基于課題型的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索與實(shí)踐

陳 森，張師平，吳 平

(北京科技大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，北京100083)

0 引 言

科學(xué)實(shí)驗(yàn)是科學(xué)理論的源泉，是自然科學(xué)的根本，也是工程技術(shù)的基礎(chǔ)，物理實(shí)驗(yàn)課是高等院校對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本訓(xùn)練的必修基礎(chǔ)課程［1-2］。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)形成、我們進(jìn)行了許多教學(xué)改革嘗試與實(shí)踐。在一二年級(jí)本科教學(xué)階段，一直堅(jiān)持在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中推行自主性、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，總結(jié)出了一套操作性較強(qiáng)的可以在面向幾千名本科生大面教學(xué)上實(shí)施的貫穿研究性思想的教學(xué)新體系，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中取得了顯著成果，并積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)［3-12］。隨著學(xué)生知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能的提高，對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)提出了更高的要求，為了探索適合于具有一定實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練基礎(chǔ)的高年級(jí)本科生研究性物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，結(jié)合北京科技大學(xué)應(yīng)用物理系的學(xué)科優(yōu)勢(shì)和物理實(shí)驗(yàn)課程組教師多為教學(xué)與科研雙肩挑的師資優(yōu)勢(shì)，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，提出了基于課題型的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，從課題選擇、教學(xué)組織、成績(jī)?cè)u(píng)定等方面入手進(jìn)行了一系列改革嘗試。模擬科研環(huán)境，以更貼合現(xiàn)代科學(xué)研究和高新技術(shù)的研究性實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和主動(dòng)探索的積極性，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的科研能力與創(chuàng)新意識(shí)，使學(xué)生掌握以后從事科學(xué)研究的基本方法和思路，對(duì)于拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)具有重要意義。

1 課題型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

課題型實(shí)驗(yàn)教學(xué)是為學(xué)生搭建一個(gè)開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬科研環(huán)境，在教師指導(dǎo)下，以課題小組為單位，綜合應(yīng)用已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的實(shí)驗(yàn)知識(shí)、方法、技能以及所用過(guò)的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，完成綜合性的研究課題，把學(xué)習(xí)過(guò)程更多的成為學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、思考問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的訓(xùn)練過(guò)程。重在培養(yǎng)學(xué)生的研究型科研思維和對(duì)學(xué)術(shù)規(guī)范的掌握，同時(shí)強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生個(gè)性化的尊重，注重學(xué)生的自由發(fā)展，學(xué)生成為知識(shí)的主動(dòng)建構(gòu)者，教師成為教學(xué)過(guò)程的組織者、指導(dǎo)者，能力的培養(yǎng)貫穿于教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)［13-15］。每一個(gè)課題型實(shí)驗(yàn)都可以讓學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)從文獻(xiàn)閱讀、具體研究問(wèn)題的提出、研究方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、分析討論與總結(jié)的完整的研究過(guò)程，并在這個(gè)過(guò)程中掌握各種相關(guān)的儀器設(shè)備與測(cè)試方法的原理與使用。這樣，既培養(yǎng)了創(chuàng)新精神和團(tuán)隊(duì)精神，又能夠使其系統(tǒng)地整合所學(xué)的實(shí)驗(yàn)、理論知識(shí)，提高知識(shí)應(yīng)用能力。

2 課題型實(shí)驗(yàn)的選題

研究性課題的恰當(dāng)選擇是達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵，課題的選擇必須注重實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性、先進(jìn)性、前沿性、可行性，要處理好幾種關(guān)系:①以學(xué)科建設(shè)和發(fā)展為基礎(chǔ);②充分利用教師科研優(yōu)勢(shì);③結(jié)合科研前沿，對(duì)當(dāng)前科學(xué)研究技術(shù)發(fā)展的前沿課題進(jìn)行調(diào)研，提煉出反映學(xué)科發(fā)展和熱點(diǎn)的研究性課題，以極大地激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探索與發(fā)揮的興趣和積極性;④實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與科研、工程、社會(huì)應(yīng)用實(shí)踐緊密聯(lián)系起來(lái)，形成良性互動(dòng);⑤考慮高年級(jí)本科生的知識(shí)水平和實(shí)驗(yàn)技能，每一課題的研究目標(biāo)和內(nèi)容，既要給學(xué)生留下大的發(fā)揮空間，課題難度又要恰當(dāng)不至于使學(xué)生難于上手;⑥實(shí)驗(yàn)中所涉及的內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法、測(cè)量?jī)x器的原理與使用、實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析以及相關(guān)技能等與學(xué)生未來(lái)的工作和就業(yè)適當(dāng)接軌，有助于學(xué)生未來(lái)的研究工作和就業(yè);⑦課題內(nèi)容也可以由學(xué)生根據(jù)自己的興趣閱讀大量文獻(xiàn)資料與指導(dǎo)老師討論后確定。例如，我們從長(zhǎng)期所做的科研課題中提煉出的一些研究性實(shí)驗(yàn)課題:磁電阻薄膜制備與磁電阻特性研究、梯度薄膜的制備與應(yīng)力研究、透明電極材料電學(xué)性質(zhì)的研究、高K 介電薄膜材料介電特性研究、陶瓷薄膜材料的制備及電絕緣特性研究等等，這些選題也是近年來(lái)物理、材料研究領(lǐng)域倍受人們關(guān)注的問(wèn)題。每個(gè)課題要求學(xué)生完成從薄膜樣品制備到一系列物性分析，最終完成一篇科研小論文。課題內(nèi)容具有前沿性、綜合性、開(kāi)放性、復(fù)雜性。①前沿性:有很多可以進(jìn)一步研究的內(nèi)容，學(xué)生體會(huì)科研進(jìn)展，嘗試查詢(xún)科技文獻(xiàn)。②綜合性:設(shè)計(jì)到多個(gè)方面的物理內(nèi)容，學(xué)生要對(duì)物理概念、物理因素進(jìn)行選擇、比較。③開(kāi)放性:自己搭建系統(tǒng)、尋找關(guān)注點(diǎn)，學(xué)生需要嘗試多種實(shí)驗(yàn)設(shè)備、技術(shù)、方案。④復(fù)雜性:實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異，影響因素較多，迫使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和探討。

