郭 峰

西安石油大學(xué) 油氣資源學(xué)院，陜西 西安 710065

以設(shè)計實驗為導(dǎo)向的實驗課教學(xué)改革與探索
——以地質(zhì)類院?！坝蛯游锢怼闭n程為例

郭 峰

西安石油大學(xué) 油氣資源學(xué)院，陜西 西安 710065

開展設(shè)計性實驗是“油層物理”課程實驗教學(xué)改革中的一個重要方面。本文就實驗課教學(xué)改革的必要性、內(nèi)容、開課程序、實施效果和出現(xiàn)的問題等方面進行了探討，提出了對設(shè)計性實驗的幾點探索和設(shè)想。

實驗教學(xué)；油層物理；地質(zhì)

高校實驗室和實驗教學(xué)是理論與實踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的重要環(huán)節(jié)[1-2]。設(shè)計性實驗是在實驗教學(xué)改革中出現(xiàn)的一種新的實驗類型，由于它著眼于開發(fā)學(xué)生的智力，注意培養(yǎng)學(xué)生進行科學(xué)實驗的能力與素養(yǎng)，有利于造就具有開拓精神和創(chuàng)新能力的人才，所以一開始就受到了教學(xué)工作者的重視。

設(shè)計性實驗就是指學(xué)生根據(jù)一定的實驗?zāi)康?、要求和實驗條件，通過查閱相關(guān)文獻由學(xué)生自行設(shè)計實驗方案，并獨立完成的一種具有一定探索性和創(chuàng)新性的實驗。從組裝儀器、實驗操作和記錄實驗現(xiàn)象，通過敏銳觀察、嚴密分析實驗結(jié)果并寫出論文或?qū)嶒瀳蟾?。設(shè)計性實驗可以培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻資料獲得信息的能力、解決實際問題的能力、獨立進行科學(xué)研究的能力和創(chuàng)新能力以及組織管理能力[3-4]等，可以激發(fā)學(xué)生的思維活動，提高學(xué)生探索新問題的興趣，是實現(xiàn)素質(zhì)教育的良好途徑，是深化實驗教學(xué)改革提高實驗教學(xué)質(zhì)量，改革實驗教學(xué)模式，適應(yīng)人才培養(yǎng)需要的重要舉措。對于初次接觸設(shè)計性實驗的同學(xué)來說，樹立正確的設(shè)計理念是非常重要的。正確的設(shè)計理念應(yīng)該包括設(shè)計實驗科學(xué)嚴謹性、準確度和可靠性以及方法的多樣性[5]。

一、教學(xué)改革的必要性

很多學(xué)生重理論、輕實驗，實驗時表現(xiàn)出無所謂的態(tài)度，比如實驗過程缺乏主動性，不去積極探索、創(chuàng)新；實驗技術(shù)水平和教學(xué)質(zhì)量更多地滿足于基礎(chǔ)性實驗環(huán)節(jié)，缺乏系統(tǒng)的綜合性、設(shè)計性和研究性實驗環(huán)節(jié)，尤其在利用多種現(xiàn)代化實驗手段、方法和工具對實驗過程中的結(jié)果和現(xiàn)象進行深入分析研究方面，存在較大的差距。

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)多采用注入式的教學(xué)方法，其實驗內(nèi)容是實驗教材規(guī)定的，實驗教材詳細介紹實驗原理、實驗步驟，甚至包括某些實驗現(xiàn)象，使學(xué)生只能按部就班地進行操作，數(shù)據(jù)類似、實驗報告千篇一律。這種教學(xué)模式雖然有助于理論知識的鞏固，但學(xué)生會產(chǎn)生很大的依賴性，束縛了學(xué)生的主觀能動性，也激發(fā)不了學(xué)生對實驗的興趣和創(chuàng)新欲望，實驗教學(xué)效果自然就不很理想。不能鍛煉學(xué)生的獨立操作以及分析問題和解決問題的能力。

