創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式下大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

摘要：培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要目標(biāo)，通過近幾年實(shí)踐教學(xué)，總結(jié)長沙理工大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中所采取的諸多改革措施——開設(shè)和開放各種實(shí)驗(yàn)室，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)交互式教學(xué)平臺(tái)，對學(xué)生進(jìn)行全程性考核。這種教學(xué)模式有利于學(xué)生的動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)熱情的提升。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；開放實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新能力

作者簡介：鄧小清（1974-），女，湖南寧鄉(xiāng)人，長沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，講師；楊昌虎（1964-），男，湖南常德人，長沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，副教授。（湖南 長沙 410004）

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）19-0143-02

目前，教育部普通高等學(xué)校的本科實(shí)踐教學(xué)工作的評估中[1，2]提出了要對實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行改革，要大力加大綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例，盡可能進(jìn)行開放式教學(xué)。作為理工科學(xué)生的一門重要基礎(chǔ)課，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在高校中是作為必修課來設(shè)定的，近年來開始受到了高校領(lǐng)導(dǎo)和教師的重視。長沙理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心近年來也積極進(jìn)行了諸多改革[3]，取得了非常好的成果和成績。

一、開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

按照長沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院的教學(xué)計(jì)劃，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)分為實(shí)驗(yàn)A和B，課程教學(xué)時(shí)數(shù)為64學(xué)時(shí)和32學(xué)時(shí)，共計(jì)上課21次和10次，包括1次緒論課，20和10次實(shí)驗(yàn)課，以及1次實(shí)驗(yàn)考核。除了少量的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，大部分為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)。近6年來，實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行了如下的改革。

1.改革和開放了傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)室

與傳統(tǒng)的教學(xué)模式不同，開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)[4，5]使得學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)教師規(guī)定的時(shí)間內(nèi)自由上課，時(shí)間上學(xué)生有更多選擇，由于開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目比較多，學(xué)生可以選擇一些自己喜歡的實(shí)驗(yàn)，這樣有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生可以在網(wǎng)上選課，由于已經(jīng)將實(shí)驗(yàn)的開放時(shí)間、項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人等信息都公布在網(wǎng)上，學(xué)生可以在網(wǎng)上先了解一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的主要內(nèi)容、相關(guān)文獻(xiàn)資料、操作流程以及注意事項(xiàng)等。因此學(xué)生就能寫好預(yù)習(xí)的內(nèi)容，包括實(shí)驗(yàn)原理，在約定的時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)能做到有備而來。設(shè)立實(shí)驗(yàn)報(bào)告箱，網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)答疑，使學(xué)生隨時(shí)可以按實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)咨詢。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，一共開設(shè)了32個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為8個(gè)，占整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的25%，綜合性實(shí)驗(yàn)為16個(gè)，占整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的50%，考慮到設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)難度較大，目前只開放了8個(gè)，占整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的25%。

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要是對中學(xué)階段實(shí)驗(yàn)的一些鞏固和提升，比如長度和密度的測量，主要是讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用游標(biāo)卡尺、千分尺的以及物理天平，這些在中學(xué)開學(xué)過，但發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生不會(huì)正確操作和讀數(shù)，同時(shí)對數(shù)據(jù)處理方面增加了線性回歸法，誤差方面引入了標(biāo)準(zhǔn)偏差的計(jì)算。類似的實(shí)驗(yàn)還有動(dòng)量守恒定律的驗(yàn)證，光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)等；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相對更加注重知識的拓展和應(yīng)用，比如電位差計(jì)的原理與應(yīng)用，學(xué)生在中學(xué)根本沒有接觸過電位差計(jì)，相對來說就有點(diǎn)難度，不僅要學(xué)會(huì)根據(jù)電位差計(jì)的補(bǔ)償原理來調(diào)試電位差計(jì)，而且要應(yīng)用到實(shí)際中，比如校正直流電表、測量未知電阻以及測量電池的電動(dòng)勢和內(nèi)阻等。綜合性實(shí)驗(yàn)對學(xué)生的要求更高，首先不僅要了解原理，還要根據(jù)需要設(shè)定一些參數(shù)，然后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，最后進(jìn)行驗(yàn)證，比如熱敏電阻溫度計(jì)的設(shè)定，學(xué)生首先要測量熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系，其次自己設(shè)定一個(gè)電橋，而電橋中有很多參數(shù)是需要根據(jù)自己的要求去設(shè)定的，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)的測量數(shù)據(jù)去驗(yàn)證線性關(guān)系。

