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设计性实验对培养学生实践和创新能力之我见
作者：林土胜 林上港 刘文哲
关键词：实验教学；设计性实验；实践能力；创新能力
一、实验和实践的重要地位
2006年9月丁肇中教授在人民大会堂举行的科协年会上作特邀报告，展示了他在诺贝尔奖颁奖典礼的中文演说词：“得到诺贝尔奖，是一个科学家的最大荣誉。我是在旧中国长大的，因此想借这个机会向在发展国家的青年们强调实验工作的重要性。中国有一句古话：‘劳心者治人，劳力者治于人’，这种落后的思想，对在发展国家的青年们有很大的害处。由于这种思想，很多在发展国家的学生们都倾向于理论的研究，而避免实验工作。事实上，自然科学理论不能离开实验的基础。特别是，物理学是从实验产生的。我希望由于我这次得奖，能够唤起在发展国家的学生们的兴趣，而注意实验工作的重要性。”无数的事实印证了丁肇中教授这一论说：实验在科学研究中的重要地位。
从社会的现实来看，工科院校学生的实践能力与就业存在密切的关系，体现着社会发展的需要。本世纪最根本的竞争是人才和素质的竞争，理论学习所积累的知识只有通过实践才能转变成人的能力，进而提高人的素质；而素质中最为根本的是实践能力与创新能力。学校如果培养的学生缺乏实践能力与创新能力，学生在社会上就缺乏竞争力，所以工程实践能力是考核素质教育成效的关键指标，是检验学习效果的依据。实践能力的强弱是一个人能否成才的重要标志， “高分低能”的现象要力求避免，特别是工科学生。就企业而言，需要的是一专多能、遇到问题马上就能解决的人才，企业界十分重视学生的创新能力和实践工作业绩。对学生而言，要增强这种就业竞争力，重要的就是在校期间努力培养自身的综合能力尤其是实践和创新能力。
二、工科学生实验教学的状况
工科学生实验教学普遍存在实验效果较差、实践能力培养收效不大、创新后劲不明显的状况，其中的原因可概括为如下方面。
1．我国传统教育观念对实验环节潜在的不良影响。我国教育过程中注重理论和基础，看重考试成绩，造成学生对实验和实践的重要作用认识不足，没能发挥实验对消化、加深理解理论知识的互动作用。对比一下美国的情况，美国当代教育以人的全面发展为中心，注重培养学生的创新意识和实践能力。美国高校还特别重视工程实践能力的培养。由于我们实验教学中的多数实验是老师准备好的，实验的设计主动性不在学生方，会造成学生对实验的等待、依赖思想，不会设计工作；有部分学生上实验课时态度不认真、对待实验采取敷衍应付的态度，甚至抄袭实验报告。这种现状与希望通过实验的训练来培养动手能力和创新能力的宗旨相去甚远。
2．现行与理论课程配合的课内实验大多数是以验证性为主，而对有助于培养学生创新能力和实践能力的综合性及设计性实验较少。从表象上看，验证性实验的硬件装置或设备的投入比起十多年前开放改革之初是大为增强了，甚至配备的某些大而全实验装置耗资菲浅。按理说应该实验效果显著，但事实上却相反，因为学生无法深入探究和了解整个实验装置的组成结构及从源头上经受实际电路设计的锻炼，只能按实验指导书的规定，调用其中的软件板块，进行验证性操作，实现的充其量是结果的观察和体验。实验设计的主动性不掌握在学生手上，更谈不上创新活动。照样画葫芦的实验环节会束缚学生的思维活性和创新潜力，不利于培养自主设计的能力。没有挑战性的实验过程，久而久之会使思想的锋芒很有可能被磨得没有任何棱角，结果就是上述所说的敷衍应付或者实验完成后不知所为。而美国大学的实验内容以设计性实验为主。可以看出，美国大学课程中实验设置的一贯原则，即以能力培养为主原则的体现。
3．理论课授课和与之配套的课内实验联系脱节。一门课的实验由另一部分实验老师来承担，这仅仅是分工安排上的不同。要使学生在学习理论课后能有进入实验环节的渴望感，而不认为实验是一种可有可无的任务甚至是一种负担。要紧的是授课老师在理论讲授的同时，尽可能结合相关的实验问题引导学生对实验目标的认识和引起对实验求证的兴趣，并结合工程应用问题开阔视野、激发学生的实践求解热情。之所以未能融合到这一点，是因为高校教师大多数属于从理论到理论型，缺少实际经验，教学方法和教学手段单一，在指导学生实践活动时便显得底气不足。未能把实践教学的思想贯穿在理论教学上，做到二者互相联系和互相呼应，自然会影响到学生的实验及实践的兴趣和效果。要改变这种局面，要求授课老师自身具有科学研究的经历和较丰富的工程实践积累。这需要一个训练和实现的过程，但始终应是要逐步趋近的目标。
三、设计性实验对培养实践和创新能力的作用
从实验的性质种类来看，可分为演示性、验证性、操作性实验和综合性、设计性、创新性实验两大层次。前者实验是对知识的理解和掌握；后者的综合性实验是介于两层次之间的一种折衷，设计性实验才是实践能力和研究能力的实质性培养和体现，而创新性实验则体现了实验效果的最高境界。教育工作者有责任和义务尽一切力量调动学生的积极性，为他们日后的个人发展打好基础。
何为设计性实验?其主要特征是老师只给出实验的对象、目标、要求、技术指标、完成期限和验收方式，至于实验的实现方案、技术路线、元器件的选择、具体制作和调试方法、指标测试等则全部由学生自主完成。各类方式的电子大赛就是设计性实验的一种具体体现，因为大赛规则中包含了基本要求和发挥性要求，发挥性要求实际上融合了创新性实验的内涵。所以说，设计性实验对学生实践能力的培养和创新能力的发挥有着不可替代的作用。归纳起来有如下特点和效果。
1．由于设计性实验全过程是由学生独立自主完成，实验的主动权在学生方，不可能存在等待、依赖思想，能充分发挥学生的主观能动性和积极因素，这是培养学生实践能力和发挥创新精神的前提基础。
2．设计性实验的要求不是通常验证性、演示性实验的简单综合，而是更多地贴近工程实际、综合运用所学知识进行项目的设计和实现，含有创新因素，因此对学生既有挑战性又有压力，能激发学生的兴趣，这是培养学生实践能力和发挥创新精神的动力源泉。
3．学生通过设计性实验中的任务分析、方案制定、电路构思、硬件设计、软件编写、分步试验、制作实施、系统调试、指标测试、性能改进和报告撰写等全过程的实践和攻关，既能把所学的理论知识加以综合运用，又能把研究视野扩展到相关的知识领域和接触一些先进的元器件并加以运用。动手实践的能力得到实实在在的训练，发现问题和处理问题的能力会有实质性的提高，创新素质在这种潜移默化的过程中得以形成和提升。
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