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物理实验课程是理工科院校的一门重要基础课，在培养具有创新精神和实践能力的专门人才上具有举足轻重的作用。大学物理实验中开设设计性实验是近年来我国高等院校教改的方向之一，研究设计性实验教学体系是物理实验课程改革重要的基本问题。
一、设计性实验的特点及目的
设计性实验，是在明确实验目的的基础上，根据实验原理和要求，自己选择适当的器材，制定实验方案，求出实验结果。实验过程是围绕着一个需要解决的问题展开，强调学生通过自主参与一些类似于科学家从事科研的学习活动，获得亲身体验产生积极情感，逐步形成一种在日常学习与生活中喜爱质疑，乐于探究，努力求知的心理倾向。学生在实验研究过程中激活自己各科学习中的知识储存，通过解决实际问题的探索性活动，提高自己综合应用能力。
设计性实验的目的是：加强学生已学的理论知识和基础性实验知识相结合，并将这些知识灵活应用，使学生体会并掌握实验设计的思维方法和分析方法，实验设计的基本过程和方法，培养学生的科学实验能力及创新能力。
二、设计性实验教学体系构建的思路
构建设计性实验教学体系应该把学生的能力和素质培养作为构建的指导思想，以便学生在实验研究的过程中，通过自己的努力获取相应的物理知识和练就一定的操作技能，又能逐步学会一套获取新知识和解决新问题的科学方法。设计性实验教学体系构建的基本思路是：(1)将能力和素质培养贯彻始终，为物理实验教学目标服务；(2)循序渐进；(3)要选择或设计内容新颖、难易适度的实验；(4)要立足大学物理，辐射其它学科；(5)要把科学研究能力的培养和物理知识的建构统一起来；(6)要把科学研究与实验教学有机结合起来；充分发挥设计性实验的教育功能。
三、设计性物理实验教学体系
以培养创新精神和提高综合素质为主线，遵循由易到难、由浅入深、由低到高、循序渐进的教学规律，按照物理实验的实施过程和目的要求以及学生自身个性发展将研究性物理实验划分为以下三个层次。
1.基本设计性实验。给定实验题目与要求，在限定仪器的条件下，拟定实验方案完成实验。基本设计性实验特别注意科学性和趣味性的结合，充分调动学生的学习积极性和创新精神，培养学生设计实验的基本能力、科学的思维方式、探究意识和动手能力。采用指定“单任务教学”模式，教师起到“指导、帮助”的作用。
(1)基本目的。激发学生学习物理知识、研究与探索物理规律的热情，加深对物理规律的切身感受，提高动手动脑能力，激励创新精神。
(2)基本要求。在教师的指导下或自己的独立研究完成实验课题，按学术论文的形式撰写设计性实验报告，使学生掌握基本的实验研究方法。
2.提高型设计性实验。给定题目与要求，在给定仪器条件的范围内选择仪器、拟定二种以上的实验方案进行比较，以较佳的实验方案完成实验。实验原理应是学生在普通物理学习中已掌握或稍加补充即可掌握的。他们要从查找文献资料开始，制定方案，做规划，直至完成实验。
(1)基本目的。培养学生科研综合对比研究能力，查阅文献资料的能力，在实践中提高发现问题、分析问题、解决问题的能力。
(2)基本要求。要求这类实验完成后，进行书面总结和口头报告交流，让他们对自己的实验作介绍，交流在实验研究的过程以及分析问题和解决问题中的宝贵经验和教训。
3.独立型设计性实验。给定实验题目，拟定实验方案、自选仪器完成实验。侧重于综合能力和创新能力的培养，课题涉及的实验内容与方法应具有综合性，学生选定课题后，教师一般只对课题的意义、背景等情况作些介绍，完全由学生自己调研和查阅资料，自己设计、装配、调试实验装置，提出实验方案，完成实验。
(1)基本目的。在培养了学生的基本实验技能和基本的设计能力后，对部分学生提出更高的要求，这一阶段要求学生的自主创新，培养他们的科学研究素质。
(2)基本要求。实验结束时，每个课题都要写出研究论文，并进行学术答辩和交流，部分论文应具有创新的成果，其中优秀的论文应能在正式学术刊物或学术会议论文集上发表。
4.设计性物理实验教学体系及内容方案。根据上面的讨论，由从简单到复杂、从基本到提高的顺序把设计性实验分为三个主要的类型，对于不同的层次有不同的实验项目和具体的实验要求，其中包括学生选做的实验个数、所需的课时数等，提出设计性物理实验教学体系及内容方案如表一。
表一设计性实验教学体系及内容
不同的学校根据自己的具体情况可以对不同的设计性实验类型提出不同的要求，即对基本设计性实验、提高型设计性实验、独立型设计性实验开设的个数和每个实验所需的学时给出符合自身实际情况的规定。根据我们学院的情况，选取基本设计性实验、提高型设计性实验、独立型设计性实验的课题数目分别为2、2、1个，总学时为40学时。
四、设计性实验教学成绩评价
客观、科学评价设计性实验教学成绩，有利于促进设计性实验教学的发展。评价应体现在实验教学中以学生为主，教师为辅，显示学生个性，相互协作，有利于学生科学素质的培养，充分发挥学生的能动性和创造性的宗旨。设计性实验教学成绩评价采用双评模式，把教师的评价和学生自评结合起来，改变以往那种只有教师参与的局面。
1.学生自评。每一个实验学生都进行自我评价，或是以小组为单位进行评价。在评价考核范围里面除了考核实验相关操作技能和实验的掌握外还将实验态度、文献查阅能力、团队合作精神等都纳入考察范围，充分体现设计性实验培养学生科学素质的价值。
2.教师对学生的评价。教师对学生的评价与学生自评同步进行，教师通过对学生的实验设计方案的审核，对实验过程的监督，以及实验结果的分析，给出一个评价。
对于这两部分的权重，不同的学校，不同的专业可以进行不同的调整，一般可以采用教师评价占60％，学生自评占40％的比例来进行，对于不同的给分点可以根据各自情况进行界定。
参考文献：
2大学物理设计性实验体系设计与实践研究的内容的实施方案
大学物理设计性实验体系设计与实践研究的内容评价的方案制定包括确立目标,科学选择内容、设计工具、灵活运用实验方法等环节。这些环节相互之间既紧密联系又相互制约。明确目标和内容是选择实验方法的基础。笼统或琐碎的实验标准将不利于数据和资料的收集,而没有准确、有效的数据,就不可能达成正确的实验结论,从而影响实验的反馈以及最终合理改进建议的提出。必须针对不同的实验项目选取恰当的实验方式方法,并利用反馈意见改进实验设计,促进学生综合实验素质的发展。其最终目标是学生在进行实验活动过程中逐步生成的。必须针对不同的实验项目选取恰当的评价方式方法,并利用评价反馈改进实验设计,促进学生综合实验素质的发展。根据大学物理设计性实验课程的价值追求和课程特点,大学物理设计性实验多维度评价的目标包括知识与技能,过程与方法,情感、态度和价值观3个维度。2.1收集、分析和处理信息。学会收集信息的各种基本方法,尝试运用调查、考察等方法及利用图书馆、网络等基本信息工具；能够对收集的信息或资料进行初步分析和处理；能够在团队中进行信息交流。2.2问题解决。学会自主提出问题、制定解决方案,并通过实验过程验证方案的合理性；开展问题探究,尝试探究活动,体验探究过程；提出问题解决的策略。2.3动手操作。计划和组织一个实验项目的实施；尝试运用已有的仪器设备或通过改造或自制设备完成实验项目；具有基本的信息操控技术和素质。2.4表达与交流。能够自主地与指导教师或专家进行联系,并学会在实验中自我管理；能够以书面和口头等不同的表达方式,表述实验的结果、体会或思想情感；学会结果分享。2.5情感、态度与价值观。养成参与意识、服务意识、合作意识、环保意识、效率意识、安全意识、科学精神、创新意识；形成社会责任感和义务感,形成负责任的工作态度和生活习惯。
3大学物理设计性实验体系设计与实践研究的内容的启示
