協(xié)同式創(chuàng)新物理實驗平臺的構(gòu)建

[摘 要]為促進學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)，文章根據(jù)協(xié)同理論，提出了創(chuàng)新物理實驗平臺的構(gòu)建。學(xué)生通過該平臺可以自主設(shè)計實驗項目、選擇實驗儀器、制定實驗計劃、在教師的指導(dǎo)下在實驗室完成實驗項目并獲得實驗結(jié)果。該實驗平臺可以有效發(fā)揮教師、學(xué)生、實驗技術(shù)員和實驗儀器的協(xié)同作用，提高實驗教學(xué)的質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]協(xié)同式 開放性 創(chuàng)新 物理實驗

[中圖分類號] C4-4 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2013）012-0054-02

一、物理實驗平臺的現(xiàn)狀及不足

物理實驗是理工科院校進行科學(xué)實驗基本訓(xùn)練的一門必修基礎(chǔ)課，是大學(xué)生接受系統(tǒng)實驗方法和技能訓(xùn)練的開始，是進行科學(xué)訓(xùn)練的重要基礎(chǔ)。基于這樣的教學(xué)指導(dǎo)思想，傳統(tǒng)的物理實驗教學(xué)注重物理知識傳授和操作技能訓(xùn)練，教學(xué)中實驗儀器通常由實驗室技術(shù)人員提前準(zhǔn)備，實驗時由學(xué)生被動地按照規(guī)定的實驗項目，預(yù)定的實驗?zāi)康摹⒎椒ê筒襟E進行實驗操作，處理實驗數(shù)據(jù)，得到預(yù)期的實驗結(jié)果，實驗內(nèi)容也是驗證性實驗居多，設(shè)計性實驗少。這種教學(xué)模式不利于學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)，教師的教研發(fā)展空間受到限制，實驗技術(shù)人員設(shè)計、改進實驗儀器的需求不足，儀器設(shè)備課外使用率不高。針對這種不利局面，我國很多高校建立了開放性實驗教學(xué)管理模式，這種管理模式的開放形式及管理模式是各高校實驗教學(xué)改革的一項重大課題，許多高校教師及管理人員對此進行了研究并取得了一定成果。目前對開放實驗室的研究與實踐主要是解決如何充分利用實驗室現(xiàn)有資源，更好地完成該學(xué)科實驗課程教學(xué)任務(wù)，以及如何解決開放之后所帶來的一系列儀器設(shè)備管理的問題。在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，大學(xué)物理實驗的開放性教學(xué)還存在以下局限：一是實驗室開放僅局限于單個物理實驗的日常實驗教學(xué)，不能滿足學(xué)生綜合型、研究型實驗的需要；二是實驗室儀器設(shè)備按實驗項目分布在各個實驗教室，實驗員分實驗項目進行管理，不能構(gòu)建統(tǒng)一的創(chuàng)新物理實驗平臺，不利于學(xué)生自主進行實驗研究，對提高學(xué)生實驗創(chuàng)新能力的實際作用有限。因此，進一步解放思想，拓展空間，通過協(xié)同式創(chuàng)新物理實驗平臺建設(shè)，實現(xiàn)實驗室各種儀器設(shè)備資源以及師資的共享，對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力具有重要現(xiàn)實意義。

二、構(gòu)建創(chuàng)新物理實驗平臺的必要性

通過對學(xué)生的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生隨著物理理論知識學(xué)習(xí)的深入、專業(yè)知識的豐富，對物理實驗不僅僅是滿足有限的課堂學(xué)習(xí)，特別是高年級學(xué)生，往往會對物理理論提出自己的看法和設(shè)想，渴望通過實驗探索新的知識；或者結(jié)合專業(yè)知識，嘗試進行發(fā)明創(chuàng)新，需要通過物理實驗驗證其科學(xué)性和可行性。但是學(xué)生對實驗室資源了解不夠，實驗儀器分布分散，同時缺乏指導(dǎo)幫助，教師不能了解學(xué)生的需求，學(xué)生難以有效整合實驗資源，很多好的想法無法付諸實踐。因此，需要建立一個能整合教師、學(xué)生、實驗技術(shù)人員、儀器設(shè)備的物理實驗平臺，讓學(xué)生能進行實驗創(chuàng)新。

