时间：2024-02-18 16:04:48
一、吃透教材――提供自制教具的原理保障
自制教具是实现科学课堂有效探究的必要补充，必须根据教材提供的科学原理进行研发。因此，自制教具的有效实施必须对教材做一个全方位的探究和思考，这是自制教具有效实施的客观前提。吃透教材能为自制教具活动打好有效铺垫，这是一个始终如一的探究过程。教师要在教学过程中沿袭细吞慢咽的原则对教材进行不同层次的思考和探索。
1.初读教材
教师要读懂教材设置的基本实验现象，除了教材的基本布局外，对教材文本和图片，教师也要做到心中有数。同时，教师要全面理解教材设置的科学概念，这是探究实验的成果目标，明确基本概念中蕴含的科学原理尤为重要。此外，教师要在现象和概念间建立一种联系性思考，思考实验探究活动中传达的科学信息及其与概念的合理性。
2.细读教材
教材的细化研读有利于理清教材细节。教师要思考实验操作和科学概念的有效衔接，读懂和理清教材中实验器材设置的重难点。
3.反思教材
实验设备的完善是无止境的。教师要带着科学教学的精神，吸取实验成与败的经验，反思实验的合理性和高效性，学会质疑教材，分析成败原因，找准实验设计的突破点。
4.拓展教材
教师要抓住实验关键，不断思考、勇于推进、积极尝试更为有效的实验探究方式，关注细节、突破难点、有效演示、有效概念等都是进行自制教具的切入点。
二、深化教学――酝酿自制教具的动力支持
对科学教学的思考和拓展是自制教具的源动力。教学中有许多未知领域值得我们去探索和追求，对探究实验中的脚手架――实验器材进行有效研究，将有效促进科学教学的发展。
1.目标定位
我们要像科学家一样学习科学，教学的内在深度和广度就会得到不断的拓展和延伸。教师要以探究为核心，贯彻小学科学新课程的先进教学理念，面向全体学生，努力提升自身的科学素养，成为一个研究者，更好地引领课堂教学。
2.课前酝酿
教学设计要切合学生的学习心理，以科学探究为核心。教师在每次上课前要进行下水试验，找准实验的成败点，进行前期思考。此外，教师要注重创新思考，在设计、取材和制作上巧花心思，实现实验的合理性和有效性。教师要以课堂浓厚的探究味、研讨味和趣味化为目标，把握学生的学习心理和课堂教学氛围，倾听学生的呼声。
3.课时生成
在教学中，教师要善于发扬个性，对科学教材进行灵活处理，营造轻松、有趣、高效的课堂气氛。教材导入部分要切合主题，注重生活化与趣味化，充分调动学生的生活经验，激发他们探究的欲望。教师要以问题为线索，以有结构材料为铺垫，引领学生有效思考和跟进。在设计环节，教师要引导学生进行有效酝酿、制订计划、思考材料、引出实验材料和实验细则。在实验环节，教师要调动学生个体和小组的积极性，确保实验的安全与效果；进行实验后，教师要注重实验单的整理和研讨，以生生或师生的研讨为基础，提炼探究活动的内在价值。
4.课后延伸
基于科学课堂，教师应引导学生向生活领域拓展。小论文、小制作、小发明等创新社团都是学生探究和思考的平台。对自制教具来说，教师要反思实验器材在课堂中运用的有效性，从实验的高效、便捷和简约性等角度进行思考和突破。
三、创意思考――引发自制教具的灵感生成
发现问题比解决问题更重要。自制教具的研发源于课堂且高于课堂，锁定探究实验的教学困惑进行针对性的思考是自制教具的前提。如何挖掘自制教具的问题生成是自制教具的重要内容。
1.关注科学课堂探究中的点滴细节
现有教具在教学中出现的细节性缺陷，尤其会影响实验的高效达成时，就会让教师产生自制教具的灵感。关注细节、锁定细节、突破细节是自制教具灵感获取的必要途径。
自制教具：便携式电路检测器（教科版小学科学四下“电”）
关注问题：
我在讲授“导体和绝缘体”一课时，学生完成对指定材料的检测后，在他们开始检测教室材料时意外地发现学生拿取电路检测器很不方便，有的组将电路检测器握在手心，有的组是两人分工检测。
策略思考：
如何设计便携式电路检测器，经过思考和研究，我从学生佩戴的儿童玩具手表中受到启发，形成将电路检测器安装到玩具手表上的创意。
自制教具：白糖加热实验改进版（教科版小学科学六下“物质的变化”）
关注问题：
白糖加热实验要求学生必须戴上安全手套，手持金属汤匙用蜡烛给白糖加热。但在教学中会发生意外，加热中的液态糖会溅到学生手上。
策略思考：
教师可以制作支架固定金属汤匙，并在多种材料中进行筛选和改进。经过反复试验和改进，我决定利用三脚架边缘，将铅丝弯折，绕成一个汤匙架，解放双手，提高实验的安全性。
2.有效提高科学实验的直观演示性
实验的直观演示是一种很好的教学手段，如何提高传统教具的直观演示性也是自制教具的灵感源之一。
自制教具：磁悬浮列车教具（教科版小学科学三下“磁铁”）
关注问题：
磁悬浮列车教学往往表述磁极原理，通过环形磁铁进行同极相斥的实验探究，但是微型实验教学不能自然地迁移到大型的磁悬浮列车。
策略思考：
指向设计一个较大的磁悬浮列车模拟效果。我最终从小孩子的强力磁铁中受到启发，购买了一个2cm×1cm×0.2cm的强力磁铁，重点解决强力磁铁的拼装难题，经过近2个月的努力终于完成磁悬浮列车模型的搭建。
3.以探究实验的难点突破为出发点
教师在教学中不难发现配套教具总会存在一些难点问题，导致很多实验达不到要求的精准性，操作麻烦。实验的难点突破是自制教具创作的重要源泉。锁定难点、突破难点是教具制作的重要路径。
自制教具：小缆车时速测量装置（教科版小学科学五上“运动和力”）
关注问题：
我在进行测试“拉力大小与小车的运动关系”的实验时出现了下列操作难题。
（1）计时动作需要专门训练，浪费时间。
（2）由于小车从起始点到终点的确认仅靠经验来感觉，计时数据精确性差。
（3）小车没有专有行驶跑道，容易偏离直线跑道，导致行程变长，干扰数据的可信度。
策略思考：
解决这些技术难题的关键是秒表的计时工作，我在对秒表研究时意外发现秒表计时开关可外接，可以在秒表外并联接出起始开关和终点开关。攻克起始开关和终点开关的设计制作难题后，我又制作了小车导向轨道和终点开关内金属滑道，至此小车运动快慢测量装置的设计和制作方案就浮出水面。
自制教具：数字化轮轴原理器（教科版小学科学六上“工具和机械”）
关注问题：
在轮轴的实验探究中，我发现教材设计中存在一些难以克服的难点。
（1）轮轴原理缺乏足够的说服力，按照教材的方式操作只能实现两倍和三倍轮的实验效果。实验次数不多，影响结论的有效性。
（2）轮轴的组装及砝码悬挂较为繁琐。
策略思考：
如何实现集成化实验效果一直是我思考的重点。最初的时候，我想用一到五倍的轮进行组合，但是制作既麻烦又费材料。能否进行简单、有效的实验设计？于是，我将多轮进行合并，采用面结构，用画圆的方式绘制五轮圈，在五轮圈横向直径交点处设置挂杆，轮轴面左侧挂杆挂砝码，右端挂杆用挂线连接可移动电子称，实现轮轴实验数字化、简约化与高效化的实验效果。
自制教具：数字化物体稳定性检测器（教科版小学科学六上“形状与结构”）
关注问题：
《建高塔》一文的教材设计是塑料瓶大头朝下则稳定，瓶口端朝下就不稳定。在做“上轻下重稳定性好”的实验时，在塑料瓶底盛放沙子或水，我们可以得出“底部加重稳定性好”的原理。但是这样的实验显得有些粗糙，用手指拨动仅仅获得粗略的感觉，缺乏实验的严谨性和科学性。
策略思考：
解决方案的设计灵感来自实验中用手拨塑料瓶，可以设计用挡板代替手，用螺杆旋转推动挡板移动，在挡板上设计移动杆和指针刻度盘，以数据的方式配合呈现。设计大小、轻重模块，作为标准实验模块，从而实现实验的标准化。
4.紧紧围绕科学概念的有效生成
科学概念是科学探究活动的结晶，既是探究的结果和目标，又是探究活动的主线。教学具是学生建构有效科学概念的载体，使科学概念以实证的科学方法来演绎。关注实验器材对科学概念的有效达成，成为改进和开发自制教具灵感的重要来源。
自制教具：体验版与数字化撬棍原理器（教科版小学科学六上“工具和机械”）
关注问题：
杠杆教学中将撬棍翘石头作为导入，杠杆尺作为原理探究的载体。但是撬棍翘石头对现代学生来说比较陌生，学生没有体验的机会，教材设计变得空洞乏味。在整理杠杆平衡原理所得的数据时，学生很难发现其中的规律。
策略思考一：
为了解决有效体验的问题，最初的方案是教师在教室里提供实物体验，但准备繁琐，存在一定的危险性，之后想到可以在实验桌上进行体验。于是，我决定将支点设计为滑道移动式，重物盒可放不同数量的砝码，用长块合页固定在底板上，设计一个多功能、高效的体验版撬棍原理器。
策略思考二：
如何解决实验数据整理难的问题，经过思考，紧紧围绕撬棍进行延伸和拓展，我认为可以在撬棍用力点一端挂取砝码，阻力点一端用电子秤进行数字化显示，将阻力点向上的力量利用下端的定滑轮转化成向下的力量，再用手提电子秤显示，数字化撬棍原理器的灵感模型就出现了。
四、设计生成――促进自制教具的方案完善
自制教具的创作灵感是成功的开始，在灵感雏形的基础上教师要努力做到精益求精，不断完善、反思、改进与突破，巧用图纸。自制教具的设计方式因人而异，有很多种，但在设计环节要遵循简约高效的原则，努力达到事半功倍的效果。下列是自制教具设计环节中的阶段性示意图（见图1）。
教具的构思要遵循针对性研究的原则，在远景目标指引下，逐个击破，步步为营。同时，教师要养成先重后轻、首先攻关核心技术的设计要领，然后再研究附加难题，这样就可以少走弯路。设计方案要坚持从设计草图，到图纸的改进细化，再到图纸完善的路线。教师应在有效反思中，不断和修正，直到形成精准图样为止。
在设计环节，教师要进行有的放矢的多维思考。突破核心技术是关键，此外还要考虑制作的可行性，基于简单有效的原则进行核心技术的试验。此外，教师也要考虑选材和经费。自制教具的选材可以在商店、商业城或网络上购买。学校历年积累下的闲置教具也可以变废为宝。同时，这一环节要为教具的制作环节做好准备。教具制作的总后台是设计者，要坚持自主制作、外援参与的原则，在教具制作中要和木工、铁匠工和油漆工等及时联系，建立长久合作的关系。
五、制作完善――实现自制教具的有效制作
预先周到的设计和精确的图纸描绘为教具制作指明了方向。材料的构思与预设基本成型，制作的可行性也应进行明确安排。
（1）检查设计图样：制作前必须对设计图纸进行排查，确保图纸的成品效果。检查的问题有：图纸结构原理的正确性、图纸尺寸的规范性、材料选择的有效性及制作加工的合理性。
（2）准备制作工具：常见的工具有剪刀、老虎钳、尖嘴钳、螺丝刀、金属焊接器及各类胶水、胶带等粘合剂。非常见工具，如电钻、抛光机、简易车床等。对制作工具，教师要做到心到手到，注意积累操作经验。
（3）预设制作材料：教具的取材设计环节主要是安排和采购，遵循物美价廉的原则，可以在一般小店、商场、商业城购买，或者网上购物。在采购前，教师要列好清单，购买时一目了然。