3.1在实验过程中进一步认识实验设计体系的重要性。在实验过程中发现了许多大学物理设计性实验课程实施中的问题,比如指导教师学科分工的问题、实验过程中教师的指导问题、实验过程中资料的规范性问题、指导教师的培训问题等,这些问题都要在今后的教学中进行整体规划设计和落实。3.2实验指导教师在测评过程中得到培训。在实验教学中,教师的指导往往过于宽泛,针对性不强,缺乏具体的指导行为和指导规范,部分教师不明确自己在指导实验过程中的具体指导任务有哪些方面,因此指导方式、指导行为存在着一系列问题。实验指导教师在评价过程中进一步了解了实验教学的目标和要求,对指导学生实验有了更深刻的认识。3.3学生实验素质得到了全面发展。大学物理设计性实验体系设计与实践研究提高了学生合作意识。在大学物理设计性实验实施过程中,增多了学生之间的交往合作机会，实验时，学生分工合作,在团队中学会与人相处,发展协作素质；增强了学生的自信心，大学物理设计性实验开放的教学方式；培养了发现问题、解决问题的素质,激发了学生的创新潜能；同时也激发了学生关注生活的热情设计性实验的开展密切了学生与指导老师的联系,激发了学生关注生活的热情。
德州市实验技能考试期间，我跟随考核小组来到了德城区的第七个考点德州十中。考试之前，我和十中的实验室管理员赵红梅老师转了一下他们的物理仪器室，众多的器材中有一件引起了我的注意，这是一台崭新的浮力原理演示器。赵老师说：“这个仪器自从买来以后就没用过，不知道该怎么用，毕老师你给看看吧”。赵老师的一句话引起了我的兴趣，我摩拳擦掌，决定一探究竟。
我召集了三名监考的物理老师和我一起做这个实验。我们的操作步骤如下（见图1）：将浮体放在小水箱上端，并对齐位置，使浮体恰好堵住小水箱顶端的开口。先用手压住浮体，向大水箱中慢慢注水，水的深度约12cm，将手放开，继续向大水箱内加水，直到水位高出浮体上端10 cm以上。因为小水箱上口与浮体配合良好，漏水很少，小水箱的进水孔很小，水渗漏缓慢，浮体还没有受到向上压力，只受到水向下的压力，浮体还不能浮起。水继续向小水箱流入，小水箱中的空气由排气管不断地排出。根据我们的设想：当小水箱充满水时，浮体就会受到水向上的压力，向上压力大于向下压力，即产生了浮力，浮力大于浮体的重力，浮体就上浮了。小水箱中的水位越来越高，我们认为实验很快就能成功了。正当我们要庆祝胜利的时候，浮体突然向上浮起，可这时小水箱中的水位距离顶端开口还有将近2 cm，实验失败了。这时我想起赵老师的话，看来问题并没有那么简单论文提纲格式。
1、目的
通过对气球这一物体做出的各种实验表明，各种在相互作用的时候都会出现压强内外力的出现，就此这些实验来证明压强的存在和原理。
2、要求
采用不同的实验形式，包括简易到复杂，微小物体到庞大设施的实验，都在说明压强这一原理的作用和价值，需要我们通过对各种实验的操作和掌握，能够比较深刻的了解压强的原理和作用。
二、高中物理实验教学设计原理
1、演示力可以使物体发生形变、弹性形变
让吹进气的气球放置在桌上，用手掌压气球，能看到气球被压扁，表明力能够使物体产生形变；松手后气球恢复原状，表明气球是在弹性形变。
2．演示压力的作用效果
a．如图1，一手手掌平压在气球上，另一手用手指顶住气球，可看到，与手掌接触的那部分气球形变较小，而手指顶着的那部分气球形变明显，并且用的力越大，形变越明显。
b．如图2，把气球放在钉板上，再把木板放在气球上，向木板上施加压力，气球形变但不会被钉板上的钉刺破，说明压力的作用效果与受力面积有关。
3．体验液体压强的存在
如图3，向玻璃管内加水，玻璃管底部的气球膜向下凸出，说明液体对容器的底部有压强；如图4，把下部蒙有气球膜的玻璃管插入水中，橡皮膜向内凹，说明液体内部有压强。
4．演示影响液体内部压强的因素
在玻璃管的开口侧面和管底套上弹性较好的气球胶膜并扎紧，用透明胶管（可用输液管）加长玻璃管后向管内注水，随着胶管上端的升降，看到液面越高气球胶膜越凸出，换成不同管径或液体再做，以说明液体内部压强与高度和液体密度有关。
5．演示大气压的作用
准备一个吹胀的气球，一只边缘平滑的塑料杯（或碗）。先让气球表面沾些水，再在塑料杯（碗）里倒满开水，过一段时间将开水倒掉，接着把塑料杯倒扣在气球上。等一会儿，摸摸杯子已经变得很冷了，拿起气球再翻个身，可见塑料杯挂在气球下，不会掉下来（可能要多试几次才能成功）。原因是被开水烫热的杯中充满了热空气，扣在气球上以后，杯口被密封，等里面的空气冷却了，体积缩小，使杯内的空气压强小于杯外，在杯外的大气压力作用下，杯子被吸附在气球上。若用手指按压一下杯子边沿的球膜，外面的空气进入杯内，杯子马上就脱离气球了。
6．演示流体压强与流速的关系
把气球悬挂起来，向气球的一侧吹气，会发现气球向吹气的一侧靠近，原因是吹气的一侧气体流速快，压强小，另一侧的气体压强大故而产生一个压力差使气球发生偏转。
7．演示大气压的存在──吞吐气球
改进“瓶吞鸡蛋”实验。用制取氢气的启普发生器的下部，将小气球置于瓶口，导气管连接抽气机，当抽出（或冷却）瓶内气体时，大气压使小气球被“吞”进瓶内，再将瓶倒置，向瓶内打气（或加热瓶内气体），小气球又被“吐”出。
8．演示反冲现象
将吸管插入气球口，用细线把其扎紧，用气筒给气球打足气，用手堵住吸管，让吸管口朝下，然后放手，会发现气球沿直线竖直上升。实验能够很好地说明反冲运动。在这里要注意选用吸管要稍长一些，有利于气球沿直线上升。
9．演示气体的体积与压强和温度有关
a．在直玻璃管的下端拴一个气球，把气球放入瓶中，并用塞子塞住广口瓶口。先在气球内充入一定质量的气体，封闭直管，通过弯管向瓶外抽气，发现气球变大；向里打气时，气球又会变小。表明一定质量的气体在温度不变时，压强减小，体积增大，压强增大，体积减小。
b．在气球内稍充气，并把直管封闭，然后把广口瓶放入热水中，使瓶内受热，就会发现气球变大，从热水中取出后稍冷却，就发现气球又逐渐地变小。可以说明气体的体积与温度有关。
10．物体的沉浮条件
用一个薄气球，装入水，密封好，缓缓放入水中，可以看到气球在水中的悬浮；然后在气球中装入酒精，则可以看到气球在水中的漂浮；最后在气球中装入盐水，则会看到气球在水中的下沉，能有效说明了液体中物体的沉浮与物体的密度有关。
11．显示空气浮力
将几个氢气球挂在弹簧测力计的挂钩上，气球静止时弹簧测力计显示出相当的示数。可以有效地说明空气浮力作用。
12．演示和分析浮力产生的原因
将可乐瓶去底后倒置，放入小气球，先按住气球缓缓加水，到水完全淹没气球才能放手，并继续加满水，气球并不上浮；再将整套装置放入有足够水位的水槽或大烧杯中，看到小气球又向上浮出。
13．在空气中演示浮沉条件与潜水艇原理
取氢气气球与空气球在空中同时释放，看到一个上浮而另一个下沉，若将二者绑拢则能悬浮于空中任意位置；此时若放出空气球中的一部分空气则两气球上升，反之若放出氢气球中的一部分气体则两球下降。可用以说明浮沉条件，还可以分析潜水艇的工作原理。
14．演示星系在远离我们而去
此前15年，斯利弗在美国天文学协会的一次会议上，公布的观察结果是：“一些明亮星云(后来被证实是星系)，既有蓝移的，也有红移的”；更远的弱光星云，“全都展示红移”(1-P111)。没有做出任何解释。哈勃有效地以“宇宙梯”法解决了确定星系距离的问题之后，通过对自己测定的24个河外星系距离的分析，发现红移量大致同星系距离成正比，即(λ1-λ0)/(λ2-λ0)＝D1/D2。当时普遍认为，这个结果“唯一可能的物理学解释便是河外星系都在以正比于它们距离的速度退离我们而去”〔3-P140〕，由此得出的H＝V/D，被称为哈勃定律。其中H为哈勃常数，D为星系距离，V为星系退离速度。D和V“都不是可测量的量”(8-P403)。
哈勃定律作为膨胀宇宙论的基础原典、现代宇宙学的观测依据，存在如下纰漏：1、该定律中既没有可观测的物理量，何以能成为“观测依据”?又缺乏作为必要条件的观测数据，如何判定其正确?