2.增設(shè)并開放了演示實(shí)驗(yàn)室

談到演示，很容易讓人想到中學(xué)課堂上，教師拿著一套教具在講臺(tái)上操作和實(shí)驗(yàn)，講臺(tái)下全體學(xué)生在觀望，教室前面的學(xué)生看得比較清楚，后面的學(xué)生只能聽教師講的過程和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，可見教學(xué)效果是很受限制的。比較而言，大學(xué)的講課信息量大，教師的教學(xué)規(guī)劃中，教學(xué)內(nèi)容大大增加，知識的難度也進(jìn)一步加大，教師要提升課堂教學(xué)效果，學(xué)生要很快速并扎實(shí)地掌握大學(xué)物理的知識，需要補(bǔ)充一些實(shí)驗(yàn)來鞏固知識。為此，長沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院向?qū)W校申請，建立了大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)室，包括力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)室、電學(xué)和磁學(xué)演示實(shí)驗(yàn)室以及光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)室，演示實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目很多，內(nèi)容豐富，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常直觀，深得學(xué)生的喜愛。比如力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)室中，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量守恒定理的驗(yàn)證中，一個(gè)學(xué)生坐在一張能轉(zhuǎn)動(dòng)的椅子上，兩手分別拿著啞鈴，在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，當(dāng)雙手往胸前收縮，可以明顯看到椅子的轉(zhuǎn)速加快，而兩手水平伸展的時(shí)候，椅子的轉(zhuǎn)速會(huì)減慢；另外還有彈性碰撞、動(dòng)量定理、水波的共振等25個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的演示。電磁學(xué)演示實(shí)驗(yàn)室內(nèi)容包括靜電感應(yīng)球、LED顯示原理、冰箱的工作原理演示儀，半導(dǎo)體制冷、紅外線報(bào)警設(shè)備，電腦人機(jī)交互，光致和電致發(fā)光原理、微波輻射測量等28個(gè)演示項(xiàng)目。對于光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生非常感興趣的就是3D電影的原理、激光光柵演示的滿天星效果，另外還有黑體輻射、光纖通訊、雙折射、偏振光等25個(gè)項(xiàng)目。上課的時(shí)候，教師要求學(xué)生一般先預(yù)習(xí)，熟悉原理、儀器和實(shí)驗(yàn)演示過程，然后每個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé)一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行講解和演示，遇到講解不全面的，指導(dǎo)教師再做補(bǔ)充。

3.建立和開放了仿真實(shí)驗(yàn)室

目前，隨著高校計(jì)算機(jī)的普及，很多學(xué)校把計(jì)算機(jī)應(yīng)用到了教學(xué)中，一方面增加了教學(xué)的方便，另一方面由于很多前言的實(shí)驗(yàn)儀器比較復(fù)雜、精密和貴重，學(xué)校沒有那么多資金去購置這些設(shè)備，同時(shí)，由于各個(gè)專業(yè)的要求不同，為了學(xué)科的發(fā)展，有些院系注重對專業(yè)課程的投入，對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)這種公共基礎(chǔ)課則給定的學(xué)時(shí)和學(xué)分較少，比如有些學(xué)院制定的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程只有1個(gè)學(xué)分，學(xué)生就只能做9個(gè)實(shí)驗(yàn)，這樣學(xué)生掌握這門課的知識就有局限，也阻礙了一些學(xué)生在這方面的求知欲。為此，通過跟學(xué)校和學(xué)院的協(xié)商，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心建立了物理仿真實(shí)驗(yàn)室，有專門的電腦機(jī)房提供給學(xué)生使用，通過專門的仿真軟件，學(xué)生可以在電腦上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的界面操作，可以修改實(shí)驗(yàn)參數(shù)，得到不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和誤差分析，這樣反復(fù)的實(shí)驗(yàn)操作，使得學(xué)生對設(shè)備流程和操作方法能大大加深印象；對于一些比較前言的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)，比如磁懸浮效應(yīng)、納米磁性效應(yīng)、超導(dǎo)效應(yīng)以及熱電效應(yīng)等，則會(huì)大大地拓展了學(xué)生的見識和視野，這種仿真實(shí)驗(yàn)使得學(xué)生對實(shí)驗(yàn)教學(xué)表現(xiàn)出更強(qiáng)的學(xué)習(xí)興趣和更飽滿的學(xué)習(xí)熱情。