（4）统筹制作步骤：首先制作关键技术部分，再对其他附加难题进行制作，制作中要及时查看和修正，确保质量，进行统筹安排。
（5）自主有效制作：坚持自力更生为主，把图样记在心里，努力将其变成实物，把握各个环节。在制作时，教师要控制尺寸和形状，及时进行试验。
（6）联系外援制作：有些环节要求助于外援，如木工、铁匠工、油漆工等。教师要做好有效指导，和外援做好交接，明确交代制作要求，及时商讨，寻找最佳制作方式，建立良好的合作关系。
（7）组装美化教具：对教具的外形进行美观设计，如颜色、装饰涂装等。
六、检验应用――优化自制教具的使用效果
自制教具的试验是一个必要环节，自制教具的应用是最终的归宿。自制教具要进行实践性检验，在教学应用中不断完善和提升教具的价值。在自制教具的预设功能下，教师要有的放矢地进行反复试验，收集和记录数据，或借用仪器检测，在应用中比对实验数据和实验要求的达成度，在展示和交流中征求学生的意见和看法。
设计的检验：设计环节的检验为有效制作的实现奠定基础，只有经过有效试验才会推进教具的科学设计，教师要基于先重后轻、逐个击破的原则，及时进行检验、整理、思考和改进。
制作的检验：坚持稳扎稳打的原则进行及时检验，使制作过程更为顺利。教师应坚持从核心技术出发，进行附加技术的检验，压缩次数，提高效率。
后期的检验：教师要对教具进行多次实验操作，做好实验记录，整理和比对预设效果，及时进行教具的调整，直到达到设计要求为止。
关键词：家庭小实验；作用；选择；评价
初中学生接触化学只有一年的时间，他们要在这一年内认识化学、接受化学，可以说兴趣是关键，新课程的实施就是为了让学生在快乐中掌握更多的知识。而对于化学，实验就是学生的兴趣所在。理论是苦的，而实验可以把苦变甜。家庭小实验贴近生活可以使学生更感受到学习的甜。家庭小实验生动、有趣，可以很好的把日常生活和化学知识联系起来。例如，平日学生对蜡烛的燃烧、铁生锈、石灰池中的变化、蒸馒头等现象视而不见，通过家庭小实验，使学生懂得了蜡烛燃烧中的物理变化、化学变化、火焰的层次等知识，知道了铁生锈的原因及防止锈蚀的方法，明白了学习的内容与日常生活有着千丝万缕的联系，从而增强了学习的积极性和主动性。每一个家庭小实验和制作过程，都是对学生的创新精神和实践能力的培养过程。所以我认为每一位中学的化学老师都应该很深刻的认识家庭小实验。
一、先要明确在教学过程中的作用
1.有利于激发学生的学习兴趣。初中化学的学习重点在于与社会联系，贴近生活，而家庭小实验恰恰是与生活实际相联系，学生参与面广，尽可能让学生在现实世界中亲自体验事物的变化过程、变化条件和所得结论，体验这些变化对生产、生活的影响，从而激发学生的学习兴趣。
例如，在讲《燃烧与灭火》这一节时，课前布置学生回家试一试点燃小木条和煤块的难易，同时去点燃干棉球和湿棉球，回忆生活中熄灭煤气炉火、扑灭油锅火焰、吹灭木条火焰的经验，从中领悟出燃烧的条件和灭火方法。通过一系列的小实验，其教学效果远远超出教师单纯从原理上分析或让学生被动地观察教师的演示实验所取得的效果。
2.利于培养实事求是的科学素养。家庭小实验虽然简单，但是它却能揭示日常生活中化学现象的实质，用化学原理来指导和解释各种日常生活用品的制作和使用。通过亲身实践，在快乐学习的氛围中使孩子们掌握解决问题的科学方法，培养实事求是的科学精神和一丝不苟的科学态度。
例如，平时学生对蜡烛的燃烧视而不见，通过家庭小实验，使学生懂得火焰的分层，燃烧中物理变化、化学变化的发生以及火焰上方的一缕黑烟，熄灭后的白烟等知识，从而合理地作出解释。
通过家庭小实验的实施，使学生在实验中养成实事求是地记录实验试剂的用量，记录实验现象，科学分析某些生活现象。
二、其次要精心选择，合理指导
家庭小实验内容丰富多彩，各类实验各有自己的功能与作用，在选择其内容时要注意内容的科学性、创造性和可操作性，又要重视实验内容的多样性。使各类实验交替进行，既注意学生能力的发展又有所侧重，以满足不同的情境体验。
为了更好发挥家庭小实验的作用，在布置家庭小实验前，要对以下问题作好指导：①实验用品（或替代品）的选择；②反应原理；③实验步骤及注意事项；④实验过程中要细心观察、及时记录。
例如：学了常见酸碱盐的应用后，利用周末，让学生在家制汽水。①实验用品：白糖、果味香精、小苏打、柠檬酸、凉开水、带盖的空瓶、筷子；②反应原理：小苏打与柠檬酸反应生成CO2，CO2溶于水，制成汽水；③实验步骤：打开空汽水瓶，加凉开水，再加白糖、香精及少量小苏打，用筷子搅拌溶解后，迅速加少量柠檬酸，立即盖紧盖子；④观察现象：瓶内产生大量气泡，打开瓶盖，气泡冒出。利用同样的原理可以让学生尝试着制作简易的灭火器，来提高学生对知识的扩展能力。老师对各类小实验都要进行选择并合理指导，让学生务必做到有的放矢。
三、最后要进行科学的评价
教师评价是整个家庭小实验活动过程中的重要环节，教师应对学生的活动态度、情境体验情况、技能掌握情况与能力发展情况作出公正、激励性的评价。
关键词： 初中物理 实验课程 设计思路 优化创新
物理作为一门应用型科学学科，极其注重理论知识的实践应用，再加上物理原理常具有抽象性特征，对于初中生而言存在一定的理解困难。因此教师需不断优化物理实验课设计思路，融入更多趣味性和生活性，从日常化实验入手，促进学生参与到物理学习互动的友好氛围之中，提高学生物理应用能力。
一、初中物理实验课教学目标
物理学科是一门应用性极强的科学学科，以理论知识为导向，在此基础上以观察和实验为重要途径，促进学生更为直观地感受物理原理的本质内涵。初中阶段传统物理教学模式存在重理论轻实验的现象，过于注重应试教育培养，另外存在因实验器材和场地不足而导致实验课匮乏的问题。这样的教学现状很容易导致学生无法亲历物理实验整个过程，只能强行记忆实验结果和物理结论，实际应用中只能知其然而不知其所以然，极大地阻碍学生对物理知识的有效掌握。
基于此教学现状，初中物理实验课教学目标便在于提升学生对物理实验的参与积极性，在枯燥的物理理论知识学习过程中融入实验实践的趣味性，促使学生在玩耍中学习，体会物理学习的真正乐趣，并以此构建更富有互动性的和谐课堂，极大地提升物理课堂效率，促进新课程目标的优化实现。
二、初中物理实验设计探讨
（一）创设惊、险、奇、趣的实验情境，增强学生参与热情。
在初中阶段，学生逻辑思维能力还在逐步发展和完善之中，因此针对物理学科作为一门逻辑性极强的科学学科而言，初中学生存在一定的理解难度。面对这样的教学现状，教师需要强化初中物理实验教学效果，不断优化实验教学设计思路，帮助学生在物理实验中直观感受到物理知识的逻辑性和抽象性，实现寓教于乐的教学目标。
引入教学可采用一些惊险的演示实验，让学生急切了解引起虚惊的秘密，实验时可采用多种方式渲染实验发生的过程和结果，可得到更好的教学效果。以沪科版初中物理“惯性”为例，引入时把一未开封的可乐瓶放在桌子上，瓶底压一纸条再慢慢拉动纸条，让学生看到瓶中纸条移动到桌子边缘，重做一次上面实验，学生的心顿时被吊起，当教师突然用力抽动纸条，学生随之异口同声“啊”；又如沪科版初中物理“安全用电”一节，摸拟“单线触电”，当教师用故做颤抖的手拿着铁丝向火线插孔移近时，大家都为老师的安全捏把汗，随着铁丝的突然插入，教室里发出了惊叫，当看到老师安然的神态又惊奇地睁大眼睛。课题引入的实验设计要能激起学生的好奇心，让学生急于了解所学知识内容，创设良好学习情境，达到事半功倍的效果。
（二）鼓励学生参与实验，强化课堂的互动性。
在初中物理实验课设计过程之中，教师应注重学生主体性充分发挥，以学生为中心，鼓励学生参与到物理实验过程之中，构建互动氛围极强的积极课堂学习环境，从而激发学生学习物理的兴趣。以沪科版物理课程“摩擦力”为例，教师在引入教学实验设计的过程中，可采取物理原理应用小游戏，如可以组织“拔汽水瓶”比赛，分别高大壮实和较为矮小瘦弱的两位学生，在两人之间进行拔河比赛。教师可在汽水瓶的细口处涂上液体，让高壮学生握住细口处，让瘦弱学生握住没有处理过的粗口处，这时可以引导学生参与竞猜，哪个学生会取得胜利。一般而言认为高壮学生力气更大，会赢得这个小游戏，但实际上却是瘦弱学生取得了胜利，同学们个个大失所望。带着悬念学生在课堂中积极探究原因所在，积极主动参与课堂实验探究，激发学习动力，努力了解知识规律，营造良好课堂氛围。教师在小结环节让高大学生告知大家汽水瓶的细口处涂上了液体，液体影响了摩擦力大小，无法抓牢，因此导致拔河失败，学生能更好地巩固所学知识内容。教师在教学过程中可大力鼓励学生参与到物理实验过程之中，利用学生的好胜心理体验知识形成过程，感受知识的魅力，营造良好互动氛围，让学生感受到学习的乐趣，乐于学习。
（三）抽象的物理知识具体化，降低学生的理解难度。
物理课程中富含大量抽象名词及物理原理，应用传统教学模式存在一定的理解难度，容易造成学生在物理课程学习中的厌倦感，丧失学习物理的兴趣和积极性。因此教师在物理实验课设计过程中需要注重将抽象物理知识具体化，将过于理论化的物理原理与实际生活实践紧密结合，以此帮助学生降低物理知识理解难度。以沪科版物理课程“凸透镜成像”为例，初中学生对凸透镜、焦点及焦距这一类抽象化概念存在一定的理解困难，教师在实验设计过程中可借助生活化工具，如可以准备一盒小火柴，将凸透镜正对着太阳光，让光线焦点集中在火柴头之上，不久之后火柴头便会燃烧起来。通过这样一个小实验设计，学生能直观感觉到又小又亮的光斑，同时激发学生对这样一种点燃方式的好奇心。教师便可以因势利导，讲授凸透镜成像及焦点、焦距的概念及作用。教师可以引导学生参与到实际生活的模拟实验过程之中，通过自身摸索和实验，真正体验并掌握物理知识。如沪科版物理课程“让电灯发光”一节，其中学生对“短路”概念是比较难以理解的，只有部分学生知道电流发生短路造成的危害，但对于短路是怎么回事，造成短路的原因却无人知晓。教师在实验设计的过程中可把演示实验改成学生分组实验，并把连接电路的铜导线用包裹口香糖的金属箔纸替代，短路实验不久之后箔纸先冒烟，过后便会燃烧起来，实验中学生可以清晰地观察到由于电路发生短路，金属箔纸整个变化过程。
初中学生处于心智发展和成熟的重要阶段，内心深处有着爱玩爱闹的天性。因此在初中物理教学过程中，教师应充分尊重青少年的特性，满足学生的内在学习需求，应用日常化和趣味化的实验设计激发学生对物理知识的好奇心，引导学生在轻松快乐的学习氛围中潜移默化地掌握物理原理及相关知识，不仅有助于和谐师生关系的构建，同时更有助于提高初中物理课程教学效率及增强教学效果。
参考文献：
[1]王魏东.如何设计初中物理实验课[J].中国教育技术装备，2016，01：137-138.
[2]毕联忠.物理实验的探究式教学[J].科技视界，2015，21：202.