2、设星系在t内退离距离D=Vt=HDt；依据哈勃关系式λ/λ=D/D，λ应随时间线性增加，即该定律成立的必要条件是红移谱线持续移动而不是红移。
3.取H=3×10-2m/s光年，代入λ/λ=D/D=Ht=3×10-2m/s光年·t=10-10/年·t可知，任一星系的λ/λ都将以每年10-10持续增加。60年代观测精度(λ/λ～2.5×10-15)已达这个数据的4×104倍，要证明哈勃定律成立，就必须提供对同一星系λ/λ随时间线性增加的观测证据。
近40年来，新理论与新技术的结合，相继发现了一些不调和的红移现象。海尔天文台的阿普80年代末就宣称：“我们已知有38个不调和红移天体与24个星系相关联。这个数字之大，不允许我们将它一笔勾销”(1-P151)。依据这些佐证，至少在某些情况下，关于红移跟膨胀关联的传统解释是错的。
红移跟运动的关联确实并不具有唯一性。依据狭义相对论，运动物体发出的光被静止者观测时将发生频移，和声波频移机理相同，用多普勒效应解释没有错。依据广义相对论，具有强引力场的静止物体发出的光，在引力势较高处观测也要红移。即光的频移有两种机制，声波频移却仅有一种，用多普勒频移解释光现象就必然会丢失引力频移机制。通常的解释是：“引力不能定量解释星系的普遍红移，引力效应至少不占主导地位”(4-P509)，可以忽略不计；霍金的说法是：“星系的引力场没有足够强到对它有明显的效应”(5-P47)。
哈勃宣布宇宙在膨胀时，全世界能够理解广义相对论的人寥若晨星，“据记载，本世纪20年代初有一位记者告诉爱丁顿，说他听说世界上只有三个人能理解广义相对论，爱丁顿停了下，然后回答：我正在想这第三个人是谁”(5-P83)；50年代之前，“广义相对论大体上是数学的一个分支”，60年代之后才“从考察数学结构到开始按照物理来思考”(6-P72)；尤为重要的是，这个时期利用穆斯堡尔效应在高度差H=22.5m的条件下，“极其精密地测得57Fe的一条γ谱线的紫移，波长相对变化仅有λ/λ≌gH/C2～2.5×10-15，与理论预告值在误差范围内符合”(7-P94)。引力频移被精确地测量出来后，就不得不承认“引力是一种极其巨大的力量”(6-P66)。即此不难算出，在地球引力场中γ光子通过22.5m，需时t1=h/C=22.5m/3×108ms-1=7.5×10-8s。
由哈勃关系λ/λ=D/D=Ht=10-10/年·t；当λ/λ～2.5×10-15时，t2=2.5×10-15×3.15×107s/10-10=7.88×102s。
依据平直而各向同性的宇宙学原理,当λ/λ～2.5×10-15时，引力效应/哈勃效应=7.88×102s/7.5×10-8s=1.5×1010。很显然忽略引力效应肯定是个重大失误。
大爆炸——膨胀宇宙论被称为标准宇宙模型，存在3个问题：其一、不考虑引力效应就不符合现代宇宙学的定义；其二、40年前就测出的引力频移比膨胀效应大1010数量级，早已粉碎了“唯一的物理学解释”神话；其三、“广义相对论用时空结构的几何性质来表示引力场”(8-P328)，哈勃当时并不理解，用多普勒效应解释红移属于以偏概全；时至今日如果仍不考虑引力效应，宇宙常数偏小、退离速度偏大的错谬，将永远不可能得到纠正。
为了确定引力跟红移的定量关系，特作如下讨论：
一、改变高度差重做穆斯堡尔实验，依据两次测得的数据，可以确定：
1、红移相对变化量跟距离还是距离平方相关；
2、导出相关公式，为比较引力贡献和哈勃贡献提供依据。
二、有人认为，光在漫长的星际旅途中会受到无数恒星的影响，其左弯右折必然使红移量产生较大改变，无法予以判定。其实并非如此，可依据右图阐明如下：图中A为发光恒星，M、N为两个恒星，P为太阳；光线AB受它们影响的实际传播线路为AB、BC、CD、DE、EF；F为地球，FA为依据经验认定的光传播线路。实际上BC是光在M附近沿能级相同的测地线通过的轨迹，能够影响红移的仅为B′C′。即此可得如下推论：
推论1、光无论受多少恒星影响发生左弯右折，决定红移或紫移的只有直线距离。
推论2、A使光红移，F使光紫移，由于M地《M恒，地球的影响可以忽略不计。
推论3、由实验得出的公式，可以用于定量解释星系的普遍红移，同时将成为确证哈勃定律正确与否的判据。
参考书目
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3、袁正光主编领导干部科普知识全书改革出版社2000年
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5、(英)霍金著许明贤等译时间简史湖南科技出版社1995年
6、(英)霍金著胡小明等译时间简史续篇湖南科技出版社1995年
7、倪光炯等著近代物理上海科技出版社1979年
8、董光璧等著世界物理学史吉林教育出版社1994年
二、光速不变与波粒二象性
在讨论这两个问题之前，首先需要廊清物理学理论中的3种观念。
1、物理学不研究“物质”，正如没有人能够讲出“水果”是什么滋味一样，因为二者都是抽象的类概念。实际上物理学只研究质量、电量、能量跟时空的关系，“物质”属于误用的哲学概念。
2、从牛顿那个时代开始，物理学就分牛顿范式和非牛顿范式，前者研究孤立质点运动的规律，后者探讨热、光、电、磁的本质；现在已经非常清楚，热、光、电、磁现象的本质都是电磁波，统称为能量。
3、现代物理学理论可以分为以质量计量、用时空描述，以能量计量、用位形描述两大体系，物理客体理应分为质量系统和能量系统两大类。同理粒子物理学就应该分清质量子(即费米子)和能量子(即玻色子)，本质差异在于有没有静质量。
据此，先讨论光速不变问题。
所谓的光速不变是一种简称，实际所指是光速与光源运动的速度无关，或曰：光总是各向同性的。依据“质量是惯性的量度”，光子没有静质量，自然就应该与光源的惯性无关。人们通常表现出的“不理解”，根源在于误认为任何“物质”都具有惯性，忘记了惯性只与质量相关，属于牛顿范式独霸天下产生的常识性错误，不清楚物理客体应该分为质量系统和能量系统两大类。
讨论光的各向同性，首先必须依据两系统结构论确立如下观念：所谓的宇宙是质量体(包括电子、质子、原子、分子到其大无比的天球)悬浮在能量海洋(即连续辐射)中的巨系统。只有当能量(子)从质量体中放出(或被吸收)时，才表现出一份一份的粒子属性，被称为光子；而这种能量(团)在连续辐射的海洋中传播时，则总表现为波。只需要以石块掷入水中后，水波总是各向同性传播为类比，就很容易理解光波总是各向同性的道理。
得布罗意提出波粒二象性，至今已有七十余年，开始时说微观“物质”既是粒子又是波，后来改为既不是粒子又不是波；由于实际测量的结果是：用干涉仪得到衍射图象，用计数器记下的是粒子数，就将微观粒子的实在性跟意识联系起来，认为究竟是粒子还是波，由测量者的意识所决定，关键在于选用什么样的仪器。直到今天波粒二象性依旧是个说不清道不明的谜。
实际上只需要摈弃掉“物质”这个误用的哲学概念，并承认物理客体分质量、能量两个系统，问题即可以迎刃而解。光子的波粒二象性已如前述，只需要将在能量海洋中传播和由质量体吸收(或放出)分开考虑，答案就已经非常明确：波属于能量系统的属性，而粒子性总跟质量系统相关。
光子属于能量子，现在讨论质量子的问题。依据量子运动的特点，粒子永远不会停止运动。按En＝n2h2/8mL2被关在L＝4A箱内的电子(m=me=9.1×10-31kg)，最低能量状态(基态)也还有2.3eV能量，通常称它为电子的动能，又是一种植根于“物质”这个误用概念的常识性错误。量子场论承认微观存在分粒子和场，每一种粒子都对应着一种场，却讲不清二者之间的关系究竟如何。只需要将电子放到质能两系统结构论的框架去考察，就不难发现所谓的电子动能并非属于电子，而是网络态的能量海洋作用于电子的结果。任何粒子实际上都处在“树欲静而风不止”的被动状态，传统将这种能量理解为电子“自能”，是基于质、能不分产生的常识性错误。试想：空中悬浮的气球不能静止的原因在于空中能量分布不均衡，水中木屑的动能亦来自于水，都不属于气球和木屑自身所有；即此为类比就不难理解粒子性和波之间的相互关系。
结论：所谓的波粒二象性，是使用分别适用于能量或质量系统的仪器，检测由质量子和能量子构成的复合态产生的不同效应。