3 課題型實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織

為了保證課題型教學(xué)模式更好地實(shí)施，必須精心策劃教學(xué)組織過(guò)程，注重對(duì)學(xué)生科學(xué)研究方法和科研能力的訓(xùn)練和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。

以小組團(tuán)隊(duì)協(xié)作方式進(jìn)行，充分發(fā)揮學(xué)生的自我管理、自我完善能力。課題由組長(zhǎng)負(fù)責(zé)組織實(shí)施，小組分階段與教師進(jìn)行研討，明確各階段課題所要掌握的理論知識(shí)和結(jié)合課題所要完成的實(shí)際內(nèi)容及要求，組員分工協(xié)作，發(fā)揮每個(gè)人在小組中的特長(zhǎng)，既獨(dú)立完成各自的任務(wù)，又要共同協(xié)調(diào)相關(guān)問(wèn)題，培養(yǎng)他們的獨(dú)立性與責(zé)任心、交流與合作能力。

實(shí)驗(yàn)室每周定時(shí)開(kāi)放，給學(xué)生提供最好的科學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有通用、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)分析。

教師分階段指導(dǎo)、檢查課題完成質(zhì)量和進(jìn)行綜合講評(píng)，在每周規(guī)定的時(shí)間內(nèi)各協(xié)作小組作交流報(bào)告，討論解決實(shí)驗(yàn)中遇到的難點(diǎn)問(wèn)題，最后按照時(shí)間要求完成報(bào)告論文和答辯。

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中，引入一種基本思維方式。即“文獻(xiàn)觀(guān)點(diǎn)—相關(guān)條件—現(xiàn)實(shí)條件—新的觀(guān)點(diǎn)”思維方法。學(xué)生根據(jù)課程要求、擬研究課題內(nèi)容、日程安排，查找文獻(xiàn)、確定實(shí)驗(yàn)方案、完成實(shí)驗(yàn)、分析總結(jié)、成果展示。表1 給出了一個(gè)具體案例［16］。在這一過(guò)程中注重培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)收集能力，提出和分析問(wèn)題的能力，成果展示能力，形成批判性、創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)習(xí)慣。同時(shí)，在教學(xué)過(guò)程中還有助于潛移默化地進(jìn)行人格培養(yǎng)，包括求真務(wù)實(shí)的態(tài)度、堅(jiān)韌不拔的毅力和團(tuán)結(jié)合作的精神。

這樣的教學(xué)組織形式使教學(xué)活動(dòng)始終圍繞著學(xué)生進(jìn)行，使學(xué)生由知識(shí)的被動(dòng)灌輸者成為知識(shí)的主動(dòng)建構(gòu)者。讓學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)課題研究全過(guò)程，包括選題，開(kāi)題，準(zhǔn)備，研究過(guò)程實(shí)施，數(shù)據(jù)處理分析，總結(jié)，報(bào)告論文，答辯等環(huán)節(jié)。學(xué)生在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)處于一種專(zhuān)業(yè)科研的氛圍之中，在學(xué)生滿(mǎn)懷興趣的探索過(guò)程中，學(xué)習(xí)了科研的方法，經(jīng)歷了科研的訓(xùn)練，培養(yǎng)了科學(xué)的精神，具備了基本的科研實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