三、構(gòu)建創(chuàng)新物理實驗平臺的具體實施

哈肯等人通過對許多客觀系統(tǒng)（如激光系統(tǒng)）進行研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)展演化中存在一個普遍原理：在任何系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)之間均依靠有調(diào)節(jié)、有目的的“自組織”過程，使千差萬別的子系統(tǒng)協(xié)同作用，從而產(chǎn)生新的穩(wěn)定有序的結(jié)構(gòu)。哈肯發(fā)現(xiàn)無論是平衡相變還是非平衡相變，系統(tǒng)在相變前大量子系統(tǒng)沒有形成合作關(guān)系，一旦系統(tǒng)達到某種相變點，這些子系統(tǒng)就會迅速建立起合作關(guān)系，以有組織的方式協(xié)同行動而產(chǎn)生整體的新質(zhì)，導(dǎo)致系統(tǒng)宏觀性質(zhì)的突變。因此，在協(xié)同學(xué)中，哈肯把協(xié)同定義為系統(tǒng)的各部分之間互相協(xié)作，使整個系統(tǒng)形成微個體層次所不存在的新質(zhì)的結(jié)構(gòu)和特征。在創(chuàng)新物理實驗平臺中，學(xué)生、教師、實驗技術(shù)人員、儀器設(shè)備、實驗室是構(gòu)成平臺系統(tǒng)的子系統(tǒng)。在進行實驗創(chuàng)新過程中，學(xué)生具備了基本的實驗操作技能和實驗知識，有了新的實驗想法，但沒有形成成熟的實驗設(shè)計，需要老師進一步指導(dǎo)和儀器設(shè)備的支持。實驗老師掌握了專業(yè)的實驗知識和豐富的實驗技術(shù)，能有效地指導(dǎo)學(xué)生進行實驗，但需要深入了解學(xué)生的想法和需求。實驗技術(shù)人員熟悉實驗室儀器設(shè)備的性能和分布情況，能順利整合各種儀器達到某一實驗要求，或者加工制作新的裝置。各種儀器設(shè)備按教學(xué)實驗項目分布在各實驗教室，需要重新組合才能完成創(chuàng)新性實驗項目。在創(chuàng)新實驗平臺中，這些子系統(tǒng)通過平臺進行交流、調(diào)整、協(xié)作等“自組織”過程，形成合作關(guān)系，產(chǎn)生新的功能和性質(zhì)，達到完成實驗創(chuàng)新的“相變點”。

為了促進各子系統(tǒng)形成合作關(guān)系，達到系統(tǒng)“相變點”，提高高校網(wǎng)絡(luò)資源利用率，我們提出構(gòu)建協(xié)同式創(chuàng)新物理實驗平臺。協(xié)同式實驗平臺是一種全新的開放式實驗教學(xué)模式，建設(shè)這樣的實驗平臺，可以有效突破物理實驗資源分塊管理的局限，將各單一實驗項目需要的所有儀器設(shè)備集中于統(tǒng)一的實驗大平臺，可以大幅度提高儀器設(shè)備及教師資源的共享率；同時，由于儀器設(shè)備的全面開放，學(xué)生可以在實驗平臺自由選擇所需要的實驗儀器，進行研究性實驗，從而真正有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

為了使各子系統(tǒng)實現(xiàn)“自組織”過程，創(chuàng)新物理實驗平臺主要包括以下三個子項目平臺。（1）儀器設(shè)備庫子平臺。該子平臺提供了實驗室所有儀器設(shè)備的名稱、功能、使用性能、參數(shù)等有關(guān)資料，特別是對具有多功能的儀器設(shè)備作了相應(yīng)的詳細(xì)介紹。學(xué)生通過該子平臺可以了解自己的實驗設(shè)想是否有儀器支撐、現(xiàn)有的儀器設(shè)備是否能完成預(yù)想的實驗項目。隨著實驗室建設(shè)的發(fā)展，儀器庫可以隨時更新。（2）師生交流子平臺。通過交流子平臺，教師、實驗技術(shù)人員、學(xué)生之間可以進行協(xié)作交流。平臺介紹各實驗教師的學(xué)科背景、專業(yè)領(lǐng)域、聯(lián)系方式等資料，各實驗技術(shù)人員擅長的實驗、加工制作技術(shù)以及其他可以提供的資源。學(xué)生通過子平臺可以網(wǎng)上提交實驗設(shè)想、向老師提問等；老師可以了解學(xué)生的實驗需求，通過留言、電子郵件等方式和學(xué)生溝通，指導(dǎo)學(xué)生進行實驗設(shè)計和實驗計劃的修訂。（3）學(xué)習(xí)子平臺。該平臺集成了網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源，主要包括各種儀器設(shè)備的原理、功能、調(diào)節(jié)使用方法、注意事項等內(nèi)容，以課件的形式組合在該平臺。學(xué)生通過子平臺可以了解儀器的功能，掌握各種儀器的操作方法。

