崔春雨，莫　增，廖新華（第三軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院物理學(xué)與生物物理學(xué)教研室，重慶400030）

醫(yī)用物理學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)探討*

崔春雨，莫增，廖新華
（第三軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院物理學(xué)與生物物理學(xué)教研室，重慶400030）

【提要】醫(yī)用物理學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生自主地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，達(dá)到驗(yàn)證物理原理、解決物理問題等目的，在該實(shí)驗(yàn)過程中培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲芯?、自主?chuàng)新能力和動手能力，是培養(yǎng)新時期創(chuàng)造性人才很好的教學(xué)方式之一，是創(chuàng)新性教育的一部分。該文就以時差法測聲速為例來介紹大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵、要求及教學(xué)過程。

物理學(xué)；醫(yī)學(xué)；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；教學(xué)方法

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性科學(xué)，很多物理原理都來源于現(xiàn)象、猜想、實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證的過程。因此，物理實(shí)驗(yàn)對于理解物理規(guī)律必不可缺，學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)物理學(xué)必然要進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)僅僅是根據(jù)課本所設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)原理和方法進(jìn)行驗(yàn)證物理規(guī)律的過程，學(xué)生是被動地進(jìn)行整個實(shí)驗(yàn)，不利于發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力［1］。而物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有自主性、探索性和綜合性，沒有固定的方法和過程可尋，要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)的物理知識，需要解決的物理問題和驗(yàn)證假設(shè)的物理原理等，設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)方案和過程，自主地進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)。物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中的重要組成部分，介于基本教學(xué)實(shí)驗(yàn)與科學(xué)研究之間，是物理教學(xué)的深入，是學(xué)生獨(dú)立提出實(shí)驗(yàn)題目并進(jìn)行設(shè)計(jì)制作過程的實(shí)驗(yàn)課程。在實(shí)驗(yàn)過程中指導(dǎo)教師僅起到輔助作用，這樣有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)將使學(xué)生經(jīng)歷一次科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程的基本訓(xùn)練［1］，學(xué)生從實(shí)驗(yàn)題目的選題到設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟，選擇儀器，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，需要學(xué)生反復(fù)地思考和修改，得出滿意結(jié)論，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究的精神和素養(yǎng)。醫(yī)學(xué)物理學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)因此成為醫(yī)學(xué)院校教學(xué)改革重要的一部分，是創(chuàng)新性教育重要的環(huán)節(jié)之一。目前，設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)已成為物理實(shí)驗(yàn)課程改革的趨勢［2-4］。

1　醫(yī)學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的提出

選擇適合的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目是完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵［5］。經(jīng)過醫(yī)學(xué)物理學(xué)1年的學(xué)習(xí)，學(xué)生基本都具有了一定的物理思想和知識，通過醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，學(xué)生也具備了一定的實(shí)驗(yàn)動手能力，掌握了一些基本的實(shí)驗(yàn)技能，但總體來說其實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)仍然較少、操作水平不高，所以必須從學(xué)生現(xiàn)有基礎(chǔ)條件出發(fā)，控制好實(shí)驗(yàn)題目的難易程度和合理性，才能達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。在此基礎(chǔ)上，指導(dǎo)教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主性地設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)，可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)操作驗(yàn)證課本上的物理規(guī)律，也可以利用物理規(guī)律測量數(shù)據(jù)，得出新的結(jié)論。還可以改造現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)方法和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器，利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)測量其他物理量等。充分利用學(xué)生所學(xué)的知識、方法和想象能力，大膽地嘗試新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。例如：有學(xué)生做完聲速測量的實(shí)驗(yàn)后，聯(lián)想到利用聲速測量是否可以找到聲速與液體密度關(guān)系；有的學(xué)生思考將現(xiàn)有的液體黏滯系數(shù)測量儀改造為智能型的實(shí)驗(yàn)儀等，這些均是很好的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)新的能力和科研精神，由此達(dá)到培養(yǎng)人才的目的。

2　醫(yī)學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的準(zhǔn)備

根據(jù)學(xué)生所要做物理實(shí)驗(yàn)的方向和內(nèi)容，提出實(shí)驗(yàn)具體題目，然后查閱資料和準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材，做好預(yù)實(shí)驗(yàn)，摸索一定的實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)方案，撰寫實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、原理、步驟、條件計(jì)算過程等。以小組為單位選題后，遞交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，指導(dǎo)教師對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行初步論證后，學(xué)生開始實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中教師各小組輪流指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)完成后，以小組為單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)匯報，并提交個人撰寫的實(shí)驗(yàn)論文［6］。

