大學物理實驗教學的思維文/傅昭銘物理是一門重視實驗實證的科學，物理學中的任何創新成果都必須經過實驗的檢驗，物理學本身及理工應用科學的發展無不與物理實驗密切聯繫，因此，實驗教學在物理教學中佔有重要的地位，一方面為使學生鞏固所學理論知識和加深對物理現象和規律的理解，另一方面又可培養動手解決實際問題技能及提高觀察和分析能力，成為培養科技創造性的重要訓練。
本文介紹物理實驗教學的相關科教理論背景及舉述近年國際著名大學的物理實驗教學變革，其中建構學習觀、探究性和創造性實驗能力、提示問題教學、人本素質教育等為現行物理實驗教學所必要的觀念元素。
科學探究能力與創新思維的教學目標需要仰賴改革性實驗課程與創意化的教學模式。
前言—實驗物理在物理學發展的角色物理學一詞的英文Physics早先是源於希臘文ϕυσικóζ，原意是指自然。
整個物理學的發展為人類不斷探索企圖瞭解自然的思惟進程，希臘哲學家亞里斯多德（Aristotle）十分重視經驗，認為「事實」（facts）為從諸觀察中歸納而來的普遍敘述結果。
到了十七世紀，自然研究者以事實做為分析與評斷經驗的基礎，強調經驗中最精純的部分才是「事實真相」（matters of fact）。
法國哲學家笛卡兒（Descartes, Rene du Perron）認為研究者在報導實驗時會為了適應自己的原則而扭曲結果，主張唯有透過嚴格的方法才能得到事實[1]物理學其現代內涵已泛指研究物質與其動力學的一般規律、探索物質基本結構與原理、及相關應用的科學。
現代內涵物理學的概念和規律是通過現象觀察，從事詮釋、推理、歸納，再藉由其他證據反覆驗證予以回饋修，以建構出普適性的定律。
歸納與演繹為建構物理科學理論系統的方法。
而數學的運用才將定性現象發展為定量數理模式。
數學由基本公設出發並具嚴謹演繹性，已成為物理科學非常得力的推論演繹工具，現在所有物理學理論通常以數學的形式表達，而微分方程則為普遍接受的動力學理論表述形式。
理論物理運用數理邏輯推導得到的理論，也發現預測過不少新的現象和規律，並後來經由實驗設計所證實，愛因斯坦把物理理論稱之為「理想實驗」的結果。
物理科學的進展過程中，理論物理與實驗物理相輔相成地配合，然而理論上美妙的假設或推理，要成為被公認的物理規律，都必須通過實驗的驗證；任何的理論，在未經實驗證實前都只能當作猜測，反之，理論內所涉及的必要觀念，必需可以真正被實驗測量出來，即「現象事實」是檢驗物理模型及確立物理規律的終審裁判，也即物理實驗在物理科學的發展有其重要性。
物理學科由原先的探究自然現象規律發展至微觀物質世界的理解並為理工生醫等學科的基礎，其知識領域分為力學、熱學、電磁學、光學、近代物理等範疇，近年熱門的奈米科技、光電產業技、生物醫學等也有物理領域的參與貢獻，物理學逐漸的發展已經改變了和正在繼續改變著整個世界的面貌。
由社會需求角度來看，近世紀科技研發與產業技術能力主導國家競爭力與基礎民生發展，增進學生「對科學本質的瞭解」成為世界先進國家之科學教育領域所重規的目標。
因此現代各階級教育皆將物理當成必要基礎科目，以此達到培養科學知識及科學方法的目標。
物理學既為理、工、生醫等學科之基礎，物理教學自然負有教育現代國民科學素養及為學習專業知識準備的教育責任。
學生所受教育被認為應包括：科學知識與概念的理解（Product of science）、科學探究能力的訓練（Process of science）、科學態度（Attitudes toward science）。
其中科學探究能力的訓練則包含各種實驗操作技巧，如提出假設、設計實驗過程、收集數據、作圖、推論、以及反思批判思考等能力[2]。