以“孔隙度的測定”實驗為例。(1）實驗內(nèi)容:用游標卡尺直接測量巖樣的外表體積。用氣測孔隙度測定儀，以氮氣為工作介質(zhì)，測量巖樣的固相顆粒體積坎和巖樣的孔隙體積，然后將測定參數(shù)直接代入公式，驗證孔隙度定義。(2）實驗儀器設(shè)備:氣測孔隙度測定儀、巖心夾持器、巖心、游標卡尺、盒式氣壓計、氮氣瓶。(3）實驗原理:孔隙度表示巖石單位體積內(nèi)所含孔隙空間的百分數(shù)，其定義為巖石孔隙體積與其巖石外表體積之比。(4）實驗步驟:(略）。

可以看出，實驗內(nèi)容、實驗儀器、實驗原理及實驗操作步驟等等，都已經(jīng)準備好了，學(xué)生只需要按照實驗指導(dǎo)書的“命令”行事，機械操作，“照方配藥”，類似結(jié)論，難以激發(fā)學(xué)生興趣，有的學(xué)生甚至抄襲同學(xué)的實驗結(jié)果，實驗教學(xué)效果可想而知。

至于設(shè)計性實驗，則是采用實驗任務(wù)書的形式，只列出基本實驗任務(wù)，提出設(shè)計要求和預(yù)期達到的目的[6]。要求學(xué)生按實驗任務(wù)書的要求預(yù)習(xí)有關(guān)教材和查閱參考資料，提出實驗方案，聽取指導(dǎo)教師的意見。實驗方案確定后，便由實驗室提供需用的儀器設(shè)備，獨立完成操作。必要時實驗室還可采用陳列實物和播放錄像片等方式介紹有關(guān)設(shè)備的性能，使學(xué)生得以了解而選用。在整個過程中，教師主要起到引導(dǎo)的作用。

設(shè)計性實驗，不僅是讓學(xué)生進一步理解和掌握實驗理論，更重要的是通過這種實踐活動，讓學(xué)生了解、體會前人的實驗思想和方法，并以這種思想方法為指導(dǎo)，學(xué)會設(shè)計、制作、研究，培養(yǎng)他們從事科學(xué)實驗的基本素質(zhì)和開創(chuàng)性的科研能力，培育具有創(chuàng)新精神、挑戰(zhàn)能力及豐富知識結(jié)構(gòu)的具有現(xiàn)代活力的人才，而不是培養(yǎng)模仿前人、照搬經(jīng)驗的機械性人才，這是學(xué)以致用的根本問題。所以實驗教學(xué)的重點應(yīng)放在對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)上，給他們發(fā)揮創(chuàng)造性的空間，為他們提供必要的條件，使他們真正有機會去思考、想象、設(shè)計創(chuàng)新，只有這樣，才會使學(xué)生科學(xué)實驗的基本素質(zhì)和開創(chuàng)性的科研能力得到提高。

二、教學(xué)改革探索

為了提高實驗教學(xué)質(zhì)量，近年筆者嘗試在目前已有的條件下改革“油層物理”實驗課教學(xué)方法，設(shè)計實驗課教學(xué)。主要思路是根據(jù)“油層物理”實驗性強的特點，大膽探索“以設(shè)計實驗為導(dǎo)向的“油層物理”教學(xué)方法，也就是給定實驗任務(wù)，讓學(xué)生自己動手設(shè)計實驗，驗證或測定相關(guān)的物理參數(shù)或現(xiàn)象，這不僅提高了學(xué)生的動手能力，還開闊了學(xué)生的創(chuàng)新思維、研究思路，激發(fā)學(xué)生對實驗課的學(xué)習(xí)興趣。

1.教學(xué)方法改革

從我國目前地質(zhì)類高校情況來看，“油層物理”設(shè)計性實驗的教學(xué)很少，其根本原因有3點:一是大部分高校已經(jīng)具備可用于教學(xué)的各種“油層物理”實驗條件，不愿意再投入精力去開展設(shè)計性實驗教學(xué)；二是缺少與之配套的較為完善的參考材料和輔助教材；三是設(shè)計性實驗的開展需要完善的實踐教學(xué)體系，包括教學(xué)方法、配套實驗室以及時間的分配等，有些院校達不到較好的開展設(shè)計性試驗教學(xué)的基本條件。如果能解決這3個問題，將自己動手的設(shè)計性實驗真正地用于實驗教學(xué)之中，必將會進一步完善“油層物理”實踐教學(xué)的教學(xué)體系。