表1 課題型教學(xué)具體案例

4 課題型實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)方式

傳統(tǒng)的考核模式是以“單一試卷+實(shí)驗(yàn)報(bào)告”的考核方式，只能在認(rèn)知方面考查學(xué)生學(xué)習(xí)到的書(shū)本知識(shí)及運(yùn)用這些知識(shí)解決書(shū)面問(wèn)題的能力，而不是分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力，缺乏對(duì)學(xué)生的多元化、個(gè)性化和動(dòng)態(tài)化的全過(guò)程評(píng)價(jià)［17］。課題型實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求對(duì)傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方式進(jìn)行改革，建立一種“全過(guò)程—多方式—立體化”評(píng)價(jià)體系，更確切、客觀(guān)、全面地評(píng)定學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。我們?cè)诮⑿碌脑u(píng)價(jià)體系時(shí)考慮以下原則:①?gòu)?qiáng)調(diào)能力，主要考核學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析解決問(wèn)題的能力、科研思維的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、成果展示的能力;②強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新，考查學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的發(fā)散性思維;③強(qiáng)調(diào)新思路、新觀(guān)點(diǎn)、新方法。具體操作層面就是從學(xué)生選擇課題難易、文獻(xiàn)總結(jié)、實(shí)驗(yàn)方案、儀器搭建、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理分析、報(bào)告論文、答辯等各個(gè)環(huán)節(jié)開(kāi)展“全過(guò)程—多方式—立體化”評(píng)價(jià)給定實(shí)驗(yàn)總成績(jī)。每協(xié)作小組學(xué)生采取自評(píng)和互評(píng)相結(jié)合的方式，每位學(xué)生對(duì)自己和小組其他成員根據(jù)在完成課題時(shí)的貢獻(xiàn)大小分別排序。最后，指導(dǎo)教師綜合每個(gè)學(xué)生排序情況、平常表現(xiàn)等各個(gè)方面確定個(gè)人成績(jī)。

5 課題型實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

基于課題型的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，已在我校三年級(jí)學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施多年，每年大約有50 多名本科生參與，實(shí)踐結(jié)果表明，所提出的教學(xué)模式大大提高了學(xué)生的綜合能力，尤其是學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、科學(xué)研究意識(shí)、社會(huì)能力得以提高。轉(zhuǎn)變了教師的教學(xué)方式和思維方式，并促使師生關(guān)系進(jìn)入良性互動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，要求教師本身必須具有較高的職業(yè)能力和淵博的學(xué)識(shí)。另外，在這種教學(xué)模式中，師生接觸多，需要教師付出更多的時(shí)間，教師的職業(yè)道德和工作作風(fēng)等都將直接影響到學(xué)生的做事態(tài)度。

在2010 年、2011 年北京市大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽中，有兩組同學(xué)完成的實(shí)驗(yàn)研究論文榮獲三等獎(jiǎng)，在2011 年全國(guó)高校物理基礎(chǔ)課程教育學(xué)術(shù)研討會(huì)上，由本科生撰寫(xiě)的論文“薄膜厚度對(duì)Co90Fe10薄膜電特性影響的研究”獲得“會(huì)議優(yōu)秀論文獎(jiǎng)”，他們的選題均來(lái)自于所做的課題型實(shí)驗(yàn)。2011 年學(xué)習(xí)過(guò)課題型實(shí)驗(yàn)的部分同學(xué)，在申請(qǐng)出國(guó)和保研以及參加北京大學(xué)夏令營(yíng)、中科院研究生院暑假學(xué)校時(shí)，均介紹了他們?cè)诨谡n題型的研究性實(shí)驗(yàn)中所做的工作和收獲，他們的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)素養(yǎng)得到相關(guān)老師的認(rèn)可，有5 名同學(xué)獲得北京大學(xué)研究生免試資格。同時(shí)，經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)踐探索，在原有的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)講義基礎(chǔ)上，編寫(xiě)了配套理科物理實(shí)驗(yàn)教程。

另外，在世界銀行貸款、國(guó)家維修與購(gòu)置項(xiàng)目及學(xué)校自籌資金大力支持下，經(jīng)過(guò)多年的“211 工程”、“國(guó)家工科物理課程教學(xué)基地”和“北京市物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”建設(shè)，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有環(huán)境、硬件設(shè)施滿(mǎn)足課題型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的條件，為我們進(jìn)行基于課題型的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索與實(shí)踐提供了強(qiáng)有力的保障。

6 結(jié) 語(yǔ)

基于課題型的研究性教學(xué)尚處于探索階段，在教學(xué)實(shí)踐中還有一系列的問(wèn)題需要深入研究。我們圍繞物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了相關(guān)方面的一些探索與實(shí)踐，希望找出一條更適合于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的新途徑，吸引更多的學(xué)生能夠參與到這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來(lái)，使更多的學(xué)生從中受益，力圖在以下4 個(gè)方面有所創(chuàng)新:①在理念上，引入科研思維訓(xùn)練的教學(xué)理念;②在內(nèi)容上，體現(xiàn)科學(xué)性、先進(jìn)性、前沿性、可行性;③形成適合課題型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法體系;④建立一種“全過(guò)程—多方式—立體化”評(píng)價(jià)體系。

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