关键词：选修课；趣味物理实验；制作；创新能力
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）4-0058-2
1 课程提出的背景
新时代的中学物理教学，不仅要求学生全面掌握课本知识，更需要培养学生的逻辑思维和创新思维，提高学生的观察能力和实际操作能力。高考导向下的物理学科课程教学主要针对课本知识的传授，以学习知识、巩固知识为主，有一定局限性。为了辅助学科教学，丰富学生物理学科的知识，培养学生运用物理知识解决实际问题的能力，笔者在重庆南开中学开设了选修课“趣味物理实验与制作”。
“趣味物理实验与制作”作为学科教学的延伸应运而生，它立足于生活，展现物理规律，喜闻乐见，妙趣横生，产生了很好的课堂效果；它开放性强，自由度高，研究性学习，自助式开发，教学形式相对灵活，为教师和学生开辟了一片“自由天堂”；它的教学模式和教学内容少了许多应试教育的痕迹，与传统的课堂教学有所差异，使学生开阔视野，丰富知识，理论和实践能力得以全面提升，对学生学学课程，或者进一步探究物理，应用物理知识，都有很好的作用。
2 课程目标和内容的定位
本课程紧紧围绕中学课本知识，设计一些创造性实验和探究性实验进行教学。在教学活动中，我们以“趣”来激发学生的内在情感，使他们乐于主动投入，同时培养学生敏锐的观察能力，继而充分挖掘学生的内在潜力，加以科学想象，合理推演，提高学生的逻辑思维能力。课程演示或研究结束后，教师也可以进行适当拓展，让学生自主设计一些新型的实验或小制作。
下面以两个实验为例：
【实验一】 会自动翻滚的“小黄人”
如图1所示，在一内部呈药丸形的“小黄人”中装一小钢珠，然后放在一斜面上，放手后“小黄人”会自动从上端翻跟斗，一直会翻到下端。
在做实验之前，事先不让学生知道“小黄人”里面装有什么东西。实验一结束，学生就会产生好奇，急于想知道其运动原理。充分调动了学生的热情之后，让一学生再做一次，他们便会仔细观察，发挥想象力，积极思考，学生自然会有不同的答案。这时，老师再告诉其事实真相，解释其物理原理――重心和力矩作用。学生最后会感觉到这一原理非常简单，并没有超过他们的学科知识水平。学生明白原理后，再让他们自己去选不同的器材，设计相应实验，体会其中的乐趣，培养学生的思维及操作技能。
【实验二】 有趣的智能手机
用一钥匙尖去滑一智能手机，手机没有反应。然后用钥匙平面平行滑动智能手机，这时手机中的界面就像手去滑动一样动了起来。
通过手机实验：第一，学生根本没想到除手以外还可以操作手机；第二，让学生联想到平时用指甲滑动与用手指（或手掌）滑动手机的区别；第三，让学生进一步认识电容器。
从以上实验来看，体现了“简单”“有趣”，蕴含丰富的物理意义，紧贴教材。学生爱学、爱做，收获颇丰。寓教于乐，何乐而不为呢？
3 课程开设的形式
该课程以观察、设计、探究、实践为主，培养学生的逻辑思维、创造思维及实际操作能力。笔者采取的教学形式有：
（1）在教W活动中，通过实验观察，让学生思考，体会其中蕴含的物理意义，然后老师再解释、补充、完善其物理原理和规律，最后再抛出一些类似实验。这可使学生从浅层学习阶段上升到研究物理规律层面。比如：通过对水龙头下的水进行观察，发现水龙头震动时水流细线的长短将发生变化，于是可用塑料瓶制作微型地震仪。
（2）介绍实验原理或工作原理，让学生实验或制作。比如“通过介绍音乐贺卡电路工作原理，让学生为同学制作音乐贺卡；通过对水火箭的介绍，让学生制作水火箭进行比赛。
（3）抛出相应课题或让学生自己设计课题，制作相应成果。在课题选择当中，一般选取具有探索性或创造性的科技小制作。选择时可从以下两个方面考虑：一是研究的价值，即要有创新或应用价值；二是研究的可行性，即要考虑学生具备相应的知识、可取的环境和器材等因素。比如：讲电源时，通过水果电池实验，让学生查找资料，解释其原理，并制作其他能源电池。在一次教学中，学生用碱水、铜片和锌片制作了一个碱水电池。
当然，教学形式及学习模式并非按部就班，在教学及学习过程中可根据实际需要灵活调节。
4 课程开设的意义
选修课并不是一门独立的课程，它既可与中学物理教学紧密联系，又可丰富学生的课外物理知识，有助于学生更好地学好物理，提高学生的学科综合素养。
（1）丰富学科课程实验，进一步巩固学科课程的学习。在学科教学中，由于教学时间、内容及实验器材的限制，演示实验（数量少，器材是已加工的成品）也有所牵绊，其实验以辅助教学为主，主要是帮助完成课本教学。在选修课“趣味物理实验与制作”中，实验以课本以外为主，操作简单，现场制作，既突破了课本教学的局限，又能帮助学生巩固学科知识。比如：常规教学中讲力矩一般就举杆秤、撬铁轨等例。在选修课中，我们可引入蜡烛跷跷板、筷子开啤酒瓶等实验巩固力矩知识。再如：我们用一纸提千斤实验来掌握摩擦力的知识，用大气压压扁易拉罐来巩固大气压的知识。
（2）培养学生对学科课程的学习兴趣。兴趣是学生学习的最大动力。在选修课中，教师借助简单有趣的实验，紧密联系生活，使学生体会到物理学科中的奥妙，有利于激发他们学习课本知识的积极性。比如：我们可以用两偏振墨镜片来演示偏振现象，从而教会学生如何识别偏振墨镜。
（3）丰富学科课程教学内容。在学科教学中，有部分是高考删去或选学的内容，但这些内容都可作为学生对学科知识的扩展，有助于去解释一些生活常识。比如，伯努利方程可解释汽车高速行驶时行人不能靠得太近、气顶乒乓球、仙女撒花等现象；用重心与稳定平衡，可让学生懂得人走钢丝绳的道理，进一步可让学生思考如何将一个塑料瓶能平稳地放在一根杆上。诸如这些删去内容，都可放入“趣味物理实验与制作”教学之中。
（4）培养学生的观察能力、实际操作能力和学科综合能力。要学好物理，最基本的要求就是具有敏锐的观察能力。在“趣味物理实验与制作”中，由于教学的灵活性，教师可以抛出一些课题，或者让学生自行去设计、探究一些更有价值的实验或创新的科技成果，并亲自制作出来。通过这样的方式，可以培养学生将物理学科知识综合、甚至是与其他学科知识综合的能力，同时也在培养学生实际操作的能力。这不仅是对学生的一种训练、考验，更是一种挑战，也是培养未来科学家的一种有力措施。
参考文献：
关键词：倒立摆；现代控制理论；综合实验
作者简介：张勇（1981-），男，山东临清人，内蒙古科技大学信息工程学院，讲师；贺美琳（1991-），女，河北保定人，内蒙古科技大学信息工程学院硕士研究生。（内蒙古 包头 014010）
基金项目：本文系国家教育部第二批“卓越工程师教育培养计划”支持项目、内蒙古教育科学规划课题（课题编号：NGJGH08115）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）22-0177-02
“现代控制理论”是“自动控制原理”的后续课程，也是硕士研究生“线性系统理论”和“最优控制理论”等课程的基础课程，[1]作为内蒙古科技大学自动化本科专业的基础课和重点课程，“现代控制理论”的教学改革多年来一直受到教师和学生的关注。内蒙古科技大学是一所普通本科院校，学生普遍理论基础偏差，而现代控制理论对数学及相关理论的依赖较重，并且课程中抽象的概念偏多，[2]致使大部分学生在学习过程中较吃力。
倒立摆系统是一个绝对不稳定系统，具有高阶次、多变量、不稳定、非线性和强耦合性的特点，它是进行控制理论研究的理想平台，也是学习和研究现代控制理论最为合适的实验装置之一。[3-5]由于倒立摆系统的控制策略和杂技运动员顶杆平衡表演的技巧有异曲同工之处，极富趣味性，它能直观地表现出许多抽象的控制概念，如系统稳定性、可控性、系统收敛速度与抗干扰能力等。[4-6]同时，作为理想的自动控制领域教研与实验设备，它又能让学生在轻松的实验中非常直观、简便的对所学课程加深理解。[4，5]目前，国内外众多高校针对教学、科研及工程实践的需要，基本上都开设了“倒立摆控制系统”课程。[4]
内蒙古科技大学地处西部偏远地区，在综合考虑区域性学科发展、人才培养、教育科研及自动化专业课程体系建设需要的前提下，[7]组建了智能控制实验室，引进了深圳元创兴公司直线二级倒立摆（5套）和平面三级倒立摆系统（1套）。
本文针对实际教学中存在的问题，就一般普通本科院校学生该如何学习现代控制理论，提出了一种面向现代控制理论教学的倒立摆综合实验教学方法。
一、倒立摆实验系统的硬件构成及原理
倒立摆是指摆杆处于倒置不稳定状态，能够人为控制使其处于动态平衡的一种机构，由一个可以再水平轨道上自由移动的小车和倒置摆铰链而成。[5]以摆杆及小车系统为对象，在尽量使倒立摆保持垂直的同时，也要使小车在水平方向上保持某一基准位置，这是一个研究向小车施加水平方向力的控制系统的设计问题。[8]元创兴直线倒立摆实验系统就是完成上述目的的一个典型实验系统，由运动控制板卡、电控箱、机械本体和微型计算机几个部分组成，其原理框图如图1所示。
图1 倒立摆系统原理框图
直线倒立摆系统工作原理：控制器为电机，被控对象为小车及相连接的摆杆（控制器和被控对象构成倒立摆的机械本体，如图1虚线框），电机通过改变电机的速度来影响小车的加速度从而改变摆杆的倾斜角度来调整倒立摆的姿态。运动控制卡（安装于计算机机箱的PCI插槽上）采集旋转编码器数据和电机尾部编码器数据，通过计算就可以得到摆杆的角位移以及小车位移/加速度，然后根据控制算法计算出相应的控制量。控制量由计算机通过运动控制卡下发给伺服驱动器，由驱动器实现对电机控制，电机尾部编码器连接到驱动器形成闭环，从而可以实现闭环控制。
“自动控制理论”是内蒙古科技大学自动化、测控仪器及仪表、电气工程及其自动化等专业的理论基础课，但受各方面的影响，大多数学生对控制的理解还仅仅局限于考试的考点，而对于一个控制系统的实现往往没有具体的概念。通过对倒立摆系统的结构及原理的认识，可以让学生具体的了解一个控制系统的实现。从理论上的控制系统概念到具体的控制实现，改变了以往的教条模式，实现了理论与实践的结合。
二、现代控制理论综合实验教学改革
内蒙古科技大学现代控制理论教学大纲要求课堂教学32学时，实验8学时。为了改善学生对抽象概念及理论知识的认识，为了提高学生解决实际问题的能力，针对内蒙古科技大学大部分学生的基础水平偏差的现状及实验室现有的设备，对现代控制理论的教学做出如下改革：
1.优化教学内容，突出知识点
考虑到学生理论基础偏差，在教学过程中，在保证教学内容的严谨性和系统性前提下，不刻意追求定理证明中数学上的严密性，突出问题的背景和提法，强调贯穿于各章论述中的知识点，理论阐述力求简练和易懂。将所涉及的重要概念、理论和方法以结论的形式穿成各章内容的“知识点”。[1]如“可控性”，重点讲述概念产生的背景及提法、判据方法，而对其判据定理的证明则一带而过。
2.以倒立摆为课程应用背景，教学实验相结合
由于内蒙古科技大学学生考取研究生的比例偏少，而大部分学生的去向是工矿企业，直接参与就业，因此教学中对学生的动手能力及解决实际问题的能力的培养需要加强。结合内蒙古科技大学学生的实际，现代控制理论的教学以倒立摆系统为综合实验平台，课堂教学中以倒立摆为应用背景，将抽象的概念具体化。如围绕倒立摆“可控性”的概念，具体的讲述其相关的控制要求及控制量。实验教学中以被控对象为依托，加深对概念、理论及方法的理解。如在“倒立摆极点配置实验”中，以“摆体不倒，小车在原点”为控制目标的控制问题，理解和掌握控制性能指标与极点位置的理论关系，然后到极点配置算法的具体实施，让学生在实验中印证相关的理论及方法。
三、倒立摆综合实验内容及方法
针对内蒙古科技大学现代控制理论的教学改革，智能控制实验室根据现有的倒立摆实验平台开设了以下实验，从不同的角度训练学生解决实际问题的能力。
1.倒立摆认识实验（运动控制基础实验）
图2 直线一级倒立摆极点配置控制仿真模型