验证实验：同时使用干涉仪和计数器对质量子进行观测，当光栅的隙缝小于粒子的直径时，放在光栅背后的计数器就不会记下粒子数。理由是通过光栅的只能是能量海洋中传递的一列波，具有静质量的粒子将被“滤”掉。
三、绝对时间和相对相间
牛顿将时间分为“自身在那里流”的绝对时间和“可感知的及外界的度量”的相对时间。狭义相对论预言“动钟变慢”；广义相对论预言“一个钟所处的引力势越低(深)，它走得越慢”。通常都说相对论的预言被证实，说明牛顿的时间观念是错的；实际上恰恰相反，即此正好证明了时间确实有绝对和相对之分。
牛顿之前，惠更斯已导出单摆周期公式T＝2π(L/g)1/2，据此发明的摆钟至今仍在使用，其走时快慢与g直接相关：g越大，T越小，走时读数即变大；反之即被称为变慢。这个结果为什么正好跟广义相对论的预言相反呢?因为物理学研究的客体分两个系统：一是由牛顿范式沿袭而来的，用质量计量、用时间和空间描述运动的质量系统；一是由非牛顿范式沿袭而来的，用能量计量、用位形描述运动的能量系统。摆钟的读数属于质量系统计量的相对时间，可以通过调节摆长L使所有的钟走时一致，其作用直接源于发条的弹性势。刚旋紧发条时走时慢些，发条松弛时走时即变快。
用原子钟实测的结果正好跟广义相对论预言一致，这又是为什么呢?由于原子释放能量子跟它所处环境的能级直接相关，而能量子的T即代表该能级的内禀时间，由能密梯度g′决定，是无法人为改变的，故而称之为绝对时间。
如图所示，行星R从远日点N向近日点M运行时，动能(正能)逐渐增大，g亦随之增大；由M向N运行时，势能(负能)逐渐增大，g′亦随之增大。沿NM方向，正能密梯度g递增，负能密梯度g′递减。原子钟走时由g′决定，显示的是绝对时间；摆钟走时由g决定，显示的则是相对时间。
小结：绝对时间是弯曲时空(负能密梯度决定其曲率)的内禀时间，传统使用的摆钟“度量”的属于相对时间。当使用人为规定的时间标准去度量负能量海的内禀时间时，就必然会出现时间变快或变慢的实测结果。
验证实验：将在同一地点校准的摆钟和原子钟各一枚，用气球带上高空，依据电台播放的校钟讯号去校钟时，原子钟的读数要大些(变快)，摆钟则变慢。
意义：该实验可以确证：
物理实验中蕴含着大量素质教育的内容。我们在物理实验教学改革中，以“突出素质教育，强化能力培养”为指导思想，充分发挥实验课程的素质教育功能，将素质教育与实验教学融为一体，围绕素质教育目标，重新审视每个实验，确立每个实验素质能力培养的具体要求，将素质教育落实到每个实验教学中，从以下几方面强化学生素质与能力的培养。
一、科学实验思想、科学实验方法、科学实验精神的培养
在实验教学中，培养学生掌握科学的实验思想、实验方法，倡导科学的实验精神和实事求是的科学态度，重点突出以下几个方面的教学。
（1）每个实验的基本设计思想。
（2）实验中用到的科学实验方法。常用的科学实验方法有控制变量法、对照实验法和等效替代法等。这些名词对于学生可能比较陌生，我们会结合具体实验内容进行讲解，变抽象为具体。
（3）基本的实验测量手段和实验技能。物理实验的基本训练目标就是让学生掌握基本的实验测量手段和实验技能。
（4）物理理论与物理实验的联系，物理实验之间的相互联系。每次实验前我们都会介绍本次实验的物理原理。例如“磁感应强度的测定”，可以结合电磁感应展开教学，并且引入通电螺线管内部磁场的计算公式，学生通过实验操作进一步深刻理解并验证该公式。理论与实验的结合能起到事半功倍的效果，有利于提高学生的学习能力。
（5）与实验相关的物理实验史料、物理学家和发明过程介绍，在潜移默化中将素质教育落到实处。
（6）严谨的实验态度、规范的实验操作、正确的实验数据处理能力。这些科学工作者的基本素质，都应该从中学物理实验开始培养，为他们今后开展科学工作打下基础。
二、独立实验能力和科学探究能力的培养
充分发挥学生的学习主动性，培养其独立实验能力和科学探究能力，做到在教师引导下资料由学生查，仪器由学生看，实验由学生做，问题由学生提，思路由学生想，疑难由学生议，错误由学生析。
（1）创设问题情境。要求每位学生实验前认真阅读实验教材，了解实验目的，理解实验原理，能够解决两个重要问题：做什么？怎么做？针对不同实验，我们还会创设一些有特色的问题情境，增加学生的学习热情，并通过互动了解学生预习情况，以便上课时做到有的放矢。
（2）每个实验设有探究性思考题，从理论性探究、实验性探究、改进性探究、拓展性探究、应用性探究等方面引导学生开展实验探究。
（3）每个实验配套必要的仪器设备说明书，倡导学生自主学习，鼓励学生对实验故障进行自我诊断与排除，培养动手与动脑相结合的能力。
（4）将内部封闭的实验仪器拆解展示，便于学生观察内部构造，了解工作原理，避免“暗箱操作”。
（5）尊重学生兴趣和个体差异，设必做与选做实验，部分实验设必做与选做内容。学生可自主选择，量力而行，以提高素质和培养能力为目的，因材施教。
三、实验设计能力与创新能力的培养
培养学生科学思维和创新意识，使学生掌握实验研究的基本方法，提高发现问题、分析问题和解决问题的能力。
（1）介绍物理实验在现代科学技术中的应用，拓展学生知识面和创新思路。
（2）针对每个实验，提出实验中存在的问题并分析原因。
（3）针对每个实验，提出改进和优化设想，或考虑有无其他测量方法或手段。这个要求相对比较高，我们往往先让学生寻找一些难度适中的问题进行研究。此时多采用研究小组形式，每个小组解决一个问题，锻炼学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，培养团队合作精神。
（4）提出实验所用原理、方法、设备的应用设想。我们最提倡的一句话就是：学以致用。不同的学生，个好不同，往往对同一个实验所用的原理、方法、设备有着不同的认识。正因为如此，他们会从不同角度提出不同的应用设想。而这些天马行空的设想，往往就是创新的开始。
（5）理论联系实际，提出解决实际问题的实验设想和设计。学生在这个过程中学会实验设计，更学会交流和分享。
（6）指导学生改进实验设计，提供实验器材，助优秀学生实现创新设计。
（7）改革实验评价手段，将实验论文、课程作业、提问数量与质量、动手能力、实验设计等作为评定实验成绩的重要依据，使整个评价体系更科学、更合理，而且能促进学生实验设计能力和创新能力的提高。
（8）选拔优秀学生参与开放实验教学与管理，担任实验科普教育志愿者。
以上是我们在中学物理实验教学中的一些改革尝试。实践表明，物理实验教学中强化素质与能力的培养，有利于突出实践性环节中的素质教育，提高物理实验教学的整体品质和素质教育价值。
设计性实验的目的是：加强学生已学的理论知识和基础性实验知识相结合，并将这些知识灵活应用，使学生体会并掌握实验设计的思维方法和分析方法，实验设计的基本过程和方法，培养学生的科学实验能力及创新能力。
二、设计性实验教学体系构建的思路
构建设计性实验教学体系应该把学生的能力和素质培养作为构建的指导思想，以便学生在实验研究的过程中，通过自己的努力获取相应的物理知识和练就一定的操作技能，又能逐步学会一套获取新知识和解决新问题的科学方法。设计性实验教学体系构建的基本思路是：(1)将能力和素质培养贯彻始终，为物理实验教学目标服务；(2)循序渐进；(3)要选择或设计内容新颖、难易适度的实验；(4)要立足大学物理，辐射其它学科；(5)要把科学研究能力的培养和物理知识的建构统一起来；(6)要把科学研究与实验教学有机结合起来；充分发挥设计性实验的教育功能。
三、设计性物理实验教学体系
以培养创新精神和提高综合素质为主线，遵循由易到难、由浅入深、由低到高、循序渐进的教学规律，按照物理实验的实施过程和目的要求以及学生自身个性发展将研究性物理实验划分为以下三个层次。
1.基本设计性实验。给定实验题目与要求，在限定仪器的条件下，拟定实验方案完成实验。基本设计性实验特别注意科学性和趣味性的结合，充分调动学生的学习积极性和创新精神，培养学生设计实验的基本能力、科学的思维方式、探究意识和动手能力。采用指定“单任务教学”模式，教师起到“指导、帮助”的作用。
(1)基本目的。激发学生学习物理知识、研究与探索物理规律的热情，加深对物理规律的切身感受，提高动手动脑能力，激励创新精神。