首先，加強并改革實驗室建設(shè)，保障設(shè)計實驗教學(xué)條件。 除了購買常規(guī)實驗儀器、材料外，還要為設(shè)計實驗提供一定的經(jīng)費支持，各種設(shè)計實驗的實驗材料、實驗藥品的購置，實驗室場地等等。

其次，自編實驗教材，完善“油層物理”實踐教學(xué)體系。對于學(xué)生實驗的設(shè)計要有一個指導(dǎo)思想和材料，如設(shè)計性實驗項目的可操作性、實驗方案的設(shè)計要求等。

再次，鼓勵學(xué)生在實驗過程中發(fā)現(xiàn)問題及解決問題。學(xué)生以組為單位按照實驗設(shè)計的方案進行，要求學(xué)生對實驗步驟、實驗中出現(xiàn)的問題及其解決方法及時記錄，大家共同討論，教師適當誘導(dǎo)，指導(dǎo)學(xué)生針對問題去進行查找文獻或進行實驗來解決。這樣，整個實驗過程中不斷有不同的問題出現(xiàn)，激發(fā)學(xué)生實驗探究興趣。使實驗過程成為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨立探索的過程[7]。

一般設(shè)計性實驗的開展包括選題、資料查閱、實驗方案的設(shè)計、實驗的執(zhí)行及撰寫實驗報告。

(1）設(shè)計實驗的選題。

教師根據(jù)實驗室情況和學(xué)生具體情況擬定幾個不同的題目供學(xué)生選擇，學(xué)生在設(shè)計性實驗開設(shè)前從可選題目中任選1～2個。對設(shè)計性實驗選題時可行性的考慮，它既是學(xué)生經(jīng)過努力可以完成的課題，包括時間、能力和知識面等方面，還應(yīng)注意到實驗室的適應(yīng)能力和管理水平，如實驗室的技術(shù)管理和財物管理。因為學(xué)生一經(jīng)發(fā)動，在設(shè)計性實驗過程中提出的想法、思想往往是非?；钴S和廣泛的，指導(dǎo)教師和實驗室各個層次能否從現(xiàn)有的條件出發(fā)，對學(xué)生的要求予以配合和滿足，引導(dǎo)和幫助，從而進一步啟發(fā)他們完成有關(guān)的具體測試任務(wù)，也就是說能否充分發(fā)揮實驗設(shè)備的效益，進而開拓一定的應(yīng)變能力。

(2）針對設(shè)計性實驗的資料查閱和實驗方案設(shè)計。

學(xué)生選題后，由教師指導(dǎo)學(xué)生查閱資料的方法，并發(fā)給學(xué)生一些與實驗有關(guān)的關(guān)鍵性資料，供學(xué)生預(yù)習(xí)準備。由于剛開始開展設(shè)計性實驗的時候，大多學(xué)生缺少實踐經(jīng)驗，他們設(shè)計的實驗方案一般都有“初擬”和“修正”的過程[7]，所以學(xué)生完成一個設(shè)計性實驗，需4個學(xué)時，分兩次完成。第一次實驗時先由教師講授，然后學(xué)生拿自己設(shè)計的實驗方案在教師的組織下進行分組討論。在討論過程中，教師有意識地引導(dǎo)學(xué)生，將學(xué)生在初步設(shè)計中已經(jīng)考慮到的和尚未考慮到的但在實驗中可能出現(xiàn)的各類現(xiàn)象、各類問題加以討論，要求學(xué)生針對實驗的各環(huán)節(jié)闡述自己的設(shè)計思想，其他同學(xué)可以提問或相互補充。在兩次實驗之間，學(xué)生可以利用課余時間充分醞釀。第二次實驗時，學(xué)生即可全面展開實驗。