理科課程教學發展中古世紀學院派一直以自然哲學的名義延續人類累積的智慧資產，理科課程在西方國家學校教育中有所發展，主要是從19世紀末開始，在20世紀理科課程改革受重視，導致各種課程理論此起彼伏，各種改革嘗詴層出不窮。
綜觀20世紀科學教育的歷程，可以粗略地把它劃分為三個階段，即「知識本位」(knowledge based)、「方法本位」(methodology-based) 和「人本本位」(personality-based) 階段[3]。
在知識本位階段，科學教育的重心在科學知識本身或「科學內容」（science content）。
約在20世紀的20、30年代，人們開始強調「科學過程」（science process）的指導思想，關心于科學家在研究活動中遵循的方式。
科學教育從以科學知識為重心轉向以科學方法為重心。
美國在的60年代科學課程改革明顯地反映出這一特徵。
新的理科課程改革發源於美國，接著波及英、法、德、蘇、日等國。
這場課程改革以「科學素養」（scientific literacy）為中心，通過在理科課程中引進現代科學成就，使學生以內發性動機接受學科的結構，體驗探究學習的過程，以此掌握科學的基本概念，發展科學概念。
以人本本位觀念科學教育的興起是20世紀70年代中期以後，教育家思考科學技術雙刃劍帶來的社會問題及其發展帶給人類可能的負面影響，提醒科學教育不能僅僅是頸部以上的教育，應該考慮完整的倫理道德、價值觀教育。
因此科學教育從單一科學知識教育演變為包括科學知識、科學方法、科學態度、科學精神、科學價值觀、科學史等複合的科學素養教育。
科學方法的教育成為對所有學生的普遍要求，因為沒有科學的思維習慣，就很容易成為教條主義和胡言亂語的騙子們的犧牲品，使用既有慣性思考以簡單直覺判斷方法解決複雜問題。
綜觀科學物理教材發展，初期的內容編寫重心在科學知識本身或「科學內容」，之後再以不改變科學知識為教材邏輯主體的情況下，插入有關科學方法的知識內容，或將科學知識史緊密地融合在一起，使科學方法的教育更具操作性[4]。
典型例子例如美國物理科學研究委員會(PSSC)編制的物理學課程，在物理教材引入光模型的建立：先以光的粒子模型，合理地運用於解釋幾何光學行為，卻於解釋繞射現象遇到困難，因此面臨必須引入光的波動模型解釋光繞射行為，據此使學生瞭解物理史上的光模型建立，並有助於體會科學探索的思維方法。
在此理念背景下的教學模式，不是要把科學知識當作為教學目的，而要求掌握科學方法的手段，使學生在探索過程中學習建立假設和驗證等過程技能。
因此需要透過實物示範教學及動手實驗與課程配合施行。
藉著實物演示操作可使課堂中師生互動討論，具有可以修正學生迷失概念並達到自我建構學習。
動手實驗可藉安排獨立的實驗課程進行，或在講授課程中穿插配合施行，通過動手做促進積極學習(hands on active learning)。
近代的資訊動畫媒體與網際網路資源，也為教學開啟新的教學運用與增加模擬探究學習向度。
從過去實徵性研究發現，教育環境、科學教師及教科書並未跟上科技時代發展的社會需求及科教目標。
單向式灌輸的教學法仍然是國內無論是中學或大學物理課堂的主流，大專校院教師往往根據自己過去的學習經驗來設計教學策略，在教學時多數採系統化概念陳述及進行理論推導和例題演示，而學生在課堂中大多是沉默地被動聽講及抄筆記。
不論教材版本新舊型式，課堂教學模式的共同特徵，仍幾乎是直述呈現科學者研究結論的成果及建構形成的理論模型，以邏輯教學模式將基本概念建立數學形式及系統化推理演繹步驟。