(2)基本要求。在教师的指导下或自己的独立研究完成实验课题，按学术论文的形式撰写设计性实验报告，使学生掌握基本的实验研究方法。
2.提高型设计性实验。给定题目与要求，在给定仪器条件的范围内选择仪器、拟定二种以上的实验方案进行比较，以较佳的实验方案完成实验。实验原理应是学生在普通物理学习中已掌握或稍加补充即可掌握的。他们要从查找文献资料开始，制定方案，做规划，直至完成实验。
(1)基本目的。培养学生科研综合对比研究能力，查阅文献资料的能力，在实践中提高发现问题、分析问题、解决问题的能力。
(2)基本要求。要求这类实验完成后，进行书面总结和口头报告交流，让他们对自己的实验作介绍，交流在实验研究的过程以及分析问题和解决问题中的宝贵经验和教训。
3.独立型设计性实验。给定实验题目，拟定实验方案、自选仪器完成实验。侧重于综合能力和创新能力的培养，课题涉及的实验内容与方法应具有综合性，学生选定课题后，教师一般只对课题的意义、背景等情况作些介绍，完全由学生自己调研和查阅资料，自己设计、装配、调试实验装置，提出实验方案，完成实验。
(1)基本目的。在培养了学生的基本实验技能和基本的设计能力后，对部分学生提出更高的要求，这一阶段要求学生的自主创新，培养他们的科学研究素质。
(2)基本要求。实验结束时，每个课题都要写出研究论文，并进行学术答辩和交流，部分论文应具有创新的成果，其中优秀的论文应能在正式学术刊物或学术会议论文集上发表。
4.设计性物理实验教学体系及内容方案。根据上面的讨论，由从简单到复杂、从基本到提高的顺序把设计性实验分为三个主要的类型，对于不同的层次有不同的实验项目和具体的实验要求，其中包括学生选做的实验个数、所需的课时数等，提出设计性物理实验教学体系及内容方案如表一。
表一设计性实验教学体系及内容
不同的学校根据自己的具体情况可以对不同的设计性实验类型提出不同的要求，即对基本设计性实验、提高型设计性实验、独立型设计性实验开设的个数和每个实验所需的学时给出符合自身实际情况的规定。根据我们学院的情况，选取基本设计性实验、提高型设计性实验、独立型设计性实验的课题数目分别为2、2、1个，总学时为40学时。
四、设计性实验教学成绩评价
客观、科学评价设计性实验教学成绩，有利于促进设计性实验教学的发展。评价应体现在实验教学中以学生为主，教师为辅，显示学生个性，相互协作，有利于学生科学素质的培养，充分发挥学生的能动性和创造性的宗旨。设计性实验教学成绩评价采用双评模式，把教师的评价和学生自评结合起来，改变以往那种只有教师参与的局面。
1.学生自评。每一个实验学生都进行自我评价，或是以小组为单位进行评价。在评价考核范围里面除了考核实验相关操作技能和实验的掌握外还将实验态度、文献查阅能力、团队合作精神等都纳入考察范围，充分体现设计性实验培养学生科学素质的价值。
2.教师对学生的评价。教师对学生的评价与学生自评同步进行，教师通过对学生的实验设计方案的审核，对实验过程的监督，以及实验结果的分析，给出一个评价。
对于这两部分的权重，不同的学校，不同的专业可以进行不同的调整，一般可以采用教师评价占60％，学生自评占40％的比例来进行，对于不同的给分点可以根据各自情况进行界定。
参考文献：
[1]朱慧群，丁瑞钦.大学物理实验教学方法探讨[J].中山大学学报论丛，2006年第26卷第5期.
[2]侯伟.设计性实验与学生创新能力的培养[J].吉林师范大学学报(自然科学版)，2005年第4期.
在大学物理实验课教学过程中，往往只重视物理理论知识的理解，将重心放在大学生物理知识的获取与验证，忽视大学生实验实践能力的培养，偏离了大学物理实验课的培养方向和培养目标．
1.2实验教材偏理论性，实验思想和方法不足
大学物理实验教材是大学物理实验教学的基础工具，直接影响着大学物理实验教学质量．但是，目前我国大学物理实验教材大多理论性偏强，物理实验思想和物理实验方法不能很好的体现．大学物理实验更应注重物理实验思想和物理实验方法的教育．
1.3多以验证性实验为主，综合性设计性实验为辅
目前我国各高校开设的大学物理实验多以验证性实验为主，验证性实验相对于新技术和新方法运用类型的实验更容易使学生感到枯燥无味，课堂氛围会比较呆板沉闷，不能够很好地激发学生的求知欲望，很大一部分学生只满足于测出所需的实验数据，完成格式化的实验报告．
1.4实验教学方法单一，学生实验较为被动
目前我国大学物理实验课程的教学形式相对固定，教学方法比较单一，忽视各学科之间的兼容性和互补性．由于教学形式的固定，教学方法的单一使大学生做大学物理实验时比较被动消极．
1.5强调按规定的实验步骤操作，忽视灵活性与创新能力培养
大学物理实验教学应适应时代和科学发展的要求，应不断求思、求变和求新，要给大学生营造和创设自由发挥的空间和时间．但是，目前我国大学物理实验课程教学比较强调按规定的实验步骤操作，严重忽视大学生灵活性与创新能力的培养．
2大学物理实验教学的五维一体改革
基于创新人才培养大学物理实验教学五维一体综合改革由大学物理实验教学理念改革维度、大学物理实验教学内容改革维度、大学物理实验教学方法改革维度、大学物理实验报告改革维度和大学物理实验成绩评定改革维度这五个维度构建形成一个综合改革体．
2.1大学物理实验教学理念改革
大学物理实验教学要以大学生为主体，以创新人才培养为导向，从传统的学生接受性学习转移到学生自主学习、探究学习及合作学习相结合的学习方式，充分激发大学生在大学物理实验教学中的主动性和积极性．贯彻以大学生为主体，以创新人才培养为导向的大学物理实验教学改革理念，使大学生能够将大学物理实验中学习到的理论、思想、方法和技能等运用于其专业领域，并逐步培养大学生的探索精神、创新意识和创新能力．针对大学物理实验教学中存在的学生实践能力培养不足，学生学习主动性和积极性低，探究性实验、综合性实验和设计性实验少，忽视创新能力培养等问题，通过学习、反思与讨论，提出行之有效的改革方案（其中包括教学模式、教学内容、教学方法、实验报告撰写及实验成绩评定方式改革等内容）．加强对学生的引导、启发和帮助，减少实验中对学生思维能力及动手能力的束缚，以提高大学生做大学物理实验的主动性和积极性，提高团队合作意识，开发大学生的创新意识和创新能力为主要目标。
2.2大学物理实验教学内容改革
改变目前我国大学物理实验仍以验证性实验为主，以探究性实验和设计性实验为辅的局面，过多的验证性实验会束缚大学生的探究能力和创新能力．大力开发探究性实验、综合性实验和设计性实验，增加探究性实验、综合性实验和设计性实验的开设比例，提高综合性实验和设计性实验的开设质量，使学生能够根据自己的专业需求及其兴趣特长选择实验，切实有效地培养大学生的探索精神、创新意识和创新能力．针对大学物理实验教学内容开展调研，通过座谈会、问卷调查方式向实验教师和实验学生进行大学物理实验教学内容改革调研，以更好的设计并确定适合本校的大学物理实验教学内容改革方案．开设了尊重学生求知欲和兴趣的“基础实验，综合应用实验，设计研究实验”课程体系．开设的压力传感器实验、半导体温度传感器实验、电表的设计和改装等综合性及设计性实验改变了学生实验热情不高的状况，激发了学生的兴趣和动力．很多学生还将大学物理实验与自己的专业背景结合，深入研究探索，在学术期刊上发表与设计性实验相关的研究论文．大学物理实验教学内容改革效果显著．
2.3大学物理实验教学方法改革
目前我国大学物理实验教学更多的采用教师讲解→教师演示示范→学生自己操作→教师总结点评→学生完成实验报告→教师批改实验报告的教学流程，教学方法固定单一，教学效果不佳，特别不利于学生的探索精神、创新意识和创新能力的培养．要更多的采用实验探究法、提问解问法、小组研讨法、课题引领法、课内课外融合法、师生团队法和设计创新法等教学方法，更加灵活多变，具有创新因子，有效地提高大学物理实验教学质量，进一步培养大学生的探索精神、创新意识和创新能力．针对教学方法也开展了一系列改革．首先，建立了信息平台，实现了学生根据自己的意向自主选择实验时间、实验教师及实验内容；其次，教师实现了网上评定成绩、网上教学质量分析；另外，针对创新意识及能力较强，且对科研具有较高热情的学生选择性地开设与目前科学研究的前沿课题相关的研究性演示实验，向学生展示更多的学科前沿实验内容，展示物理实验的思想和方法，进一步培养学生的科研兴趣和科研能力，并为学生将来走上其专业相关的研究领域及研发岗位培养浓厚的兴趣，奠定良好的科研基础．通过大学物理实验教学改革，切实高效地培养学生的创新意识、创新精神和创新能力，以达到培养创新人才的目标．