(3）學(xué)生自主完成實驗和撰寫實驗報告。

設(shè)計方案基本確定后，實驗的全過程由學(xué)生自己組織完成。實驗中學(xué)生會碰到許多問題，教師引導(dǎo)分析原因，使其加深對有關(guān)知識的理解。在設(shè)計性實驗階段，實驗室全天開放，學(xué)生可在上課之余自主安排實驗時間，以便更好地完成實驗。最后按照實驗要求，撰寫標準、規(guī)范的實驗報告。包括實驗?zāi)康摹嶒瀮?nèi)容、實驗原理、實驗儀器、實驗步驟及方法、實驗數(shù)據(jù)及整理、實驗結(jié)果數(shù)據(jù)結(jié)論及討論等。

(4）設(shè)計性實驗的評價。

確定一個切實可行、科學(xué)合理的評價標準，才能有效地保證設(shè)計性實驗的順利進行，使學(xué)生在實驗過程中付出艱辛勞動得到認可和肯定，最后確認實驗?zāi)康暮团囵B(yǎng)目標是否完成[8]。

設(shè)計性實驗評價標準主要包括3個方面:①設(shè)計性實驗的選題方向正確與否。選題要符合設(shè)計性實驗任務(wù)書要求，不可脫離實際，違背科學(xué)，否則選題是不符合要求的。②設(shè)計性實驗的基本原理是否科學(xué)合理。就是要求設(shè)計性實驗一切從實際出發(fā)，經(jīng)得起科學(xué)的檢驗。不要求實驗一定要出大成果或要出正確的結(jié)果，因為實驗的目的就是探索和發(fā)現(xiàn)內(nèi)在的發(fā)展規(guī)律，否則將失去實驗本身的意義。③設(shè)計性實驗是否安全與環(huán)保。就是看設(shè)計性實驗在選題立項時，是否周密的考慮到安全和環(huán)境保護問題。如噪聲、病菌、壓力容器、電磁輻射、有毒有害物等對大氣、水及環(huán)境污染和對參與者的損害。面對這些污染可能需要有一個明確的，行之有效的控制計劃和具體的防止措施。

2.考核方法改革

“油層物理”實驗課成績考核辦法也做相應(yīng)改革，由原來傳統(tǒng)的單一撰寫實驗報告方式考核改為設(shè)計性實驗成績綜合考核，考核內(nèi)容包括3部分:一是實驗的設(shè)計方案，占30%，設(shè)計性實驗方案要求設(shè)計合理，具有較好的可執(zhí)行性。這是做好實驗的基礎(chǔ)。二是實驗的執(zhí)行，占30%，在執(zhí)行方案的過程中，訓(xùn)練實驗技能技巧，鍛煉發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。三是實驗報告或論文的撰寫，占40%，要求學(xué)生撰寫實驗報告。報告要符合要求，內(nèi)容完整、表達清晰、數(shù)據(jù)準確。實驗報告也是全部設(shè)計性實驗成果的標志[9]。

本次教改探索剛剛開始，已經(jīng)取得一些效果，最明顯的就是學(xué)生學(xué)習(xí)“油層物理”的興趣被調(diào)動起來了，同時學(xué)生對設(shè)計性實驗內(nèi)容所涉及的基本概念、基本理論有了更深層次的理解。

三、設(shè)計性實驗教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題

1.師資不足

在設(shè)計性實驗教學(xué)過程中，學(xué)生變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，教師變講課輔導(dǎo)為引導(dǎo)和鼓勵，實驗室變定時開放為全天開放，實驗儀器、內(nèi)容、步驟、方案由教師指導(dǎo)為學(xué)生自主探索，學(xué)生所需儀器種類繁多，實驗內(nèi)容龐雜，涉及知識面較廣等，無疑增加了實驗室管理和教師的工作難度。而我院“油層物理”課程組原本師資不足，致使教師難以抽出足夠的時間悉心對學(xué)生進行指導(dǎo)。

