大学物理实验教学改革的发展趋势
在实验教学中，重视学生的动手能力和创新能力的培养，努力营造提高学生的科学素质、创新能力和充分调动学生的自主能动性的环境，构建设计性实验教学的新体系，是深化高等学校物理实验教学改革的发展趋势。实验教学体系的建立要参照以下两个方面的原则:一是系统化原则，具体来说就是进行专业调整，打破课程的界限。要从专业整体和学生发展的角度来考虑，学生应该具备什么样的实验理论和技能，实验将相关要素构成科学合理的体系；另外一个是阶段性原则，实验课的设立要考虑到不同层次，不同专业的需要和理论的协调。因此，物理实验教学要分层次和模块化。我院的普通物理实验课程培养方案，以物理实验课程内容改革为切入点，实施物理实验分层次教学平台建设。“普通物理实验”课程整体依照由浅入深的认识规律，按实验内容分三个层次进行教学设计。第一层次基础性实验，注重基本实验技能培养，学习基本物理量的观测技术方法及其正确的实验数据记录、分析处理、实验结果的准确描述和规范实验报告。第二层次综合性实验，充分体现物理研究实际过程，注重实验方法的综合运用，培养学生综合分析和科技创新能力。第三层次设计性实验，注重基本物理现象的观测及研究方法，学习实验设计方法。应该说，第一层次强调基本技能训练，第二层次突出实验综合能力的培养，其教学过程更专注于实验的物理内涵和物理现象的探索，第三层次培养学生从事科学实验的创新能力。为了达到普通物理实验课程的分层次教学目标，我们对普通物理实验项目进行了整合。使实验项目安排分别注重实验原理和实验技术两方面，注重物理研究的内在联系。如开出模块化的示波器系列实验、分光计系列实验和电位差计系列实验等。实验相关项目构成课程的单元，由这些实验单元组合成实验课程整体，使整个实验课程一体化。进一步根据课程的教学目标要求，对实验相关子集中每一项目的教学重点进行调整，使实验教学内容体现层次结构。在物理实验分层次教学实施过程中，第一层次和第二层次实验项目的教学内容面向所有学习物理实验的学生，第三层次项目内容则进一步分“通才”要求和“专才”要求来设置。前者定位于满足所有本科学生教学需要，但在传统的实验方法上有所提高，有所创新，也有自己的教学特色；后者体现了综合创新及使用现代化测量手段，它面向学有余力的优良和优秀学生，满足“优生优培”的教学需要。
物理实验教学的现状分析
大学物理实验教学普遍存在实验教学效果较差，实践能力培养收效不大，学生动手能力不强的状况，其原因可概括为以下几个方面。
1.对实验教学认识不足。由于在教育过程中重视理论和考试，造成学生对实验和实践的重要作用认识不足，客观上形成了教师在黑板上教实验，学生背书本实验的应试教育模式，没有发挥实验对消化、加深理解理论知识的互动作用。在实验的教学设计上以教师为主体，学生被动接受，还有部分学生上实验课不认真，对待实验采取应付的态度。这样就达不到通过实验课培养学生的动手能力和创新能力的目的。
2.项目选择缺乏创新性和综合性。实验项目选择是以验证性实验为主，缺乏有助于培养学生创新能力和实践能力的综合性和设计性实验。由于学生无法深入探究和了解实验的整个过程，只能按实验指导书的规定进行验证性操作，实验设计的主动性不掌握在学生手上，更谈不上创新活动。这样的实验体系束缚了学生的创新潜力，不利于培养学生自主设计的能力。
针对实验教学存在的弊端，国内高等学校开展了新世纪教育改革工程，一些大学对物理实验项目进行了模块化设计，将物理实验分为基础实验、综合性实验和设计性实验几个模块，删除了一些内容陈旧对培养学生能力作用不大的题目，将原来的力、热、光、电磁三个学期的实验整合为预备性、基础性、基础应用和综合设计性实验这四个阶段，建构了新的实验教学体系。总的来说，大多数高校大学物理实验的内容都包含有综合性、设计性物理实验的内容，并且综合性、设计性物理实验在大学物理实验教学内容中所占的比例呈逐年上升趋势。
开展设计性物理实验教学的理论基础
进步主义教育理论认为“由直接经验激励的兴趣是学习的最好刺激”，“教师应当是学习活动的引导者和教育资源的提供者”。进步主义教育既是发生在美国教育界的一场运动，同时也是致力于将学习者从机械学习、背诵课本及教师权威中解放出来的一种理念，进步主义教育提倡多种教育形式如设计实验、问题解决、项目学习等，进步主义教育更多关注的是学习者而不是学科本身，更多地强调活动和经验而不是口头和书面表达技巧。总体来讲，进步主义教育把教与学看作是一个积极主动的、富有创造性的、令人激动的变化过程。在皮亚杰的建构主义学习模式下，学习被视为一个动态的过程，学习者并不是把知识直接从外界搬到记忆中，而是以已有的经验为基础通过与外界的相互作用来获取、建构新知识的过程。学习的过程是通过学习与外部环境的相互作用，实现同化和顺应，来逐步建构有关外部知识的内部图式，从而使自身的认知结构得以转换和发展。在这种学习中，学生要主动建构客观事物及其关系的表征，这种建构是自己主动对新信息加工而成的，因此这种学习更加强调学习的主动性、情景性、协作性。