普通物理學教材內容豐富，涵蓋力學、熱學、電磁學、光學、近代物理等，教師多反應學期課程時間幾乎不夠完整講述，課堂上難以討論互動的教學模式進行說明探索和發現的思想形成或演變的過程。
教學模式客觀上引導學生向記憶型式的形式化學習，理工科教學受到教學條件而囿於示範教具資源限制，教學品質難能提高，教師同時肩負研究等任務，造成改進教學時有心無力等瓶頸。
時代的發展和科技的進步對教學提出了越來越高的要求，對學生創新思維和實踐能力的培養需要一種趨向創意化的教學。
至於科學探究能力訓練的目標，則需仰賴改革性物理實驗課程與教學模式來配合達成。
這兩年來，台灣在教育部等單位支持下，投入大筆經費進行大學理學院基礎課程改進，有些物理系己開始投入培養學生設計並製作新實驗儀器能力的計劃；另外也有學系為了增進學習物理概念成效，製作示範實驗的設計等，在投入的硬體設施方面的成果已使物理教學及物理實驗教育獲得改進機會。
大學普通物理實驗教學物理是一門重視實驗實證的科學，物理學本身及相關應用科學的發展和創新無不與物理實驗密切聯繫，物理學中的任何創新成果都必須經過實驗的檢驗。
因此，實驗教學在物理教學中佔有重要的地位，一方面可使學生鞏固所學理論知識，和加深對物理現象和規律的理解，另一方面又為培養動手解決實際問題技能，及提高觀察和分析能力，成為培養學生創造性的重要訓練。
整理國內多數大學普通物理實驗課程，各校間其實驗內容與儀器有多數相同，一般而言，實驗項目包括實驗誤差分析、有力學、熱學、電學、光學及近代物理等內容的基礎性實驗。
實驗的屬性分為驗證性實驗和測量性實驗；驗證就是驗證理論定律，測量就是測量物理常數。
就教學而言，實際上是處於普通物理課堂教學的從屬地位，作為教科書上基本物理規律、定律的驗証。
實驗手冊的內容包含實驗相關理論、儀器操作及原理、實驗操作步驟、及相關探究問題等。
實驗步驟多予以條理詳盡敘述，使學生可按部就班去做，像烹調書籍按表操作則會有數據或現象產生。
實驗套數僅有部分學校足夠全班學生分組進行，多數學校套數不足必須分組每周輪換進行實驗。
筆者過去於執教學校負責的普物實驗課從事學生問卷或晤談，根據意見擇反應較多前五項條列如下：1.對按表操作的實驗方法感到枯燥無味2.儀器簡陋易壞、實驗數據誤差大。
3.實驗相關理論的先備知識不足。
4.套數不足無法配合普物課程進度進行實驗。
5.疑慮實驗單元無法反應前沿科學、希望採用新進科技儀器與電腦介面操控實驗。
上列中意見比例最眾者為第一項，即學生對按實驗手冊操作的學習感到興趣度不高、或比較期望開放式實驗探索。
物理實驗的本來功能，除了測量和驗證，還有更重要的功能就是發現與探究。
一般的普通物理實驗教學的模式，會對物理概念、儀器原理及操作示範說明，部分高中物理為了升學考詴而過度強化解題技巧，往往忽略實驗學習，而對剛考上大學的新鮮人，按部就班依照教材條列步驟操作，雖然學生較易獲得測量數據，從事驗證性實驗，但若教師未對實驗設計的意義或歷史背景等多未作分析講解，學生不易體會物理實驗中較深化的概念，也無法體會實驗探究方法論的本質。
部分學校可能受限於經費限制或課程設計未有前述考量，實驗儀器未能彈性供給或替代器材，無法使學生進行設計性實驗及另類探究方案，而未能施行實驗創新設計訓練及培養實驗探究方法的目標，更阻礙了學習的探究性和創造性。
也有長年以來實驗教學設備套數不足，未能增設甚或汰舊更新，因此儀器精準確性低使實驗數據誤差過大，致使學生對實驗對理論的印證功能懷疑，對實驗失去原懷有的期待，甚至誤解課堂所學理論僅為極端理想條件的結果，在現實中甚難實現，或以為實驗一定需要昂貴儀器才能完成。