在使用聲速測量儀研究聲速和液體密度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生在做聲速測量實(shí)驗(yàn)時，利用液體來測量聲速，有學(xué)生就在此找到了靈感，想到能不能利用聲速測量儀來測量液體密度，于是，他們就用不同的液體密度來測量聲速，由此來發(fā)現(xiàn)二者關(guān)系。他們實(shí)施了一定的預(yù)實(shí)驗(yàn)后，就確定了實(shí)驗(yàn)題目，撰寫了實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，準(zhǔn)備好了實(shí)驗(yàn)材料包括聲速測量儀、水槽，分辨率為0.1 us計(jì)時器、量筒、精度為0.1 g的電子秤等。所用試劑為上海國藥生產(chǎn)的氯化鈉（相對分子質(zhì)量為58.44），葡萄糖粉末（相對分子質(zhì)量為198.17）。做好實(shí)驗(yàn)器材的準(zhǔn)備后，注意實(shí)驗(yàn)條件的探索，看看實(shí)驗(yàn)與環(huán)境溫度等是否有關(guān)，設(shè)定好實(shí)驗(yàn)條件和大體步驟，先測什么，再測什么，寫出1份預(yù)實(shí)驗(yàn)報告。

3　醫(yī)學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)實(shí)際上就是找到實(shí)驗(yàn)方法和步驟，按照步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得數(shù)據(jù)的過程。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到了問題，很容易對實(shí)驗(yàn)方案輕易放棄，或急于求助教師而不能自行思考解決問題。所以，指導(dǎo)教師應(yīng)讓學(xué)生明確設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的步驟，根據(jù)設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)方案，開始實(shí)施實(shí)驗(yàn)。由于是創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)方法和內(nèi)容，所以按照所想的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，需要邊根據(jù)邊修改實(shí)施實(shí)驗(yàn)的過程，可能還需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，反復(fù)探索實(shí)驗(yàn)條件，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提煉出實(shí)驗(yàn)所涉及的物理原理和得出具體的試驗(yàn)步驟，最后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析［7-9］。

學(xué)生在做聲速與液體密度的關(guān)系實(shí)驗(yàn)時，先將聲速測量儀連接好［3］，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)需將發(fā)射和接收增益設(shè)定為2。將氯化鈉晶體和葡萄糖晶粉從0開始，依次加25g，直到250 g，配成不同密度的溶液，每改變一個密度，游標(biāo)卡尺等距進(jìn)行移動，測出聲波傳播的時間，計(jì)算出平均聲速，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做成表格進(jìn)行分析得出結(jié)論。

4　設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和總結(jié)

物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)對結(jié)果的分析是非常重要的一步，也是對實(shí)驗(yàn)后續(xù)可行性的分析。在學(xué)生反復(fù)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，對得到的實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算，得出結(jié)論，看是否符合預(yù)期目標(biāo)，能否進(jìn)行下一步探索，指導(dǎo)教師在此過程加以建議和分析，讓學(xué)生將整個實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和交流分析，寫出完整的實(shí)驗(yàn)報告，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、?nèi)容和數(shù)據(jù)處理過程等。如果設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)有創(chuàng)新性的發(fā)現(xiàn)，可以鼓勵學(xué)生繼續(xù)實(shí)驗(yàn)研究，申請專利或發(fā)表論文。另外，指導(dǎo)教師還應(yīng)以設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為例闡述文獻(xiàn)調(diào)研和檢索的方法，培養(yǎng)學(xué)生獲取資料的科研素養(yǎng)及良好的版權(quán)意識［10-12］。

在使用聲速測量儀研究聲速和液體密度的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：在溫度、氣壓一定的條件下，以氯化鈉溶液、葡萄糖溶液為介質(zhì)傳導(dǎo)的超聲波聲速與密度呈良好的線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)得出這個線性關(guān)系的具體表達(dá)式后，可以利用其求出不同聲速值所對應(yīng)的液體密度值，這就為液體密度的測量提供了一種新的、簡潔的、可操作的方法。說明學(xué)生這次的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)很有意義，培養(yǎng)了他們的實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力。

5　小　結(jié)

醫(yī)學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)在醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)必要的補(bǔ)充，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力，而設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研精神［5］。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)從提出問題、解決問題到總結(jié)經(jīng)驗(yàn)均要求學(xué)生獨(dú)立完成，這樣能激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考和不斷探索的精神，由此還可以培養(yǎng)一批具有科研能力的學(xué)生繼續(xù)深造。第三軍醫(yī)大學(xué)作為軍隊(duì)院校，盡管物理實(shí)驗(yàn)條件一般，作者克服各種困難在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，增加了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的課題，學(xué)生通過自己查閱資料，制訂實(shí)驗(yàn)方案，選擇儀器裝置，確定實(shí)驗(yàn)步驟，最終完成實(shí)驗(yàn)，寫出完整的實(shí)驗(yàn)報告。并以此為契機(jī)，尋找學(xué)有余力的學(xué)生參加軍隊(duì)和重慶市的大學(xué)生物理創(chuàng)新競賽，制作的自動輸液器和仿真聽診教學(xué)機(jī)取得了優(yōu)異的成績。實(shí)踐證明，醫(yī)學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)相比，在充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動性方面，在培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用物理知識方面及培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力方面有著不可代替的重要作用。

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10.3969/j.issn.1009-5519.2016.04.050

C

1009-5519（2016）04-0601-02

國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（11405269）。

（2015-12-29）