2.4大学物理实验报告改革
在大学物理实验教学中，实验报告的撰写是一个重要环节，教师能够通过大学生撰写的实验报告了解学生的实验完成情况，实验报告也是对学生进行实验成绩评定的重要依据．目前，在大学物理实验教学中所采用的传统实验报告书写格式相对固定，都是格式化的模板，大学生依次填入实验名称、实验目的、实验原理、实验仪器、实验步骤、实验数据及处理、误差分析与讨论以及对实验的体会就完成了实验报告的撰写．有特色、有创新的实验报告很难见到，很难体现出学生的探究与创新，面对雷同的实验报告，实验教师也很难给出科学恰当的评定成绩．要结合本校的条件和特色，对具体形式不做过多固定要求，不采用格式化的实验报告模板，采用形式多样化的开放式实验报告形式，增加实验探究、实验发现、实验提问、实验扩展、实验改进、实验设计、实验综合和实验创新等板块，还可设置一定比例的按照科技小论文写作格式与写作方法来完成实验报告．目前对于少部分设计性实验鼓励有能力的学生采用开放式实验报告．以硅光电池特性研究实验及核磁共振实验为例，学生可以在教师的指导和引导下，根据自己的兴趣提出问题，设计实验，并最终以小论文形式完成实验报告．这和传统的实验报告撰写方式相比，能够更多地开发学生的创造能力．目前，这种实验报告完成方式有必要进一步推广扩大，但这必须建立在实验教师队伍的素质提高和数量的扩充上．
2.5大学物理实验成绩评定改革
目前我国多数高校的大学物理实验成绩评定一般分为平时成绩和实验成绩两部分，平时成绩考核参考出勤、预习报告等情况给出成绩；实验成绩的评定则根据实验操作、实验原始数据记录和实验报告撰写等给出．这往往使大部分学生忽视探究问题能力的提高．大学物理实验成绩的评定要增加以下内容：（1）要求学生在预习报告中写出自己对于本实验的理解，并提出自己思考的问题；（2）实验中可以4名学生组成一个实验小组（每位学生都有一套完整的实验仪器和设备，每位学生都要完成整个实验），针对不同实验，学生轮流进行实验讲解，并进行小组讨论，培养学生的科学思维能力、科学语言的表达能力以及团队协作意识．实验教师根据学生参与实验讨论的情况判断学生对于实验的预习程度及学习积极性，据此给出相应成绩；（3）实验完成后，激励学生把实验改进、实验与自己专业的联系、实际应用链接、实验设计及实验创新等写入实验报告，以增强学生的创新意识和创新能力．目前，已进行与实验教学体系改革相适应的成绩评定方式，针对不同层次的实验采取不同的方式评定成绩．基础实验仍根据预习、操作和报告三个模块评定成绩；综合性及设计性实验则通过实验选题、实验方案设计、实验操作、实验报告或小论文和简短答辩方式综合评定实验成绩．这样既能训练学生的基本功，打好基础，又能够进一步满足不同专业、不同兴趣爱好学生的需求，有的放矢地进行大学物理实验教学．小论文和答辩方式成绩评定的进一步大范围推广也有赖于实验教师素质的提高和数量的扩充．从实验教学模式、实验教学内容、实验教学方法、实验报告撰写和实验成绩评定方式方面全面进行大学物理实验教学改革实践，并通过反馈信息进一步进行改革——实践——再改革的循环，将大学物理实验教学改革经验进行推广，对其他专业课实验课教学改革起到辐射和推动作用．
传感器教学是新课程改革的重要内容，结合新课程改革开展有效的策略研究符合新课程改革的理念。我们认为，在传感器教学过程中的策略主要包括利用传感器开展实验探究，针对中学物理实验内容开展全面系统的研究，开展中学物理实验设计以及结合传感器和中学物理实验开展教研活动等几个方面。有效的策略将会对传感器与中学物理实验整合的研究起到积极的促进作用。
一、开展探究教学——改变传统实验教学方式
开展探究教学策略是指在传感器与中学物理实验整合过程中，以传感器为操作平台，以探究为教学方式的研究策略。实验探究教学是指在教师引导下，学生运用已有的物理知识和技能，通过自己设计实验方案、进行实验操作、处理和分析数据、解决物理问题和探索结论的一种教学模式。实验探究模式一般包括“提出问题——实验设计——实验探究——获得结论”等环节和过程[1]。开展物理实验探究教学可以改变传统教学过程中过于强调物理知识和技能的倾向，有利于提高学生实验的兴趣，有利于提高学生的实验技能，促进学生积极主动地参与到学习过程中来，使之在经历科学探究的过程中学会学习和思考，逐步培养学生的科学探究精神、参与意识、合作能力、实践能力和创新能力等。这就要求教师在开展实验探究教学的过程中，着力激发学生的学习兴趣，创造学生主动参与的氛围，充分调动学生参与实验探究教学的积极性和主动性[2]。
新课程改革之后，实验探究已经成为实现新课程目标的重要手段和内容。物理实验探究教学不仅要求教师具有探究的意识，还要求为教师配备基本的实验器材和实验平台。由于我国缺乏实验探究的传统，很多中学一线教师在开展实验探究的过程中往往会遇到实验器材或技术上的困难，因此，将传感器应用于物理实验探究教学是一个行之有效的策略。传感器能够精密准确地探测、感受外界信号，并将之转变成电信号，教学使用的传感器具有操作简便、数据图像准确清晰的特点，而且品种齐全。我国目前中学和高校使用的传感器主要包括美国PASCO公司生产的PASCO传感器系统和上海朗威DISLab传感器系统，这两套系统基本都涵盖了中学物理所涉及到的实验种类和实验内容。将传感器技术应用于物理实验探究教学中，实验操作简单方便，可以为学生和教师开展探究节省大量时间，学生不必从实验器材上考虑实验的可行性与可操作性，而且实验数据的采集和分析非常精确，图像清晰，学生可以集中精力思考实验探究的方法和思路，为实验探究设计方案，完成实验探究的过程。这也符合实验探究的真正目的，可以更加有效地培养学生的创新思维能力。
以传感器为平台开展实验探究的策略，可以有效地促进传感器与中学物理实验整合的有效性，可以有效地改变传统实验教学的方式，学生不再是一味听教师讲、看教师做，而是要积极主动地猜想、假设并实验证明，对实验的事实加以分析并获得结论。这必将有利于学生物理实验能力的提高，促进传感器与中学物理实验整合的研究。
二、开展系统研究——使中学物理教师得以借鉴
传感器与中学物理实验的整合研究已经成为物理新课程改革的重要内容和理念，是科学技术、信息技术与物理实验课程整合的重要突破口，对于提高学生的动手实践能力、提高学生的综合素质以及创新思维能力有着重要的作用。国外在这方面的研究经验和我国的现实状况都显示出我国传感器与中学物理实验整合的做法缺乏系统性，没能从整体的视角加以研究。
开展系统研究策略是指在将传感器与中学物理实验整合过程中，要有整体的研究思路，结合义务教育阶段和高中阶段的物理实验要求和设置，从力学、热学、电学、光学等专题角度开展全面而系统的研究，为中学物理教师开展传感器的教学提供理论指导和借鉴。从已有的研究中发现，我国现有的整合研究以案例为多，而且实验的类型多以验证性实验或测量性实验为主，缺乏系统地将传感器应用于中学物理实验的做法。由于中学阶段经费有限，很多中学没有能力购置传感器设备，所以我国的传感器与实验整合的研究主要集中在高校，相对系统的研究主要以硕士毕业论文的形式呈现，中学一线教师的系统研究相对较少。这在很大程度上限制了中学物理教师参与传感器研究的工作，也无法为广大中学物理教师提供系统而足够的示范，无法达到传感器应用于中学物理实验的理想价值。
因此，我们应该系统地对传感器与中学物理实验整合加以研究，既结合案例研究，又要涵盖中学物理实验的整体，将义务教育和高中教育阶段的物理实验内容通过传感器开展全面的研究，并将研究内容和研究成果以适当的形式展示出来，为中学一线物理教师和高校实验研究人员提供必要的借鉴和指导。同时，在研究过程中要具有更为广泛的研究视角，从理论探讨到策略分析，从模式建构到资源开发，从实验设计到实验探究等方面进行系统的研究。系统研究的策略要求我们要紧密结合义务教育阶段和高中阶段的物理课程标准和实验内容要求，利用传感器有针对性地开展全面的实验设计与研究，以便为中学物理教师开展传感器教学提供案例观摩和参考，促进传感器与中学物理实验的整合。唯有此才能实现传感技术与物理实验整合的系统化和全面化，才能为中学物理教师提供更直接、全面的指导。通过系统研究，可以促进传感器技术在中学物理教学中的有效应用，使传感器成为中学物理实验教学中重要而常见的操作平台。