二、構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)交互式教學(xué)平臺(tái)

盡管目前高校實(shí)驗(yàn)裝備的投資力度得到增加，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境和手段得到了改善，但仍然存在經(jīng)費(fèi)比較緊張，實(shí)驗(yàn)設(shè)備不夠完善，以及人機(jī)矛盾等方面的問題。為此，利用現(xiàn)代教育技術(shù)變成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中極為重要的手段之一，近年來數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)[6]開始走進(jìn)了高校的校園，這是一種以網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源建設(shè)為核心而進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)多媒體輔助教學(xué)模式，為此，學(xué)校網(wǎng)站專門建立了數(shù)字化教學(xué)資源庫和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，平臺(tái)內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)課程，作業(yè)提交系統(tǒng)、考試系統(tǒng)，答疑系統(tǒng)、在線答疑、課件發(fā)布系統(tǒng)、精品課程、教學(xué)平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)課件、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教案、網(wǎng)絡(luò)課堂、智能化、遠(yuǎn)程教學(xué)與技術(shù)等，這種教學(xué)網(wǎng)絡(luò)交互式教學(xué)模式，具有靈活性、開放性、多層面性等特點(diǎn)。作為省級級精品課程的大學(xué)物理課程，為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)提供了很好的理論指導(dǎo)和前言成果數(shù)字化資源，除了把大綱和現(xiàn)有教材中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容注入教學(xué)中，一些先進(jìn)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)成果也被補(bǔ)充到教學(xué)平臺(tái)中，有些教師結(jié)合自己的科研實(shí)驗(yàn)，將一些相關(guān)的成果（包括論文、專利以及小制作等）通過這個(gè)平臺(tái)傳輸給學(xué)生。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上內(nèi)容豐富，包括以下一系列文件：文本、圖形圖像、音頻、視頻、動(dòng)畫、課件等。為了提高教師的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)水平，學(xué)校和學(xué)院每年組織教師進(jìn)行多媒體教學(xué)培訓(xùn)，多媒體課件制作比賽等，教師們也積極向一些計(jì)算機(jī)水平高的同行學(xué)習(xí)，使得網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)不斷豐富和完美，內(nèi)容也及時(shí)得到了更新。

三、實(shí)施了全程性實(shí)驗(yàn)考核

全程性考核[7]是實(shí)驗(yàn)考試考核改革的一種有效方式，考核的范圍比較全面，包括實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)部分、上課以及最終的實(shí)驗(yàn)報(bào)告和思考等，而期末的實(shí)驗(yàn)考核，則是對整個(gè)學(xué)期實(shí)驗(yàn)的一個(gè)隨機(jī)抽查檢測，這種具有連續(xù)性的考核方式對教學(xué)起到了較好的促進(jìn)作用，考核具體包括以下內(nèi)容：