在讲述倒立摆系统结构、研究意义及必要性之余，提出了倒立摆系统的控制问题，让学生自主思考该系统的控制实现，需要测量的参数。围绕着控制信号、被控对象反馈信号的测量和现有的实验设备，自主设计测量方法。实验的目的是获取倒立摆系统的关键参数和熟悉编码器的基本原理。目标是使学生学会分析实际控制系统，掌握控制系统关键参数的获取方法，提高学生的动手能力。
2.倒立摆实验系统的建模
由于倒立摆系统的建模涉及较多的理论推导，如力学分析、数学推理及微分方程求解等，鉴于内蒙古科技大学学生的基础，直接给出了最后的相关的状态空间方程。如直线一级倒立摆的状态空间方程：
但在给出状态空间方程之前，先留给学生的问题是：一级摆、二级摆分别为几输入、几输出系统，相关的控制量和被控量分别是什么？有利于学生加深对状态空间方程的认识，同时也能更多的理解被控对象。
3.状态空间控制器设计与仿真
众所周知，倒立摆是一个不稳定的系统，容易通过对上述状态空间方程分析得到验证（系统开环极点为0， 0， 5.42217， -5.42217）。运用课程中所学的系统可控性分析方法，可知倒立摆系统是一个状态完全可控和输出完全可控的系统。在以往的考试中，极点配置问题的考题一般都是给定期望的极点，与考试不同的是倒立摆系统的期望极点没人给定，因此应引导学生对系统特点进行分析，得出控制性能指标的需求（较短的调整时间和合适的阻尼），进而计算相应的期望极点。根据控制器设计要求，并留有一定的裕量（设调整时间为2秒），选取期望的闭环极点：。进而，通过MATLAB仿真计算可求出反馈增益矩阵：，并得到控制量：U=kx，最后通过Simulink测试仿真效果，如图2所示。针对具体的问题训练学生对极点配置方法的运用，并通过MATLAB做相关的仿真，这样的教学方法有利于学生充分掌握课程中的知识点及相关概念。
4.软件实验平台实现
针对倒立摆的实时控制，实验室提供了Simulink实时控制平台和VC实时控制平台，学生只需将仿真时算出的K值写入相关的实验平台下即可观看实时控制效果，如图3所示。将K值的四个参数写到平台左下角对应的框内，即可观察摆的实时控制效果。在具体的实验中，只是简要的介绍下平台搭建的原理，而具体搭建只在毕业设计时做相关的要求。
图3 直线一级倒立摆VC实时控制平台
上述实验形成了一个有机整体，不仅可以让学生学到和理解现代控制理论的相关知识、概念及原理，同时也展示了一个具体的研究过程，对学生学习科研方法，进行课题研究和解决实际问题大有裨益。
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四、结语
“现代控制理论”是一门理论性比较强的课程，抽象的概念和理论偏多。通过对倒立摆系统的结构及原理的认识，可以让学生具体的了解现代控制理论中的相关概念、理论及方法，并在具体的研究过程中，学习科研方法，提高解决实际问题的能力。教学实践表明，面向现代控制理论的倒立摆综合实验教学方法得到了多数学生的认可，并促使“现代控制理论”成为校级精品课。
参考文献：
[1]王从庆，丁勇.现代控制理论课程教学改革的实践与探讨[J].南京航空航天大学学报，2004，6（1）：72-75.
[2]曲延滨.“现代控制理论”课程教学改革实践[J].实验室研究与探索，2005，24（S1）：155-156，199.
[3]李东，陈强，孙振国，等.倒立摆教学实验系统的设计与应用[J].实验技术与管理，2006，23（9）：100-102，106.
[4]王仲民，姚合环，王健民.倒立摆控制系统课堂教学与个性化培养模式的研究与实践[J].高等教育研究，2004，20（9）：68-69.
[5]祝洁.直线一级倒立摆的起摆及稳摆的智能控制[D].济南：山东大学，2009.
[6]李劲松，颜国正，冯剑舟，等.基于线性二次型最优控制策略的倒立摆实验系统搭建[J].实验室研究与探索，2010，29（3）：38-40，60.
关键词：新课程 课程理念 科学 实践活动
1.课题的提出和引入
初一学生通过课堂上探究性学习――食物上滋生微生物与温度的关系，仅限于食物上滋生微生物与温度的关系的了解，而食物上微生物的生长的条件还有那些，对学生来说仍是一未知领域。教师可以此为出发点，设立课外实践活动――食物上微生物的生长条件还有那些？让学生通过提出猜想，设计实验进行验证，总结结论，然后让学生自己通过讨论得出食物上微生物的生长的条件还有水分、氧气、营养物质、时间、用食盐腌制等，使学生从中掌握一些科学的研究方法，并将课堂的分组实验继续向课外延伸，培养学生的动手能力和创新意识。教师在课堂上指导学生进行分组实验共同探究――食物上滋生微生物与温度的关系时，可做如下引导：
教师：提出问题：食物上滋生微生物与温度是否有关系；建立猜想：食物上滋生微生物与温度有关系；设计实验：用控制变量法设置对照组，把两片等大的面包片分别放在A、B培养皿内，将A培养皿放入冰箱、B培养皿放在常温下，每24小时观察一次，将观察结果记录下来，五天后，分析记录的数据，得出结论：常温下的面包容易产生微生物，食物上滋生微生物与温度高低有关系。应用实际：保存食物的方法可以用冷藏法，如果我们还想了解食物上微生物的生长条件还有什么？这个实验由学生课外分六人一小组进行探究学习。
学生：第1、2小组探究食物上滋生微生物与水分的关系；第3、4小组探究食物上滋生微生物与氧气的关系；第5、6小组探究食物上滋生微生物与营养物质的关系；第7、8小组探究食物上滋生微生物与是否用食盐腌制有关系。各小组根据记录的情况分析探究食物上滋生微生物与时间的关系。
教师：请同学们分组讨论，确定研究方案，然后设计一个实验来证实猜想。
各小组学生讨论如何设计实验进行研究时，教师可提出以下问题作为提示：1）你对所研究课题的结果有什么猜想？2）你准备选取哪些器材？组成一个什么样的装置？实验依据是什么？3）你将测量哪些数据？控制哪些量？设计一个记录数据的表格。4）你会面对哪些技术上的问题并如何处理？哪些问题可能无法解决？
每一小组经过讨论有了自己的初步研究方案后。利用实物投影仪，学生分组由代表上台展示自己的研究方案、实验装置图以及自己制定的实验测量数据记录表。
学生的方案可归结为四类：
1、2小组：实验器材有：小刀、培养皿2只，同种等大的干鱼、鲜鱼各一条，镊子。
原理及步骤如下：
1）取同种新鲜的鱼、干鱼各一条作为样品，分别放入A、B培养皿中，
2）将 A、B培养皿一起放在家中的桌子上；
3）每24小时观察一次，将观察结果记录在下表中；
4）五天后，取出2份样品。
教师提示：一、二小组样品应取同种鱼类，两条鱼的质量要大致相同，否则会影响判断的准确性，怎样修正判别？
3、4小组实验器材有：小刀、塑料袋2条、同种等大的鲜鱼2条、塑料手套一双。
原理及步骤如下：
1）取同种等大新鲜的鱼两条作为样品，分别放入A、B塑料袋中，密封A塑料袋，并抽出A塑料袋中的空气；
2）将A、B 塑料袋一起 放在家中的桌子上；
3）每24小时观察一次，将观察结果记录在下表中；
4）五天后，取出2份样品。
教师提示：3、4小组A塑料袋的密封性要好，A塑料袋中的空气尽量抽干净。
5、6小组实验器材有：小刀、塑料袋2条、等质量的鲜肉1块、鲜鱼1条、塑料手套一双。
原理及步骤如下：
1）取等质量的鲜肉1块、新鲜鱼1条作为样品，分别放入A、B塑料袋中，
2）将 A、B 塑料袋一起放在家中的桌子上；
3）每24小时观察一次，将观察结果记录在下表中；
4）五天后，取出2份样品。
7、8小组实验器材有：小刀、食盐1袋，塑料袋2条、同种等大的鲜鱼2条、塑料手套一双。
原理及步骤如下：
1）取同种等大新鲜的鱼两条作为样品，将一条用食盐腌制后放入A塑料袋中，没有用食盐腌制的鱼放入B塑料袋中；
2）将 A、B 塑料袋一起放在家中的桌子上；
3）每24小时观察一次，将观察结果记录在下表中。
教师提示：七、八小组注意A鱼腌制时间长一些。
教师引导全班学生讨论与评价这一方案原理的科学性、图表的合理性以及操作的可行性。学生针对此方案提出了一些问题，这些问题主要有：l）各小组所取的样品不是唯一的，还有很多选择，也可以多取几种样品进行多次实验，比较那些样品现象最明显，操作最方便；2）注意及时进行观察、及时记录，不要错过观察时间，否则会影响判断的准确性，怎样修正判别？3）记录的微生物多少是定性的，不能确定数量。
教师引导学生讨论如何解决这些问题。针对问题，学生提出的建议有：为了实验现象明显，1）一、二小组的两条鱼新鲜时的质量一样的话，晒干的那条质量就变小了，可以取晒干后的质量与新鲜鱼质量相同；2）三、四小组的抽气机的选择较难，用针筒抽气要反复多次重复抽；3）七、八小组腌制鱼时，可以将食盐均匀擦在鱼的整个表面，不要放在盐水中浸泡，这样会影响对照组的水分含量不同；
2.科学实践活动的开展和实施策略
当前，要把科学实践活动切实开展起来，首先要转变思想观念，充分认识科学实践活动在科学课程中的重要地位。其次，要努力解决相关的技术问题与实际困难。比如，课程资源开发和利用的问题，时间安排的问题，学生安全的问题，经费与物质条件保障的问题，以及家长的支持与认同的问题。
学生经过交流方案，相互启发，思维广为扩散，激发了实验探究热情，为下一步的具体实施做了较为全面细致的准备。
3.实验与论文撰写
学生各小组确定了最佳方案后，分配任务，有的小组还给成员分配任务，开始筹备实验器材，为保证学生实验有序地顺利完成，教师辅助安排如下：
1）实验室对学生开放，提供所需器材；
2）实验所用的生物材料由学生代表和教师一起购买，集体备制；
3）为学生开设1节实验课，学生分组并按自己的设计方案集体完成实验，记录实验数据；
4）操作要求：学生要协作完成。
教师在实验中应指导学生如何避免错误，启发学生解决实验中出现的问题。
完成实验后，教师指导学生根据实验方案与实验数据撰写实验报告或论文，对论文的要求有：①写出食物上微生物的生长条件的猜想。②所设计实验的原理及步骤。③实验数据记录表及数据的分析、实验结论等。
4.成果交流与评价
用1节课进行研究成果的交流与评价。各组派1名代表上台演讲实验论文（图表可以通过实物投影仪演示），说明实验原理、过程及结论。学生的结论主要有：
1、2小组：食物上滋生微生物与水分有关，食物上水分越多，微生物越容易生长；3、4小组：食物上滋生微生物与氧气有关，食物周围的氧气越多，微生物越容易生长；5、6小组：食物上滋生微生物与营养物质有关，营养物质不同，微生物的滋生程度不同；7、8小组：用食盐腌制的食物不容易滋生微生物。各小组的共同结论是：时间越长，微生物越容易生长，食物越容易变质腐烂。
每组学生展示了自己的论文后，还回答了其他同学对实验过程中的有关测量误差、技术处理等问题的提问，并且在交流中评价了各组实验的优缺点，畅谈了研究体会。最后教师可作进一步的引导及总结。这次活动的结论应用于实际，食物的保存方法可以有：冷藏法、干藏法、真空包装法、腌制法等。
这次实践活动提倡学生主动参与、勤于动手，乐于探究和实践，提高学生学习的主动性、自主性和创造性是本次课程改革的重点。将科学探究作为改变学生学习方式的突破口，通过让学生亲自参与观察、实验、调查、资料收集及交流汇报等手脑并用的探究活动，使学生体验探究的过程和乐趣，培养学生的科学素质、创新精神和实践能力成为本次课程改革追求的崇高目标。显然，不突破课堂教学的时空界限，多样化的学习方式是难以有效开展的，本轮课程改革的良好愿望与高目标也是难以实现的。随着新课程理念逐步深入人心，随着新课程评价体系的建立与完善，科学实践活动必将朝着更加健康、有序的方向发展。
总之，在科学教学中开展实践活动不仅为课堂教学面向自然、面向社会、面向学生生活打开了门、架起了桥，也为实现让学生学会学习、学会生存、学会做人、学会合作的教育的终极目标提供了保证。
参考文献：
［1］科学（7-9年级）课程标准. 北京师范大学出版社.