建构主义提倡的是一种更加开放的学习，这种模式中教师和学生的作用也有了新的定位，学生不再是教学内容的被动接受者，而是知识的主动获取和建构者；教师从以教授知识为主变成以辅导学生的学习为主，成为学生建构意义的指导者。总的来讲，设计性物理实验秉承了进步主义教育理论的精神，淡化了教材的概念，强调学生的自主性和实际动手操作，不再强调教师的权威性，即教师不再主宰学生的学习而是变成学生学习的引导者，学生可以自由地和教师交换想法和意见。而设计性物理实验的学习模式重心在于通过对物理实验的设计，让学生自主地建构和完善自己的认知结构，这种学习模式把设计性物理实验大体上分为三个阶段，即冲突阶段、建构阶段和应用阶段。在冲突阶段，教师要积极地创设问题情境，引发学生的认知冲突，学生则积极地搜索已有的认知结构，为认知结构的转换奠定基础。在建构阶段，由冲突而引发学生的探索欲望，学生对冲突中出现的新问题进行研究和分析，借助有效的学习和思维策略解决冲突。这种教学模式充分体现了建构主义学习观和布鲁纳的认知结构学习理论，重视学生在知识内化的过程中探索研究的作用，重视教学过程中有关问题情景的创设，重视知识结构的创新。
设计性物理实验教学目标的实施
设计性物理实验要求学生自行设计和选择合理的实验方案，并在实验过程中检验其正确性。因此，设计性实验教学的核心是设计和选择实验方案，并检验方案的正确性与合理性。实验设计时应注意以下问题：
1.实验方案的选择与审定。设计性实验课题确定后，教师对学生的实验方案设计审定是设计性实验教学中的一个重要环节，教师在审定实验方案的过程中，对学生的设计方案应给予必要的指导，和学生共同修订设计方案，从研究实验方案的可行性、设计思想、实验方法、实验手段、显示方式等方面入手，培养学生的想象能力和创造性思维能力。
2.实验方案的指导。学生根据实验课题的要求和所研究的问题，查阅参考资料来解决有关问题。教师可以介绍一些查阅资料的方法，指出相关资料的来源，通过指导学生查阅资料和修改实验方案，培养学生的自学能力、分析问题和解决问题的能力。
3.实验方法的选择。指导学生根据实验课题的要求和研究对象，收集各种可能的实验方法，即根据一定的物理原理，确定在被测量与可测量之间建立关系的各种可能的方法。然后，比较各种实验方法所能达到的实验精度、实验条件及实施的可能性，以便确定“最佳”实验方法，或选择其中几种分别进行试验后，确定“最佳”实验方法。
4.测量方法的选择。实验方法选定后，为使各物理量测量结果的误差最小，需要进行误差来源及误差传递分析，并根据可能提供的仪器确定合适具体的测量方法。因为测量一个物理量，可能有多种测量方法可供选用。
5.测量仪器的选择。实验方法和实验方案确定后，应合理选择测量仪器，充分发挥实验仪器的作用，有效地进行实验。对于设计性实验，仪器、装置的合理选择及正确的搭配对于实验测量至关重要。
6.测量条件的选择。确定测量的最有利条件，也就是确定在什么条件下进行测量引起的误差最小。实验条件的选择是否恰当，对于实验的成败和效果影响很大。实验装置和器材是影响实验条件的因素之一，在选择实验装置和器材时应注意满足实验所要求的条件。
7.实验成绩的评价。设计性实验的多样性特性决定了实验评价方式的创新性。既然设计性实验有其本质上的独特性，所以对实验结果的评价也不能像针对以前的实验那样，单凭预习报告和实验报告就给定分数。在设计性实验中，学生可能要经历多次的失败，多次的尝试，最后却不一定能获得成功。因此，我们必须建立一种着重体验实验过程，着重培养学生自己体会、理解和创新的评价体系，才能适应设计性实验发展的要求。
结束语
综合设计性实验评价体系的创造性体现在以下几个方面:（1）强调多元化评价。一是评价主体的多元化，除了将教师作为评价主体之外，还应有实验团队的评价和个人自我评价部分；二是评价过程的多元化，评价的标准不仅是看实验结果，而是把整个实验过程当成整体，对全过程进行评价，特别是对于学生修正的过程也要给予正确的评判，以此促进学生创造性思维能力和科学素质的培养。（2）注重个体差异性，使评价个性化。任何仅以一种智力评价标准来评价一个人的智力水平是片面的，不科学的。在设计性实验评价中，教师应该把握住学生个体的实际情况和差异性，在评价中应该注意到学生各方面的表现，而不应该只单纯用实验数据结果和实验报告来衡量学生的成绩。（3）关注评价过程中所反映的动态变化。在一般的实验中，教师关注得更多的是实验的预习报告、实验数据和实验数据这些静态指标。而在综合设计性实验中，评价更要关注的是实验过程中的动态评价，即学生的成长变化。实验过程本身就是一个学生的经验、情感的交流、合作与碰撞的过程，是动态变化的。作为教师，应当时刻关注这些动态的变化，恰当地给学生评价和指导。
与一般的常规物理实验相比，设计性实验更注意了调动学生学习的主动性和积极性，开拓学生的智力，培养和发挥学生创造设计的能力。