2.教師自身知識結(jié)構(gòu)有待完善

設(shè)計性實驗教學(xué)要求綜合素質(zhì)較高的實驗教師，我院目前沒有專門的實驗課教師，實驗課由主講老師兼任，而設(shè)計性實驗需要投入相當?shù)木μ岣呦嚓P(guān)知識、技能水平。例如儀器出現(xiàn)故障時維修水平，實驗現(xiàn)象異常時解決問題的能力，理論知識水平，查閱資料和撰寫論文時外語水平，數(shù)據(jù)處理時計算機應(yīng)用水平，定量分析時高等數(shù)學(xué)應(yīng)用水平，報告撰寫時指導(dǎo)水平等等。這需要領(lǐng)導(dǎo)和學(xué)校相關(guān)政策的大力支持，給實驗指導(dǎo)教師進行相關(guān)知識的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)。

四、結(jié)束語

大學(xué)是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要基地，專業(yè)課教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑[10]，而設(shè)計實驗的教學(xué)是對專業(yè)課實踐教學(xué)的重要補充。但是，設(shè)計實驗教學(xué)在實踐教學(xué)體系中的全面推廣仍面臨很多問題，例如實驗條件的限制、實驗結(jié)果與傳統(tǒng)實驗存在一定差別、實驗過程具有多變性等等。應(yīng)當指出，設(shè)計實驗教學(xué)的完善是一個長期的、復(fù)雜的系統(tǒng)工程，只有在實驗教學(xué)的實踐中不斷摸索、總結(jié)經(jīng)驗，才能將實踐教學(xué)改革進行到底。

[1] 吳移謀.深化實驗教學(xué)改革確保人才培養(yǎng)質(zhì)量[J].教育探索與實踐，2008，(1):69-71.

[2] 李進.實驗教學(xué)重在過程[J].實驗室研究與探索，2009，28，(9):1-4.

[3] 張起祥.綜合性、設(shè)計性實驗研究[J].黑龍江高教研究，2008，(2):165-166.

[4] 解從霞，孫雪梅，羅世忠，等.開設(shè)基礎(chǔ)化學(xué)準設(shè)計性實驗的探索與實踐[J].大學(xué)化學(xué)，2009，24(6):26-28.

[5] 沈濟民.設(shè)計性實驗的設(shè)計思路[J].南京廣播電視大學(xué)學(xué)報，2004，37(4):70-72.

[6] 郁慧蘭.實驗教學(xué)應(yīng)向設(shè)計性實驗的方向發(fā)展[J].實驗室研究與探索，1992，(4):1-2.

[7] 杜曉燕，門高夫.設(shè)計性實驗教學(xué)的實施與設(shè)想[J].大學(xué)物理實驗，2010，23(6):111-113.

[8] 范隆杰.設(shè)計性實驗評價體系探究[J].邯鄲農(nóng)業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2002，19(1):32-33.

[9] 康桂珍，趙樹超.設(shè)計性實驗教學(xué)與能力培養(yǎng)[J].高等建筑教育， 1989，(3):53-55.

[10] 趙鳴，李剛.培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)探索[J].高等理科教育， 2009，(3):147-150.

Taking Designing Experiment as Guidance for Reform and Exploration of Experiments Teaching——Taking the Petrophysics Course in Geology Universities as an Example

GUO Feng
Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China

Designing experiment is an important respect in the college petrophysics experiment teaching reform.A discussion has been made in this paper on the necessity of teaching reform, teaching reform content, starting procedure, implementation effect and problems for experiment.A few ideas and exploration have been proposed for designing experiment.

experiment teaching; petrophysics; geology

G642

A

1006-9372 (2011）02-0083-04

2011-03-21；

2011-04-23。

國家青年自然科學(xué)基金項目(41002043）；西安石油大學(xué)教學(xué)改革研究項目聯(lián)合資助。

郭 峰，男，講師，主要從事沉積學(xué)與層序地層學(xué)的教學(xué)和研究工作。