村中学化学课开展以现代农业为主要内容的科技活动，是实施素质教育的内在要求，也是当前农村化学课改革的需要。化学课开展农业科技活动，不仅可以加深、巩固和扩大学生在课堂上所学的化学知识，开发智力，培养能力，而且还可以使他们掌握农业科技知识、科学实验方法和劳动技能。
一、开展农业科技活动的原则
1.紧密结合教学内容原则农业科技活动应选取与课堂教学有紧密联系的农业科技内容。如:初三学生学习了“化学肥料”后，可组织他们进行科学选肥，合理施肥的实验活动;高中学生学习了“环境保护”后，可进行污染对农作物的影响及防治的研究活动等。通过这些科技活动，不仅检验、印证、应用了学生在课堂上所学的知识，同时还加深了对有关知识的理解，使书本知识与农业生产实际互相渗透、紧密联系起来，提高了学生研究、探索科学知识的兴趣。
2.符合年级特征原则不同年级的学生，有不同的心理特征和不同的知识技能基础。选择活动内容时必须注意这种差异。如:在初三学生进行的合理施肥的实验中，应注意培养学生的观察能力和实验操作能力;对高一学生进行研究施肥技术，提高化肥利用率的实验中，培养学生独立设计和完成实验的能力，并发展学生的思维能力;高二年级进行水质快速分析及对农作物的影响的实验中，培养学生分析问题和解决问题的能力;高三年级进行农林产品的化学加工与利用研究，则培养学生综合应用知识的能力。活动内容的选择一定要理论与实践相结合，注意理论知识的加深，尽量做到综合性强，统一性强，年级特征明显。
3.趣味性原则活动内容具有趣味性，才能适应青少年的好奇心强和求知欲旺盛的特点，对他们才有吸引力。如:开展无土栽培、土壤与作物营养诊断、植物生长助长、化学除草等有趣的实验活动，会使学生对农业科技活动产生浓厚的兴趣。
4.创造性原则人才的价值在于创造，实施素质教育重在培养创造性人才。让学生利用所学知识解决实际问题，把所学到的知识运用到创造过程中，活动才有探索性和创造性，才有利于培养学生的创造能力，才能使农业科技活动不成为学生的额外负担，而成为他们学好课堂知识的必要方法和重要途径，增强他们探索大自然奥秘的科技意识。
二、开展农业科技活动的形式
1.田间试验田间试验是农业科技活动的主要形式。它的进行应遵循试验的准确性、代表性和规律性的原则。它的实施主要包括制定试验计划、田间区划、种子准备、播种移栽、田间管理、观察记载、资料整理分析等步骤。田间试验时必须注意:①除了比较项目不同外，其它条件力求一致。②观察记载和取样必须及时、细致、准确。③对资料要认真地分析，找出符合规律的东西。④通过田间试验，不仅培养学生的观察能力、动手能力和思维能力，更重要的还能培养学生科学的思维方法和精神。
2.开展农业科技小发明和小论文活动农业科技小发明和小论文活动，不会受时间、地点和条件的限制，每个学校都可以开展，人人可以参与。学生可以根据农业生产实际自己选题、自己记计、自己制作、自己总结，促进科学素质的培养。
3.农业科学讨论和科技成果展览农业科学讨论，科技成果展览这种活动可以启迪智力，交流成果，开阔视野，扩大知识面，形成既有深度又有广度的知识结构。科学讨论可以针对农业科技中的问题，各抒己见，畅所欲言，让学生从小培养学术争鸣的好习惯。
此外，开展阅读以农业科技为主要内容的书刊、杂志，讲农业科学家故事，举办以农业为主题的化学晚会、观看农业科技影片等都是开展农业科技活动的好形式。各种形式活动有机地结合起来并加以运用，可使活动开展的丰富多彩，生动活泼。
【关键词】化学实验;探究式;学习
【中图分类号】G633.8 【文献标识码】B 【文章编号】1009-5071(2012)03-0273-02
引言
目前，我国基础教育改革正积极向前推进。教学实践特别强调：通过化学实验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程，激发学习化学的兴趣，强调科学探究的意识，促进学习方式的转变，培养学生的创新精神和实践能力［1］。因此，课堂教学实施实验探究式教学时新课程改革所要求的最佳学习方式。
1 探究式教学的基本内涵
探究式教学时以探究式未基本特征的一种教学活动形式，它包含着两层意思：即什么是探究式课堂教学和什么是探究式实验。“探究式教学”是教师和学生双方都参与的活动，他们都将以导师和主人的双重身份进入探究式课堂［2］。探究式实验即重视规律的验证，实验技巧的培养，又强调让学生通过实验在科学的学习和研究方法上获得感性体会［3］。简单的说，探究式实验更加关注学生的学习过程和对结论的解释。探究式实验开放性比较大，实验的设计、数据分析以及实验结果评价等离不开学生自己，完全不同于那种：“已知化学原理――验证――应有”的“照方抓药”的模式［4］。
2 探究式实验教学的设计原则
探究式化学实验要求学生用发散思维、联想思维、逆向思维对教师所提出的课题根据已掌握的知识和技能，根据现有条件制定不同的方案、验证方案、得出结论。其中，科学性、创新性、简约性、启发性和趣味性原则引起设计者给予足够的重视。
2.1 科学性原则:科学性是探究式实验设计的核心原则。科学性是指探索性实验设计中的实验原理、装置原理、操作程序和方法都是必须与化学理论知识、试验方法论、实验教学论和实验研究过程相一致。
2.2 创新性原则:创新是探究式化学实验设计的灵魂。创新性是指实验设计要敢于突破陈规，独到于新颖、独特、巧妙之处，能反映新事物、新观点、新理论、新方法和新思维等。一个成功的探索性实验设计必须反映实验设计者独出心裁的构思。
2.3 简约性原则:所谓简约性是指要尽可能的试验方法和实验装置，用较少的实验步骤和实验药品、仪器，在较短的时间内可完成效果明显的实验。
2.4 趣味性原则:实验内容除课本外，也应该选用有关日常生活、环境、军事、能源、生产等实际中的问题，通过探究来解决与人类自身紧密联系的问题，从而有利于培养学生的兴趣，增长他们对新知识的探求欲，和探索未知领域的创造欲。
3 探究式实验教学的模式
在具体操作实践中，探究性试验教学可因实验内容不同，实验主题差异，表现出不同的形式，但其基本步骤应包括：提出问题，猜想与假设，设计实验，进行实验并实验假设，结论及应用。
3.1 提出问题:教师要根据教学的内容和学生的实际情况，提出能够激发学生思维，需要探索的问题当学生感到所面临的问题解决又不能很好的解决时，就能激发学生积极主动参与讨论，直至最终解决问题。教师要善于创设实验探究问题情境，制造探索的氛围［5］。当然，这些问题应当是通过探究活动能够解决的，并且不能超出学生的能力范围。
3.2 猜想与假设:猜想与假设是学生运用已有化学实验和实践经验，对问题的可能答案进行猜测，尝试性地提出自己的见解和想法。
3.3 设计实验:教学中教师应根据探究问题的难易程度，在设计实验方案时给学生以不要的方法指导，注意实验设计的层次性和典型性，使学生逐步掌握统筹问题、分析问题及控制实验变量的意识，能运用科学方法进行实验方案设计而确保实验结果的公正性。
3.4 进行实验并验证假设:通过实验，获取事实与证据；正确操作，确保实验顺利进行；科学记录实验现象及数据。教学中要引导学生在思考的引导下观察，在观察的基础上进行思考。
3.5 结论及应用:这一阶段包括学生诊断和教师评价。在各小组做出实验结论后，组内成员首先要认真总结自己的实验和探究过程；然后进行各小组间的交流，比较各小组的探索过程和思维结论，分享成功的经验和失败的教训，调整或重新设计实验方案，使自己的实验探索过程更加合理；最后，老师对本次实验进行总结和评价［6］。并将好的方案应用在实践中，拿到新的情境中来解决问题。
[关键词]矿物加工 专题网站 教学改革 考核模式
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2013）22-00106-02
矿物加工实验课是该专业实践环节的主干课程，其主要通过多种方式的实验实践，掌握实验方法、设备工作原理，熟悉实验手段、分析实验过程，培养兴趣、拓展专业面、提高专业技术水平。通过对实验现象的观察、思考、实验数据的整理、分析，帮助学生直观、理性地学习和了解矿物加工过程的基本规律、影响因素、应用领域及应用领域的拓展，实现更高层次上对矿物加工过程基本原理、基本方法和应用的认识。同时让学生掌握矿物加工的基本实验环节与方法，补充和深化课堂理论教学内容、强化课堂教学效果、提高专业知识水平，是全面学习、掌握、提高、拓展矿物加工学知识的必不可少的途径，具有很强的实践性。并对专业课堂理论教学内容进行有益的补充和拓展。该课程是克服单纯课堂理论教学的抽象性、强化学生掌握专业知识、提升专业知识水平的有效途径。
一、矿物加工实验教学现状
我校在设立矿物加工工程专业之初，就配套建设了矿物加工专业实验室供本科实验教学使用，设备仪器完备，完全可满足矿物加工实验课教学大纲的要求。近两年，随着西部大开发尤其是内蒙古煤炭的大开发，矿物加工选煤方向优势逐渐凸显，现已与金属矿选矿并列，成为我校矿物加工专业重要的发展方向。选煤实验室、相关仪器设备基本齐备。
综上所述，我校矿物加工实验教学硬件建设比较完备，目前，该专业实验课教学存在的问题都集中在软件建设上，总结起来分别是：
1.实验课比理论课安排相对滞后，实践与理论没有同步进行，理论与实践联系不紧密，导致学生理论课理解不透彻，实验课又不清楚试验原理。
2.实验课集中安排，试验相关的选矿理论、设备原理、试验指导书来不及复习与预习，导致实验效果差。
3.实验课没有系统科学的考核制度，目前，只有实际操作考查和填写实验报告书，由于实验大多都是多人合作，有些学生做得多，有些做得少，甚至不做，报告书同一组的内容一样，有些学生其实就是抄写他人的报告书。
4.实验课没有达到培养学生科研活动的兴趣，没有使学生形成思考问题、解决问题的习惯，不能培养创新性人才。
二、 矿物加工实验课教学改革的具体做法
（一）理论课与实验课教学同步进行，理论课、实验课做到紧密衔接
很长时间以来，我校在矿物加工专业课程安排上一直是理论教学与实验教学衔接不强，由此产生的问题已经很明显。比如：给学生讲述机械搅拌式浮选机转子―定子结构以及其负压吸气产生气泡的原理时，完全看课本插图学生很难理解或认识，如果带学生来到实验室，亲手操作浮选机完成《煤泥浮选实验》等，势必有助于学生对上述知识的掌握。因此，使学生通过课堂理论学习了解、认识各个选矿实验的原理、实验设备结构，也能在试验过程中有针对性地观察实验现象，用理论思考实验中出现的问题并解决问题，也能更有效地培养学生的科研兴趣。同时，实验教学与课堂理论教学同步，也有助于学生更加具体、形象地认识和理解比较抽象的选矿理论。使学生能来得及预习每个实验相关的试验指导书，不至于让学生在不清楚实验理论的基础上仓促地做实验。
（二）实验课程安排采用“随堂+开放”模式
实验课程安排采用“50%随堂+50%开放”。“开放”指的是实验课上课时间开放，实验课有50%的学时安排在与理论课教学同步进行，另外的学时安排在实验课开课学期的周末全天开放。[1]由于矿物加工专业学生较多，实验项目也较多，开放的实验教学模式，可以最大限度地使每个学生都能实践操作。
为配合“随堂+开放”模式的安排，我院建设了矿物加工专业实验教学专题网站，网站内容有：实验预约、矿物加工实验指导书下载、实验操作视频资料、实验设备及其工作原理、师生互动答疑系统，还包括选矿科学史、选矿厂生产现场图片或录像资料，增加学生对专业的了解。学生通过网上学习、网上与教师问答的形式，掌握实验项目的操作方法与实验相关原理，周末即可去实验室操作实验。通过网上学习及与教师交流，也有助于学生主动学习。
（三）实验课考核模式分两个内容：笔试+实践操作
长期以来，矿物加工实验课考核主要形式就是将学生分成若干个小组，各组独立完成全部的实验课，最后编写实验报告书并上交给代课教师评判，这种考核方式使每个小组中都存在那么几个学生每次都不做实验，最后抄袭别人的实验报告。[2]目前我们采用“笔试+实践操作”考核模式，学生可以在专业试验网站上通过网上学习及与教师问答，掌握矿物加工各实验课的实验原理、设备原理、各因素对实验的影响等实验相关内容，在学期末参加笔试部分。为此我们编写了《矿物加工专业实验课理论考试题库》，实验项目分必修与选修部分，得益于“随堂+开放”实验安排模式，我们每个小组的人数一般为两人，最多3人，实践操作部分要求每组学生要完成必修部分，选修部分可作为考试加分项。
实践表明：“笔试+实践操作”考核模式确实逼迫学生不得不学习实验相关理论知识，不得不动手实验。
（四）实验室支持学生创造性的科研活动
多年来，实验教学基本上停留在老师指导，学生完全按照实验指导书一步一步去验证实验内容的教学模式，而设计性、综合性实验根本没有。[3][4]为改变这种局面，实验室拿出部分经费支持学生创新性的实验课题研究，在教师指导下完成科研活动，编写科研报告，并发表科研论文，申请相关专利，条件是科技论文或专利第一作者单位为内蒙古科技大学矿业工程学院，这种方式大大激发了学生的科研兴趣。目前，我专业有几个学生在学校大学生创新基金的资助下正在进行煤炭制浆方面的科研并取得了一些成绩，学生们的科研热情很高。
三、矿物加工实验课教学改革中的问题或不足
首先，由于采用“随堂+开放”实验安排模式，加之学生分拆的实验小组数目增多，实验教师的工作量大大增加，实验教师人员不足。
其次，矿物加工主题网站的维护更新也需要配备相关人员，另外网站师生互动系统采用即时对话方式，对话内容瞬时消失，其他学生不能看到老师的答疑。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 秦晓静.开放实验教学培养创新人才[J].实验技术与管理，2005，（7）.