三、开展实验设计——提高实验设计与开发能力
中学物理实验的设计和研究能力是物理实验教学的重要目标和内容，也是传感器与中学物理实验整合的重要策略之一。中学物理实验设计是一种介于基础教学实验和实际科学实验之间的、具有对科学实验全过程进行初步训练的实验教学方式，学生根据物理实验原理和要求，运用已学过的实验方法，结合实验器材，设计出合理的实验方案并加以实施的过程[3] 。中学物理实验设计涉及到对物理实验原理的深刻理解，实验器材的合理选取，实验步骤的设计和安排，实验操作的合理进行，以及实验数据的分析处理、实验结论的得出等一系列过程，这些对于学生创新思维能力、动手操作能力、小组合作和交流能力的培养都有十分重要的作用。
将传感器系统作为开展实验设计的操作和研究平台，可以有效提高学生的实验设计与研究能力，促进学生创造性思维能力的发展。一般的数字传感器由计算机接口、传感器和软件三部分组成。其中传感器用来采集数据，将各种外界信号转换成电脑可以识别的电信号，通过数据转换接口在电脑软件中显示即时的实验数据。运用传感器开展的实验设计，学生通过自己查阅和搜集资料自行推证有关理论，自行设计实验方案，自行选择实验器材，独立地进行操作和测量，对学生实验设计和研究能力、创新能力的培养具有不可估量的作用。
在传感器与中学物理实验整合过程中，教师要尽可能多地为学生创造开展物理实验设计的机会，使学生在完成中学物理实验的过程中感受传感器的优点和科学技术的魅力，体会实验设计的重要价值。教师要有步骤地引导学生由易到难地开展实验设计，初级阶段的实验设计题目和内容可以完全由教师决定和完成，之后可以是教师跟学生合作完成，高级阶段的实验设计则主要由学生自行完成。教师要鼓励学生积极参与实验方案设计的过程中来，大胆地提出自己的设计思想，针对同一物理实验设计多种解决方案，鼓励学生运用多种证据对自己的实验方案进行论证，提出完善和改进的建议等。
例如，在牛顿第二定律的实验过程中，我们利用PASCO传感器对之进行了重新设计和改进。传统的牛顿第二定律实验是用沙桶带动小车运动，通过打点计时器在纸带上打点来分析和研究。但此方法要求沙桶质量远小于小车质量，而且打点计时器打点过程对实验亦有影响。为此，我们在研究过程中利用运动传感器来分析加速过程的实验数据，并且将沙桶（我们用砝码代替）自身的加速度问题也考虑进去，不再忽略沙桶自身的影响，实验效果非常准确[4]，参与的学生和教师的实验设计能力也得到了提升。
四、开展教研活动——促进教研意识与能力发展
在新课程改革背景下，教师的教学活动与研究活动是密切相关的，教师已经不是传统的教书匠，一个教师不仅要把书教好，即把知识和技能传授给学生，还要教会学生学会学习，学会思考和研究。这就需要教师具备基本的教学研究意识，在完成知识教学的同时，要开展一定的教学研究工作，掌握教学研究的基本方法，将教学经验层次的问题升华为更高层次的理论问题，从而提升研究的能力和水平。
在传感器与中学物理实验整合过程中开展教研活动是提高整合层次和水平的重要策略，这不仅有利于教师提升自己的研究能力，还可以更加有效地带动学生参与科研过程，提高研究能力。教师要紧密围绕传感器与中学物理实验教学有意识地发掘一些问题，紧密围绕传感器与中学物理实验的整合研究，保证教研活动的完整性和目标的指向性，使这种教研活动成为物理教师改进中学物理实验手段、提高实验效率、体会科技发展、开展实验探究、培养创新能力的重要手段和方式。结合传感器与中学物理实验开展教学研究的内容比较广泛，可以从理论上进行一些探讨。例如，国内外传感器教学的进展和现状、传感器的重要性、将传感器与物理实验整合的方式方法等。也可以结合具体的实验案例开展一定的实验研究与分析，例如实验验证动能定理的研究[5]、单摆的实验设计[6]、动量定理的实验设计与研究[7]等。在动量定理的实验研究过程中，我们将不易测量的合外力冲量通过力传感器测出，将动量的变化用运动传感器测出，两者进行比较即可分析出冲量和动量变化的关系。在研究过程中，教师不仅提高了教研的意识和能力，还积极引导学生参与科学研究的意识，教给他们基本的研究方法，这对参与研究的学生起到了积极的引导作用，提高了学生的科学素养和科学研究能力。通过教研活动的开展，可以促进教师专业能力和学生科研能力的发展，为创新型人才的培养奠定基础。
传感器与中学物理实验的整合是物理新课程提倡的重要内容和理念，体现了物理课程与科学技术的结合，也体现了物理课程内容的选择性和前沿性，其整合研究已经成为我国中学物理实验改革和研究的重要课题。策略更具普遍意义和方法论意义，开展有效的策略研究将会非常有效地促进传感器与中学物理实验整合的研究。
参考文献
[1] 刘茂军.用数据采集器实施“实验探究”教学的理论与实践.教学研究，2011（2）.
[2] 姚文俊，武丰旭.发展学生主体性的教学策略研究.中国教育学刊，1998（2）.
[3] 刘茂军.中学物理实验设计思想方法拾萃.物理教师，2012（1）.
[4] 刘茂军，刘惠莲，肖利.基于传感器的牛顿第二定律实验设计与研究.中学物理教学参考，2012（11）.
实施素质教育的高中物理实验教学是面向全体高中学生,以物理知识教学为骨干,以科学素质教育为核心的全方位的教学。本人试从以下几点通过高中物理实验教学过程的特点说明高中物理实验教学如何渗透素质教育。
一、发挥学生的主体作用
在知识经济条件下,国民素质是综合国力的重要内容,特别是国民的科学素质和创新能力,将是一个国家和民族发展和进步的灵魂。这种人才培养模式,要求我们在教学实践中要重视学生的思维能力、科学创新能力、独立工作能力、自我学习能力等综合能力的培养。
1.让学生主动地参与到知识获取的过程中
素质教育的显著特点就是使受教育者能主动地学习、主动地发展,这就要求高中物理教师在实验教学过程当中要充分体现学生的主体作用,要使学生积极地参与到知识的获取过程当中,从物理现象的展示、实验现象的发生开始,就要让学生注意观察、掌握现象的特征,开始认真地思考、猜想、判断等一系列的思维活动,随即引导学生动手进行实验,让他们亲身去体会,试着透过现象抓住事物的本质。这样就能够使学生自觉、主动地进入到知识获取的过程之中。
2.课堂的时间和空间尽量多让给学生
在空间上,教师要主动让出自己长期以来一直牢牢控制的主导位置,给学生空间,让他们去思考、讨论问题、探索规律,从而获取知识。在时间上,一节课仅有短暂的40分钟,时间稍纵即逝,教师若放手让学生动手实验、去讨论,就不能在规定的时间内完成教学任务,这显然是一个矛盾,要解决这个问题,教师就务必要控制好时间和课堂节奏,在环节安排上一定要科学合理。
二、发挥教师的主导作用
要想在物理实验课程当中更好的将素质教育渗透进来,教师应做到以下几点:
合理处理好试验教材,做到详略得当,主次分明,本质问题要突出强化,主要问题要单刀直入,防止拖泥带水,在展示学习内容时要充分、要展示出实用意义;教学思路要清晰,层次要清楚,过程要流畅,过渡衔接要自然、要精心设计;学生的认知水平要掌握清楚,实验设计要实事求是、切合学生实际,提问要有技巧;课堂教学结构要严谨,前面的教学内容应是后面的“铺垫”,后面的知识应是前面的延伸,做到一环扣一环,环环紧扣。
要不断变换教学手段和教学方法,充分发挥教师的情感作用,以情感调动学生的积极性,以情感强化学生对物理知识的认识。对实验教学过程当中的突发事件要有所估计,有所准备,实验的准备要十分充分,实验环节必须交待清楚,实验中必须力求做到成功,实验现象要让每位学生都能观察到,观察现象前必须告知观察方向,下达好思考任务。
三、开展课外小实验活动,培养学生的动手操作能力
高中物理试验课本上除演示实验和学生实验外,还根据不同章节的知识特点确定了近20个课外小实验,本人认为将其分布在三年内完成仍显不足。为此本人认为,可以联系有关章节知识,另外增补一部分。
如在《动量》一章里可增设“用自来水观察反冲运动”;在《电场》一章里可增设“静电屏蔽现象的观察”;在《光的色散》一节里可增设“室内彩虹形成”等小实验,平均每月至少有一个可做。还可将这30多个课外小实验编成序列,按教材的特点分阶段以课外实验兴趣小组为中心组织实施,每个小实验尽量要求学生独立设计,独立操作,并独立完成实验报告。对于难一些的小实验,教师可给予一定的提示与指导,包括实验原理、所需器材、操作与观察要领等。