該創(chuàng)新實驗平臺具有“協(xié)同式”的顯著特征：（1）實現(xiàn)了物理實驗室儀器設(shè)備的資源優(yōu)化配置，協(xié)同共享，使之發(fā)揮最佳的組合效應(yīng)；（2）實現(xiàn)了儀器設(shè)備時間上、對象上、項目上的全面協(xié)同開放，為學(xué)生完成綜合型、創(chuàng)新型實驗提供充分的物質(zhì)資源；（3）學(xué)生在實驗平臺進行創(chuàng)新實驗協(xié)同以實現(xiàn)提升學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)能力的核心目標(biāo)；（4）要實現(xiàn)創(chuàng)新實驗平臺的最佳育人效應(yīng)，必須充分發(fā)揮實驗教師、實驗管理人員的積極性，實現(xiàn)上述實驗教學(xué)人力資源與實驗儀器設(shè)備物質(zhì)資源的優(yōu)化組合，發(fā)揮最好的人機協(xié)同效應(yīng)。協(xié)同式創(chuàng)新實驗平臺以上述儀器設(shè)備全面開放為支持性條件，以支持學(xué)生進行協(xié)同式創(chuàng)新實驗為基本活動，在提升學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)能力為核心目標(biāo)的協(xié)同式創(chuàng)新實驗活動中有層遞式三個層次。（1）協(xié)同式基礎(chǔ)實驗：主要針對低年級學(xué)生開放一些基礎(chǔ)實驗，如大學(xué)物理實驗“示波器的使用”、“基本測量”等。如何在基礎(chǔ)實驗中實現(xiàn)儀器設(shè)備資源共享，如何在基礎(chǔ)實驗中提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，是本層次實驗活動的主要研究內(nèi)容。（2）協(xié)同式綜合實驗：由于儀器設(shè)備的全面開放打破了各個實驗項目的界限，這樣就使得綜合性實驗?zāi)軌虻玫礁玫膶嵤＃?）協(xié)同式創(chuàng)新實驗 ：創(chuàng)新性實驗主要是針對高年級本科生、研究生。學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)想提出實驗項目，包括實驗?zāi)康摹嶒炈鑳x器、實驗方法、實驗步驟等，可以在網(wǎng)上提交實驗計劃項目書，在實驗室審核后進行自主實驗。實驗室為學(xué)生提供一種自主參與、開放自由的實驗環(huán)境，為學(xué)生提供使用場地和儀器。

基于以上構(gòu)想，我們建立了可行的物理創(chuàng)新實驗平臺。在前期的實施過程中我們發(fā)現(xiàn)了新的情況，很多機械類、電氣類等工科專業(yè)的高年級本科生和研究生不僅僅滿足于純實驗性項目，他們結(jié)合自己的專業(yè)特長，善于提出頗具專業(yè)特色的創(chuàng)意。有的學(xué)生利用所學(xué)專業(yè)知識和技能，會提出一些具有實用價值的新產(chǎn)品、新發(fā)明設(shè)想，需要實驗室提供制作條件，并利用相關(guān)儀器設(shè)備進行檢測，然后進一步改進。針對這一新情況，我們實驗室對學(xué)生提出的設(shè)想提供可行性研究，在現(xiàn)有條件下添置了部分機械加工、電器制作設(shè)備，并和學(xué)校實習(xí)工廠建立了合作關(guān)系，能夠根據(jù)學(xué)生創(chuàng)意加工制作一些機械、電器產(chǎn)品，需要用到大型加工設(shè)備的項目我們可以聯(lián)系當(dāng)?shù)赜袟l件的工廠進行加工制作，然后在實驗室進行測試和改進。對于具有開發(fā)價值的產(chǎn)品我們協(xié)助學(xué)生向?qū)W校申請研究項目，爭取經(jīng)費支持。通過前期的實踐，初步達到了良好的預(yù)期效果，同時也發(fā)現(xiàn)存在一些問題和不足，我們期待在以后的教學(xué)實踐中進一步改進和完善。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 陳國杰，謝嘉寧，等.構(gòu)建集約式物理實驗開放教學(xué)新模式[J].實驗室研究與探索，2007，（4）.

[2] 寧智華，祖小濤，姚列明.全開放型物理實驗教學(xué)模式的探索與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2006，（23）.

[3] 楊黨強.技術(shù)應(yīng)用型院校《物理實驗》教學(xué)改革與探索[J].大學(xué)教育，2012，（3）.

[4] 高紅.高水平實驗創(chuàng)新平臺建設(shè)的探索[J].大學(xué)教育，2012，（10）.

[5] 張銳波，陳建，張科紅.物理實驗培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才教學(xué)方法研究[J].實驗室研究與探索，2007，（1）.

[責(zé)任編輯：綠 洲]