[2] 杨国良，高瑞光.新形势下高校实验教学改革的思考[J].教学研究，2005，（1）.
近年来，奈米科技日新月异，其所涵盖的领域相当广泛，从基础科学到其它各种领域的应用，例如：电子产业及生物科技等。奈米科技的突破与应用，带来第四次全球的工业革命。费曼(Freedman, 1997)是全球第一位提出奈米理论的科学家，他于1959年在美国加州大学的物理学会中，以“底下还有广大的空间”为题演讲，并且提出可将大英百科全书写在一个针尖上的观念，为往后奈米科技的发展揭开序幕。经过十几年的努力，科学家终于发现在奈米尺度下与传统材料完全不同的特殊效应及现象。随着奈米技术的发展，科学家研发出高性能的奈米材料并且应用在各项产业，奈米科技也逐渐受到各国的重视。
1奈米科技计划
台湾科技主管部门于2002年开始推动奈米科技计划，隔年开始执行奈米人才培育计划，目的在培育台湾未来的奈米人材，以促进奈米知识普及并提升台湾的竞争力。近年来，台湾为了推动奈米科技投入相当多的经费，希望能将奈米的观念向下扎根，由下而上推广至小学、初中、高中、职场训练和终身学习，以培育台湾的奈米科技人才。为了达成此目标，台湾科技主管部门于2008年开始将奈米课程融入K-12的自然与生活课程，并透过标杆学校及种子教师出版许多辅助教材，使奈米知识转换成学生感兴趣的题材。
奈米科技是以1至100奈米之间为单位，进而操作、控制物质的结构，并加以活用的技术总称 (蔡信行、孙光中，2004；榊裕之，2009)。奈米科技之所以能快速发展，其量测工具的发明为主要原因。人类肉眼所能看到最小的东西大约为0.1毫米，为了观测更细微的物质(例如：生物细胞)，科学家发明了光学显微镜，使人类对自然界的生物有更进一步的认识。由于光学显微镜只能用来观察大于可见光波长的物质，对于接近原子的微小尺度，则必须找到比可见光的波长还短的光波，使光束能在原子间绕射成像以便观察。科学家在1930年代成功地研发出电子显微镜，其主要原理与光学显微镜类似，而不同之处是以电子束代替可见光为光源(郑天喆、姚福燕，2004)。
电子显微镜的最高辨识率可达0.1奈米，使科学家可以看到几十奈米的病毒，它的发明对于人类探索微观世界有很大帮助。电子显微镜虽然已经可以观测到奈米级的物质，但是它的体积庞大、价格昂贵，而操作环境也有严格限制。扫描探针显微镜的发明解决了电子显微镜的严格限制，因此已成为目前观测奈米的主要设备，也促使奈米科技的发展更向前跃进。基本上，扫描探针显微镜可分为扫描穿隧显微镜和原子力显微镜。
1981年，罗瑞(Rohrer)和宾尼(Binning)在瑞士苏黎世的IBM公司研究实验室共同发明扫描穿隧显微镜(卢永坤，2005)，其基本原理是利用量子力学的穿隧效应来量测物体表面的奈米结构。当显微镜的针尖和样本表面非常接近时(约0.1奈米至1奈米)，电子会从一个电极穿隧至另一个电极而形成连续的电流，可用来量测探针的位移变化(汪岛军、马仁宏、陈亘佑、蔡斯凯、林建智，2004)。扫描穿隧显微镜的技术可量测到原子尺度范围，但它的探针及样本都必须是导体，而且表面必须平整，因此在应用上受到一些限制。
针对这个问题，宾尼、奎特(Quate)和戈柏(Gerber)在1986年发明了原子力显微镜，它利用原子和原子之间的凡德瓦力(Van der Waals force)来判断样本表面的高低起伏，而且样本不局限于导体，因此解决了穿隧显微镜在样本上的限制。原子力显微镜具有下列优点(蔡毓桢等人，2007)：
使用探针进行量测而不是利用电子束，因此不会对样本造成损坏。
可以在大气的环境下进行量测，亦可在液相的环境下进行扫描，因此对于生物医学的观测有很大的帮助。
造价低于电子显微镜，且体积小、设计方便，也可与其它系统整合。
可量测出样本的2D形貌，也可转换成3D形貌进行样本表面的观测。
原子力显微镜的优点众多，而且应用层面也非常广泛，不仅可以观测到原子及分子，还能进一步地操作它们，使人类可以深入了解微观的世界。由于原子力显微镜的价格尚属昂贵，一般人不易亲自操作，本研究使用网络和虚拟实境技术来建置一个虚拟奈米实验室，将原子力显微镜的操作和观测奈米结构等活动融入国中、小的自然与生活科技课程，让使用者可以透过网络亲自操作和观测以增进对奈米科技的认识，并藉由熟悉正确的操作步骤以维护真实设备的寿命，因此对于推动奈米计划有很大的帮助。
虚拟实境是一种拟真、互动的技术，它藉由计算机或周边设备来模拟真实世界(许美铃、施仁忠，1997)。使用者在虚拟环境中可透过感官接收讯息，并与虚拟环境中的物件互动，因此可产生身历其境的感觉。本研究使用虚拟实境技术来模拟原子力显微镜的操作过程，让使用者透过拟真的情境来学习操作步骤及观测奈米物质的表面结构，本研究希望藉由3D的视觉效果和高互动的设计方式来增进学生的学习兴趣，并藉由情境式学习的方式来提升学习成效。
情境式学习是由布朗(Brown)等人(Brown, Collins & Duguid, 1989)所提出，它的定义是在真实或模拟的情況下，学习者与环境互动并藉由主动探索的方式来建构知识。情境式学习之目的是让学习者在真实的情境中结合“做中学(learning while doing)”的活动进行学习。情境教学重视透过真实的活动让学习者能够反思，将抽象符号逻辑转化为实用的知识。
本研究的虚拟奈米实验室是根据情境式学习理论所建置的模拟环境，使用者可藉由主动探索及操作来学习奈米知识，并将所学应用在真实或虚拟的情境中。由于原子力显微镜的价格昂贵，许多学生无法亲自参与操作，本研究希望将虚拟奈米实验室透过网络加以推广，使无法实际操作原子力显微镜的学生，可透过虚拟奈米实验室来增进对奈米科技的认识。
2教学设计
本研究希望藉由虚拟奈米实验室的推广来增进使用者对原子力显微镜及奈米科技的认识。为了让使用者能将奈米知识和自然界的奈米现象相结合，本研究在设计虚拟奈米实验室的场景时，将实验室与户外采集样本的场景结合在一起，让使用者在户外场景采集完具有奈米现象的生物样本后，即可进入实验室操作原子力显微镜观察样本的奈米结构，再从中学习到相关知识。在教学设计方面，研究者先与奈米课程的教师进行讨论，再根据搜集到的各项资料进行教学内容分析，并利用虚拟实境技术来建置虚拟场景与实验设备。本研究在设计“虚拟奈米实验室”网站及奈米课程的教学单元时，先针对学习者背景和学习内容进行分析，再根据学习目标进行系统规划与建置。
2.1 学习者分析
由于台湾奈米人才培育计划希望从小学开始栽培奈米人才，因此本研究将虚拟奈米实验室的使用对象设定为小学高年级学生。本研究参考了翰林出版社的汉语及自然与生活科技书籍，进行奈米课程学习单元分析(表1)，并搭配黄佳媛)所制定的小学奈米科技研究的概念图作为奈米课程的参考指标，此概念图咨询28位台湾专家、学者的意见，其背景皆为整合初中、小学奈米课程及“奈米科技K-12人才培育计划”的执行人员。
2.2 学习内容分析
本研究归纳所收集的相关文献及奈米概念图，加上专家、学者意见后所整理的学习目标(表2)，以订定学习奈米知识的教学活动内容。
3 系统设计
本研究规划的虚拟奈米实验室，主要是透过3D交互式网页来呈现虚拟奈米实验室的场景与设备，以供使用者身历其境的学习经验。为使初中高年级学生对原子力显微镜的构造及操作原理有基本认识，本研究建置奈米实验室的场景、设备以及户外的莲花池场景，其中虚拟原子力显微镜是参考真实的原子力显微镜所建置，并设计有操作与观测功能，可让使用者熟悉原子力显微镜的原理与操作步骤，以下就场景规划与操作流程进行说明。
3.1 场景规划
本研究总共规划了三个场景：奈米教材展览室、原子力显微镜实验室、莲花池。当使用者进入虚拟奈米实验室网站时，首先出现的场景为奈米教材展览室(图1)，使用者可以浏览墙壁上的奈米教材，只要使用鼠标点选即可连到相关的教学网页，并从中学习到奈米的相关知识。
3.2 操作流程
当使用者进入虚拟奈米实验室时，系统会提供语音介绍及文字说明，教导使用者一些基本的操作步骤。使用者可以在导览室自由点选墙壁上的奈米教材，或进入相关网站进行浏览。当使用者进入原子力显微镜实验室时，必须先戴上护目镜以避免眼睛暴露在红外线或雷射光中造成不良的影响。有关原子力显微镜的操作流程说明如下：
(1)先以鼠标点选显微镜盖子即会自动打开。
(2)点选电子控制器的开关，使显微镜出现雷射光打在光点接受器上，此为显微镜的位置感测部分。
(3)接着利用鼠标拖拉样本至样本台上，当样本接近样本台位置时会自动放置在样本台上。
(4)放置完样本，使用者可点选探针并将它放置在正确的位置上。由于探针非常微小，为了避免样本破坏探针，因此先放置好样本再放置探针。
(5)当样本和探针放置定位时，以鼠标点选盖上显微镜的盖子。
(6)扫描前先按下回馈控制，使电子控制器驱动扫描器，使样本台上升与探针接近。
(7)按下开始扫描，此时探针与样本会产生交互作用，其微小的探针悬杆会有些微变化。当雷射光照在微小悬杆上时，光点接受器会将位置变化量送至电子控制器分析，以记录其偏移量进而转换为电的讯号，再反馈给X-Y-Z位移扫描器以扫描出样本表面形貌，并将扫描出的2D影像显示在计算机荧幕中。
(8)当扫描完毕时即可按下停止扫描，样本台会下降离开探针，并进行观测此样本的2D表面影像。
(9)观测2D表面影像完毕后，即可按下3D模型，此时计算机会将扫描出来的3D模型显示在荧幕中，当使用者点选荧幕中的3D模型，便可进一步观看或利用方向键放大、缩小来操作观测其表面。
(10)使用者观测完毕即可按下退出。当使用者对于操作虚拟原子力显微镜流程有基本概念后，系统便会引导使用者至户外采集荷叶及蝴蝶样本，拿回实验室进行观测并学习相关的奈米知识。
4结论与建议
随着网络及计算机的迅速发展，数位学习已成为人类获取知识的重要途径，而利用虚拟实境技术来设计教材也使传统教学更具体化与生动化。教师可以从互动中启发学习者的动机及意愿，并借以提升学习成效。虚拟奈米实验室具有3D视觉效果和交互式使用者界面，可以弥补文字及2D影像的不足。
由教学实验的结果可以发现，实验组学生及控制组学生的学习成就皆有显著的进步，而单因子共变量分析的结果显示实验组的进步幅度显著高于控制组，因此可看出使用“虚拟奈米实验室”具有较佳的学习成效。本研究根据实验组学生的问卷调查结果，从“网页内容”、“界面与设计”、“多媒体特性”及“实用与成效”等四方面分析使用者对“虚拟奈米实验室”的看法。大多数学生认为操作虚拟奈米实验室有助于对奈米的认识，而各项调查的结果都显示大多数学生都给予不错的评价。
致谢：
感谢台湾科技主管部门计划(NSC 100-2120-S-007-002-NM)的经费支持。
参考文献：
[1] 汪岛军, 马仁宏, 陈亘佑, 蔡斯凯, 林建智. 原子力显微镜专利地图及分析[M]. 台北市：台湾科技主管部门科学技术资料中心, 2004.