實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)方面：學(xué)生進(jìn)入教室以后，教室會(huì)對學(xué)生的預(yù)習(xí)進(jìn)行檢查，內(nèi)容主要是實(shí)驗(yàn)原理和注意事項(xiàng)方面，方式包括檢查預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告和口頭提問等。實(shí)驗(yàn)操作方面：上課的時(shí)候，教師會(huì)將實(shí)驗(yàn)原理、主要實(shí)驗(yàn)步驟以及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)進(jìn)行講解，必要的時(shí)候會(huì)進(jìn)行部分演示操作，然后學(xué)生會(huì)按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行相關(guān)操作，教師會(huì)針對學(xué)校的上課表現(xiàn)給予考核，包括上課的紀(jì)律、實(shí)驗(yàn)儀器的調(diào)試、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正確以及對實(shí)驗(yàn)故障的處理能力等。課后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告方面：學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后，需要將課堂上的知識進(jìn)行總結(jié)，寫完實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告中要求學(xué)生對課堂的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、對結(jié)果進(jìn)行誤差分析以及對實(shí)驗(yàn)的思考題進(jìn)行解答。鼓勵(lì)學(xué)生有獨(dú)到的思維見解，寫實(shí)驗(yàn)心得，對基礎(chǔ)好的學(xué)生，提倡學(xué)生利用計(jì)算機(jī)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有部分學(xué)生甚至能自己編寫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序。通過這種多方面的考核方式，一方面對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)起到了監(jiān)督作用，另一方面能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。

除了平時(shí)的實(shí)驗(yàn)，到期末的時(shí)候還會(huì)有一次隨機(jī)考核，對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績加權(quán)評定為平時(shí)實(shí)驗(yàn)占80%，期末考核占20%。期末考核是對平時(shí)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)綜合測試，考查學(xué)生對平時(shí)實(shí)驗(yàn)的熟悉程度，只有平時(shí)實(shí)驗(yàn)掌握較好、基本熟悉每個(gè)實(shí)驗(yàn)的流程，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理得當(dāng)?shù)膶W(xué)生才能取得較好成績。在實(shí)驗(yàn)中心，這種考核采用電腦隨機(jī)抽取實(shí)驗(yàn)考核項(xiàng)目，學(xué)生只有在考試前15分鐘才知道自己的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)入考核的地點(diǎn)后，教師會(huì)以多種方式（口試、筆試以及實(shí)驗(yàn)操作等）考核學(xué)生，這樣對學(xué)生的實(shí)踐操作和口頭表達(dá)都有一定的要求。對基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)[8]等實(shí)驗(yàn)考核的側(cè)重點(diǎn)也不同，基本實(shí)驗(yàn)考核，主要考核學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)技能、簡單實(shí)驗(yàn)操作以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理是否規(guī)范等；對于綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，主要考核學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的分析能力，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力以及解決實(shí)驗(yàn)故障和突發(fā)問題的能力。

當(dāng)然，這種改革也給實(shí)驗(yàn)教師帶來了一些不便。比如說，由于學(xué)生大部分是大二，很多是工科學(xué)生，學(xué)生的課程多，任務(wù)重，為了完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生會(huì)逃掉他們的專業(yè)課來上實(shí)驗(yàn)課，從而導(dǎo)致專業(yè)學(xué)習(xí)受到影響。為此，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心的教師會(huì)盡量把一些開放的時(shí)間放在中午、周六、周日以及晚上，有利于學(xué)生的選課和上課。而且長沙理工大學(xué)的新校區(qū)處在離市中心有30公里的郊外，交通不太方便，而要完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，教師要克服很多困難。另外，網(wǎng)上教學(xué)也增加了教師的投入，要做電子文檔、課件、開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，改變教學(xué)方式，更新教學(xué)內(nèi)容，關(guān)注科技前言等。當(dāng)然，一切以學(xué)生為中心，為了培養(yǎng)更多優(yōu)秀人才，實(shí)驗(yàn)中心在師資不足的條件下，兢兢業(yè)業(yè)，盡職盡責(zé)地工作：近5年來有部分本科生發(fā)表了30余篇相關(guān)的實(shí)驗(yàn)論文，參加了10余項(xiàng)教育部創(chuàng)新性開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，另外學(xué)院每年組織學(xué)生參加湖南省大學(xué)物理競賽，學(xué)校的“物電杯”實(shí)驗(yàn)競賽，以及全國大學(xué)生電子競賽等，這些活動(dòng)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、研究興趣和創(chuàng)新能力，也取得了很多優(yōu)異的成績。

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（責(zé)任編輯：劉輝）