四、开展科技小制作和撰写科技小论文活动,培养学生的创新思维和创造能力
将教材上与我们日常生活和社会生活联系较紧的知识做恰当地扩展,引导学生在课外独立完成科技小制作。如在学完电路知识后,学生可去完成“简易热得快自控电路设计与安装”“节日闪烁彩灯电路的设计与安装”和“多用电表组装”等;学完“磁场”后,学生可去进行“指南针制作”等。
生动有趣的科技小制作和小论文撰写活动,能够极大地陶冶学生们的科学情趣,培养他们独立思考、独立创造、独立幻想的能力,对他们养成良好的科学态度和良好的科学习惯打下了坚实的基础,对他们未来献身科学的人生道路也有很大的启迪。
参考文献:
物理学是一门以实验为基础的自然学科。实验是物理探究的重要科学方法，高中物理实验教学的改革应当关注探究思想的介入，改变将实验的功能仅归于验证理论和培养动作技能的观点。2003年3月31日教育部颁布了《普通高中物理课程标准(实验)》，指出高中物理的课程的基本理念是：①在课程目标上注重提高全体学生的科学素养;②在课程结构上重视基础，体现课程的选择性;③在课程的设置上体现时代性、基础性、选择性;④在课程实施上注重自主学习，提倡教学方式多样化;⑤在课程评价上强调新观念，促进学生发展。课程目标从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个维度提出了要求。科学探究被提到前所未有的高度，科学探究己经成为物理课程的基本理念之一，被列入课程目标和内容标准，同时还被作为重要的教学建议之一。
基于以上原因，在新课程实施的初期，对新课标下物理探究性实验进行研究具有一定的理论和实践意义，可以为课改和新课程的实施提供参考。
1.物理探究性实验的定义
物理探究性实验是为了探求物理知识，学会一定的物理研究方法等而进行的涉及提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作等活动。它是物理领域中的科学探究。在具体的教学实施过程中，可以涉及科学探究的某几个环节，也可以是全过程，分别是“部分探究”和“完整探究”。实验探究现己成为理科教学的重要标志，也是日前一些发达国家的中小学理科教学的基本教学手段和学生活动的主要形式。
2.物理探究性实验的设计原则
2.1主体性原则。整个探究性实验学习活动始终要围绕学生自己发现—选择—探究—解决问题这个研究活动过程来设计，以学生的活动为中心，放手让学生自己去研究、探索，把学习活动的主动权交给学生，教师在其中只起点拨的指导、领路作用。在设计探究性实验时，要充分考虑如何激发学生对问题情境或探究内容的兴趣和探究动机，要保证探究活动过程对学生的开放性，给学生提供自主探索、自主创造的机会，让他们各尽所长，充分发挥。
2.2目标的原则。做每个实验都要有明确的目的，具体到探究的每一步也要有明确的目标。这里的目标包括知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三方面。当然具体到每个探究性实验，其目标可能有所侧重。只有明确了要达到的目标，探究就有正确的方向，学生就能在探究过程中经受住困难或挫折的考验，从而对探究过程的艰辛与乐趣体验得更深刻。
2.3科学性原则。探究性实验设计中的实验原理科学、装置合理、操作程序和方法正确，探究性实验设计的全过程都科学、合理，所采用的设计标准、方法、步骤等都有一定的理论依据或实践基础，得出的实验结论就可能是正确的。在整个探究过程中，要着重培养学生科学思维方法，观察和记录实验的方法，以提高学生的科学素养，这也正是探究性实验设计的宗旨。
2.4趣味性原则。探究性实验的设计要充分考虑学生心理特点和认知水平，实验设计要生动、有趣，能使学生在进行实验探究时，自始至终保持很高的兴趣。
2.5简约性原则。简约性是指要用尽可能简单的实验方法和实验装置，用较少的实验步骤和器材，在较短时间内达到预期的日的。用简单易行的、合理的实验设计，冲淡学生怕实验准备工作麻烦的情绪;用新材料、新工具降低实验的操作难度。实验设计简约，装置简单，操作简便，节约时间，整个实验过程中没有过多的干扰，学生将主要精力集中在探究目的上。简单就是美，恰当的实验设计既突出实验重点，又没有冗长的实验步骤。
2.6互动性原则。现代教育理论指出，教学过程是师生交往、积极互动、共同发展的过程，师生互教互学形成一个真正的“学习共同体”。在教学中，存在着师生间、生生间的交往。交往的基本属性是互动性和互惠性。信息交流实现了师生互动，相互沟通、相互影响、相互补充，从而达到了共识、共享、共进。
3.新课标下高中物理探究性实验内容的选择
实验内容是实施物理实验并使教学效果达到预期目标的根本。物理实验中蕴藏着极为活跃的因素，随时会出现许多学生意想不到的问题，对与活化学生学习的知识和训练思维有很大的好处。在实际选择内容时要考虑到以下几个问题。
3.1目标的全面性。传统的实验教学在目标上主要强调知识的获取，包括一些具体的实验技能。而探究实验教学应具有更加全面的目标，不仅包括知识方面，而且应该包括态度、情感、能力等诸多方面。按照新课程标准的要求就是知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观这三个维度的要求。课程标准对科学探究及物理实验能力要求，即提出问题、猜想和假设，制定计划与设计实验，进行实验与收集数据，分析与论证、评估，以及交流与合作。
3.2内容要在学生的“最近发展区”内。所谓“最近发展区”，就是学生独立解决问题时的实际发展水平与学生在教师引导下解决问题时的潜在发展水平之间的距离。教师的引导应高于学生原有的水平，否则学生得不到应有的发展;但也不能差异过大，否则会导致学生学习失败，对学习失去兴趣。
3.3内容要贴近生活、贴近社会。很好地联系学生的生活实际和社会实际，可以提高学生对物理的学习兴趣，使学生感到物理就在自己身边，也可以使学生在知道和理解物理知识的基础上，能够清楚所学的知识能用于做什么和怎么做，同时对物理的本质和价值，有一个正确的认识。
3.4内容要结合课程标准。新课程标准中的实验可以分成几类。
第一类是在表述上有“通过实验，探究……”等字样的实验，是一类基本的探究性实验，是课程标准规定了的。这样的实验的例子有以下一些：通过实验，探究加速度与物体质量、物体受力的关系；通过实验探究决定导线电阻的因素，知道电阻定律；通过实验，探究单摆的周期与摆长的关系。
第二类是在表述上有“通过实验知道……”“通过实验认识……”“通过实验了解……”“通过实验理解……”“经历……实验过程，了解……”等字样的实验。这样的例子有：通过实验认识滑动摩擦、静摩擦的规律，能用动摩擦因数计算摩擦力；通过实验了解物体的弹性；通过实验理解光的折射定律；通过实验知道常见传感器的工作原理。对于这样的一类实验，可以根据实际需要，把它们设计成探究性实验。
有些课程标准上要求“通过实验演示……”等字样的实验，这类实验，也可根据情况设计成探究性实验，比如：用录像片或计算机模拟演示以粒子散射实验。
还有些实验是不适合被设计成探究性实验的，主要是仪器使用、操作训练等类型的实验。比如：初步了解多用电表的原理；通过实际操作学会使用多用电表；以多用电表为测量工具，判断二极管的正负极，判断大容量电容器是否断路或者漏电。
4.展望
新课程的实施势在必行，科学探究作为基础物理课程改革的基本理念，体现在课程目标、课程内容、教学方式、学习目标和课程评价等方面。实验是物理探究的重要科学方法，高中物理实验教学的改革应当关注探究思想的介入，改变将实验的功能仅归于验证理论和培养动作技能的观点。从这个意义上说，物理探究性实验教学的升展是必然趋势。在新课程标准下如何更好地进行物理探究性实验的教学，还有很多问题值得探讨，比如，如何安排实验探究的内容、时间，如何对物理探究性实验进行评价，如何开发物理实验方面的教学资源比如实验室资源、教师人力资源，等等。
参考文献
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