[2] 许美铃, 施仁忠. 虚拟实境在教育上之应用[J]. 远距教育，1997(3): 19-23.
[3] 黄佳媛. 小学奈米科技核心概念之研究[D]. 台中教育大学科学应用与推广系, 2001.
[4] 榊裕之. 完全图解奈米科技的全貌与未来发展. 台北, 2009.
[5] 蔡信行, 孙光中. 奈米科技导论基本原理及应用. 台北县, 2004.
[6] 蔡毓桢, 薛富盛, 吕福兴, 吴宗明. 原子力显微镜实作训练教材[M]. 台北: 五南, 2007.
[7] 郑天喆, 姚福燕. 深入浅出谈奈米科技. 台北, 2004.
[8] 卢永坤. 奈米科技概论[M]. 台中, 2005.
[9] Brown, J.S., Collins, A. & Duguid, P. (1989). Situated Cognition and the culture of learning. Educational Researcher, 18(1), 32-42.
[10] Freedman, M. (1997). Relationship among laboratory instruction, attitude toward science and achievement in science knowledge. Journal of Research in Science Teaching, 34, 343-357.
关键词 研究生 园艺植物基因工程 教学改革
中图分类号：G643.0 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2015.09.019
On Graduates' Gardening Plant Genetic Engineering
Principles and Techniques Teaching and Reform
CHEN Changming
（College of Horticulture， South China Agricultural University， Guangzhou， Guangdong 510642）
Abstract Plant Genetic Engineering Principles and Techniques is a plant related graduate of an important basic course， the article reviewed the current postgraduate course in practice teaching reform， analyzes the existing problems. According to the characteristics and horticulture graduate personnel training requirements of plant genetic engineering， it is proposed to improve the quality of teaching practice teaching methods and measures to improve the practical teaching system to improve the ability of students to acquire knowledge and innovation.
Key words graduates; Plant Genetic Engineering; teaching reform
0 引言
基因工程是二十世纪八十年代在分子生物学和分子遗传学的基础上发展起来的一门新兴学科。它的主要研究内容是体外将核酸分子插入质粒或其他载体分子，构成新的遗传物质组合，并将其转化到原先没有这类遗传因子的寄主细胞内，且能持续稳定地表达和遗传。因此，应用基因工程技术，人们可以按照自己的主观愿望，创造出自然界原本不存在的新生物类型。科研人员正是利用这一特征，已在提高农作物产量，改善品质，增强抗逆性和抗病虫害的能力等方面取得令人瞩目的成就。园艺作物主要包含果树、蔬菜、观赏植物三大类经济作物，基因工程在园艺作物品种改良，关键基因的发掘，种质鉴定等方面有着重要的作用，如今很多农业院校园艺系相继开设了研究生的园艺植物基因工程原理与技术课程。
1 研究生基因工程原理与技术课程教学与实践改革现状
为了适应现代生物技术的飞速发展和达到培养高素质科研人才的要求，基因工程原理与技术课程已被设置为包括生物技术、生命科学、生物工程在内的生物相关专业、医学专业及农林专业本科生和研究生的必修课。由于基因工程技术在生物科学研究中的地位举足轻重，在众多综合院校和农业院校都开设了基因工程类课程，对基因工程类课程改革做了许多研究工作。阮小蕾等探讨了本课程在传统的理论和实验教学中存在的不足，结合笔者的教学经验，在教材建设、教学内容的改革与建设、实验配套的硬件与软件建设、实验教学安排等方面进行了探索，总结出了一套行之有效的理论和实验教学方法。姜大刚等对研究生基因工程实验教学改革进行了探讨。提出了以教学大纲为指导开展教学，做好课程规划;构建“和谐课堂”，重视教学效果;教学内容的与时俱进和不断充实完善;重视师资队伍建设，发挥骨干教师的模范作用;科研内容的渗入和应用等观点。马婧等针对园艺专业研究生的特点和人才培养要求，提出了根据课程性质，合理安排课程时间，针对专业特点，选择理论教学内容。并探讨了实验教学实践的方法，提出了采用小班教学，“高带低”的辅助教学模式。
2 园艺研究生植物基因工程原理与技术课程教学与实践存在的问题
园艺植物基因工程原理与技术是针对园艺专业低年级硕士、博士研究生的一门专业选修课程，包括基因工程原理讲授和实验技术操作两个部分。以笔者所在的华南农业大学园艺学院为例，该课程是针对园艺相关专业（包括果树学、蔬菜学、花卉学、园艺产品采后科学、茶学）低年级硕士和博士研究生开设的一门专业选修课程，该专业生源大部分为园艺专业本科毕业生，同时存在一些跨专业考研的与生物不相关专业的学生，他们在本科阶段没有学习过基因工程、分子生物学、植物生物技术等相关知识，相对来说，存在学生基础知识薄弱、专业背景复杂、研究方向多样等因素，这为园艺植物基因工程原理与技术课程在园艺专业研究生中的教学带来了一定的困难。除此之外，开设时间短，课时少，一些学校的实验条件有限等现实情况也成为了该课程开展的制约条件，另外由于很多同学以前没有做过分子生物学方面的实验，对基因工程实验的操作非常生疏，因此也必要对他们进行特别的指导与教学。针对以上问题，该课程应结合专业特色和教师个人科研工作，让研究生掌握一定的基因工程技术，为今后的研究和生产工作奠定基础，本文从课程的理论体系教学和实验设置等方面提出了课程改革的措施。
3 研究生园艺植物基因工程原理与技术课程教学改革措施
3.1 设计合理的园艺专业研究生植物基因工程原理与技术理论教学内容
园艺植物基因工程原理与技术虽然以实验操作为主，但离不开基本原理知识的讲述，传统的基因工程理论知识体系庞大而复杂，在有限的课时里（设计为30个学时），讲授者很难将所有相关知识一并传授给学生。因此挑选合适的讲授内容就显得尤为重要了。园艺专业研究生的研究对象主要为果树、蔬菜和花卉，运用植物基因工程技术的主要目的是对植物某一性状进行改良。所以在课程内容选择上应该以植物基因工程所要解决的主要问题为导向，带着问题和目标选择授课内容。讲授侧重于植物基因工程的相关内容，重点讲解核酸提取，目的基因的克隆，植物表达载体的构建，重组子筛选，农杆菌介导的转基因方法等内容。通过这些内容的教授，学生就可以掌握在植物基因工程研究中所需要的基本理论知识，为将来从事相关的科学研究打下基础。随着现代基因工程技术的快速发展，基因工程的技术更新很快，除了基本的基因工程原理知识，也需要及时获得最新的用于植物基因工程，尤其是适用于园艺类植物基因工程的新方法和新技术，并整合到教学内容中，如最近出现的可用于园艺植物基因沉默的新技术TALEN和CRISPR/Cas系统等，与时俱进地更新教学内容，将新知识、新理论、新方法传授给学生。
3.2 合理安排实验内容
研究生教育应以科研为目标，园艺植物基因工程原理与技术课程的学习就是为研究生将来进行植物基因工程相关的科研活动打基础的，我们的课程教学与设计也要以园艺植物研究为导向，巧妙进行实验设计，合理安排实验内容。植物基因工程相关的实验方法和技术非常多，应选择适合园艺专业研究生的实验内容。选择内容的标准主要有三个方面：第一，实用性原则，现在我们园艺学院科研项目所需的基因工程操作主要有基因克隆、载体构建、表达分析、基因遗传转化等，所以我们着重从这些方面入手，设计实验，让学生对将要从事的基因工程方面的实验有一个整体的认识;第二，创新性原则，基因工程技术发展了这么多年，出现了很多新的技术，然而在我们的实验教学过程中，一直沿用最基本的实验操作模式，因此在现有实验的基础上加上一些近年来新发展的技术可培养研究生科研上与时俱进的思维，如我们可在实验的内容加上生物信息学的内容，或者学生采用电子克隆技术得到的基因序列，设计扩增引物，用PCR的方法扩增，并送往公司测序，然后分析序列，以培养学生独立思考与探索的意识，而且现在用的实验指导书，实验技巧与知识已经陈旧，有必要增加新的基因工程操作技术到本课程的实验指导书中;第三，合理性和可操作性原则，园艺研究生有别于其他生物专业的研究生，他们的生物技术，生物化学以及分子生物学方面相关知识比较薄弱，所以在实验过程中的实验内容及时间安排应循序渐进，合理有序，首先从学生们易于接受的DNA提取、PCR以及凝胶电泳入手，再进一步到载体构建及基因表达，实验操作过程中分组进行，每组4～5人，每一组由一个实验经验丰富的高年级研究生任指导组长。
3.3 理论联系实际，开展科研训练，探索原理讲授与实验技术操作最佳结合方式
园艺植物基因工程原理与技术不但注重理论知识的讲授和掌握，相关实验技术更是本门课程的精髓所在，本门课程的最终产出还是看学生是否能够完成基因工程相应的实验操作，并将实验手段和方法用于生产实践。然而基因工程的基本原理是理解实验技术的基础，是解释实验技术和开发新的实验技术的必要支撑。如何将实验原理的讲授与实验操作的实施有序有效结合是开好该门课程的关键，可从以下四个方面考虑：第一，理论课与实验课时间顺序的安排，例如是先讲理论还是先做实验，是穿行，还是依次完成;第二，理论课与实验操作课的衔接性探索;第三，理论课与实验课讲授内容的分配，如在实验课中，相关实验注意事项及实验技巧需要强调，除此之外还会涉及一些实验原理，因此要探索实验课中应该重点讲授哪方面的实验原理;第四，在实验过程中让学生对实验结果逐步运用相关理论进行分析并制定下一步实验计划，让学生主动地参与到实验的设计与实施中，在实验中将各章节知识相融合，理论与实践相贯通。
4 园艺植物基因工程与技术的课程改革展望
近年来，基因工程与技术发展迅速，短时间内产生了很多基因操作的新技术和方法，这些技术和方法在园艺植物中的应用必将促进园艺产业的快速发展。而在人才培养方法，我们则需要有针对性地培养研究生掌握和应用这些新技术的能力。由于不同学校学科专业的学生来源，学院所能提供的仪器设备，以及园艺作物研究方向的侧重点均有不同，各个学院采取的教学方法也有所不同。对于特定院校的园艺研究生来说，良好的教学与实践方案应根据本学院的学生来源，在他们的现有的知识结构以及将要开展的研究方向的基础上，设计定制化的园艺植物基因工程原理与技术理论教学与实验课程内容，有针对性地培养园艺研究生掌握实用的基因工程基本原理和基本技术，增强学生对课程内容的理解掌握，以提高园艺研究生的培养质量。随着基因工程技术在园艺植物的开发和研究中发挥的作用越来越大，将来会有越来越多农业院校开始开设研究生的园艺植物基因工程原理与技术这一门课，有效的园艺研究生的基因工程教学改革模式可以为其他农业院校的园艺专业提供参考。
参考文献
[1] 李玲，孙文松.基因工程在农业中的应用[J].河北农业科学，2008.12（12）：149-15.
[2] 朱旭芬，赵小立，丁鸣，金文涛.“基因工程实验”精品课程建设的探索与思考[J].中国大学教学，2011.8：54-55.
[3] 任如意，魏继承.基因工程实验教学改革初探[J].高等理科教育，2008.6：112-114.
[4] 阮小蕾，李华平.研究生《基因工程实验技术》课程教学改革探索[J].中国科教创新导刊，2009（8）：62-63.
关键词：药学实验；教育改革；绿色化学
1药学与化学
药学是化学的衍生学科，而化学也是药学的基础与灵魂。药学高等教育离不开基础的化学教育，无机化学、有机化学、分析化学、仪器分析、物理化学这五大化学为药学的后续教学奠定了必要的理论和实验基础，因此众多医药高校无一例外都将它们作为药学基础主干课程。可以说，化学贯穿着药学生的学习和未来的职业生涯。药学高等教育的重要组成部分之一是实验教学，部分实验设计都直接来源于化学教育实验设计，对培养学生的实验操作能力、科研思维、创新能力都有重要的作用。值得注意的一点是，化学中存在的一些问题也在药学实验中不可避免的显现出来，甚至因药学领域的特点而放大加剧，例如有机溶剂在药学实验中用量远大于普通化学实验，所造成的环境问题也更加严重。近年来化学的概念朝着环境友好的方向不断的发展，而药学似乎没能紧跟上步伐，因为观念滞后带来的问题日趋严重，追随时代潮流的药学教育改革刻不容缓。
2绿色化学
2.1绿色化学的定义
随着国家以及世界对人类生存环境问题的愈加重视，“绿色化学”概念的提出符合人类与环境友好共处的发展方向。绿色化学是环境友好的化学，是指在化学品的设计、开发、制备和应用过程中利用化学原理来减少或消弭对人类健康和环境有害的物质的使用和产生。其中心思想是把化学和化工生产的现有技术路线从“先污染、后治理”改变为“从源头上根除污染”，它与分析化学、有机合成、催化生物化学等学科都密不可分，身处当今国际化学研究的前沿［1］。绿色化学是对环境问题的重新审视，要求我们在获得新物质的过程中，不只是在化学反应末端控制废物的产生，而是要在化学过程中尽量减少产生废物，提高反应过程的原子经济性，充分利用每一个原子，使反应物分子中的原子全部转化为目标产物，从而实现对环境的治理由治标转变为治本［2］。
2.2绿色化学的十二条原则
美国的总统科技顾问P.T.Anastas博士和马萨诸塞大学的J.C.Waner教授通过大量的研究工作，提出了绿色化学的十二条原则。这些原则目前是获得世界公认的指导绿色化学发展的基本原则：（1）防止污染优于治理污染；（2）提高原子经济性；（3）尽量在化学合成中减少使用有毒原料和产生有毒物质；（4）设计安全的化学品；（5）使用无害无毒的助剂及溶剂；（6）合理使用和节省能源；（7）利用可再生资源来代替消耗性资源合成化学品；（8）尽量减少非必须的衍生步骤；（9）采用高选择性催化剂来代替化学计量助剂；（10）产物的易降解性；（11）发展分析方法，对污染物实施在线监测和控制；（12）减少易燃易爆物质的使用，最大程度地降低事故隐患［3］。
3绿色化学对药学实验教学的启示
实验过程中会产生一定的环境污染是不争的事实。但药学高等教育领域似乎视而不见、仍在按步就班的继续这种陋习，以及因观念滞后、改革不力而放任、加剧对环境不利影响的做法，与现实中大家对治理这些污染的认识仍然停留在“先污染、再治理”的落后思维一脉相承。虽然实验室所制造的单次污染量相对于工业污染来说不大，但是因为同一院校、不同专业的学生也有可能会重复同样的实验，若不加以控制，不容忽视的累积效应堆积在排放区附近必定会造成一定的排放污染［4］。因此，减少药学实验污染的工作刻不容缓、势在必行；药学实验教育改革也应顺应历史、与时俱进。本文将从绿色化学12原则中选取对药学实验教学改革有积极实际意义且急迫、可行的五条，并举出具体实例加以论述。
3.1防止污染优于治理污染
绿色化学摒弃了传统的先污染后治理的化学思维，倡导从源头上防止污染，这是其与传统化学的最主要区别。从这个意义出发，在实验教育之前，应该在理论课上向学生传达绿色化学精神，培养环保的理念。在保证教学质量的情况下，优化教学项目，慎重选择实验内容，遵循环境友好、低能耗、经济性等原则，重新设计污染更小、更环保的教学实验。同时，还有一个现象值得注意。除了不合理的实验设计带来的污染外，有些污染往往来自人为的不恰当操作［5］。通常而言，学生对于实验室的基本规定并不熟悉，对三废（废气、废液、废渣）的处理十分草率。例如，将废液直接倒入下水道等行为比比皆是，从而导致的环境污染可谓是无妄之灾。这些情况都是可以通过提前教育得到改善的。在进入实验室之前，应督促学生预习，最好让学生手写纸面材料，以便学生能够熟悉实验流程，再对学生进行理论指导，规范实验操作，将绿色化学的概念贯彻在教学过程中，培养学生的良好实验习惯，不仅能够提高实验效率，还能减少试剂损失。此外，要引导正确的三废处理方式。实验中制备的固体和液体产物可以用套用法，不能套用的固体进行统一回收；可以提纯再利用含有有机溶剂的液体，针对一些酸、碱度过高以及重金属离子的废水进行统一处理；废气用吸收装置回收，并且要在实验台上安装排风装置，这样能对防止污染作出一些裨益［6］。
3.2尽量在化学合成中减少使用有毒原料和产生有毒物质
有机化学的一个重要组成部分是化学合成，在药学中的合成概念更加广泛，合成实验也是实验教学中不可或缺的一部分。化学家将绿色化学的12条原则定为评定合成路线、生产过程及化合物是否为绿色的规范。因此，绿色有机化学实验在原料、合成方法和制备过程的选择以及产物的生成等方面都应该尽量减小对环境的污染。要坚持选择无公害的原料、反应条件，尽量控制生成环境友好型产物，并且减少甚至“零排放”副产物，即实现全过程绿色化［7］。实验时，要在保障基本操作训练的前提下，尽可能地选择少用毒性和具有腐蚀性的原料的实验。
3.3使用无害无毒的助剂及溶剂
在天然药物化学、中药化学等课程中，使用有机溶剂提取天然药物中的有机成分是其他所有实验的基础。有机溶剂用量大、回收困难等特点注定了污染的存在。水作为另一种常见溶剂，提取效率较低，但环保无污染，且经济节约，符合绿色化学要求。在实验效率影响比较小的情况下，应该尽可能地以水为溶剂提取，避免有毒有害和挥发性有机溶剂的使用，尤其是卤代烃类溶剂。除了更换溶剂之外，现代科学的发展还给我们提供了另一种思路。随着化学实验技术和仪器的发展，应积极将微波辅助萃取、超声波提取等方法广泛应用到实验教学中去。此类方法提取效率高，所需溶剂少，而且能够让学生学习到化学发展新趋势［8］。有机化学实验课程中催化剂被广泛使用，在不影响实验效果的情况下，应尽量选择无毒、无害、无腐蚀性的催化剂代替强腐蚀性的催化剂。例如在酯化反应中使用超强固体酸代替浓硫酸、在阳离子沉淀实验中使用硫代乙酰胺替代有毒的硫化氢。
3.4合理使用和节省能源
在必须开展的实验项目中，尽可能设计串联实验。传统化学实验是在理论课开设的同时配合展开的。每个实验基本都是孤立、单独展开的，实验完成后，产物不能进行合理利用的话就会成为废弃物，如果处理过程只是简单抛弃，则会极大地危害环境。而串联实验是指通过恰当地调整实验教学计划，打破学科和实验间的界限，将同一学科两个或两个以上不同的化学实验组合在一起，将前面实验的产物变成后面的实验原料，这种实验教学方法在检查学生操作技能的同时还提高了化合物的使用率，印证了绿色化学的观念。这增加了学科间的关联性，对培养学生的学科整体观和创新思维都是有所裨益的。例如，制备乙酸乙酯的实验完成后可以用其产物去制备乙酰乙酸乙酯［9］。而且每一个实验的产物以及纯度与下一个实验的进行都紧密相关，这使学生要认真对待实验，实验积极性得到了充分调动［10］。实验过程中很多学生因为没有形成节约的观念，在称量时操作不严谨，称量过后又忘记密封试剂，导致试剂浪费较多，这就需要在实验开始前说明，特别是在进行需要使用一些容易吸湿的药品的实验前老师要着重强调；量取有机试剂时，容易洒出较多试剂，这种情况下需要老师将大瓶试剂用小试剂瓶分装、小试剂瓶配置吸管以便于取用；在对照品和薄层展开剂的配制过程中，学生会配制过多造成浪费，针对这个问题，老师可以提前配好，或者学生合作配制展开剂；此外微型实验也是目前实验教学中节省能源的新思路，微型实验是指用微量的药品在微型的仪器中进行的实验方法与技术，通过少原料、少排放、少污染，体现绿色化学的理念。比如过去在试管中进行的化学现象验证实验改在点滴板上操作，使用试剂只需几滴，大大减少了试剂的用量，而达到了预期的教学效果［11］。
3.5尽量减少非必须的衍生步骤
绿色化学的要求之一是反应要具备“原子经济性”，也就是原料分子中到底有百分之几的原子转变成了产物。如果在反应中包含一些消除及降解等衍生步骤，则会由于生成与目标产物无关的分子，使得该反应的原子经济性变低。反应中的衍生步骤越少，原子的利用率越高，目标产物的产率越高，副产物或废物的排放量就越低［12］，也利于做到环境友好。实验室合成对溴苯胺常用的方法是用锡-盐酸还原法，其合成过程以苯胺为初始原料，通过形成乙酰苯胺、对溴乙酰苯胺等中间体的过程，保护了芳胺上的氨基，减小了芳胺发生衍生反应的可能性，进而提高了对溴苯胺的产率，提高了反应的“原子经济性”。
