建設物理實驗系列課程 培養學生創新能力

張亞萍， 馬紅章， 王殿生， 劉 臻， 劉彥民， 朱海豐

(中國石油大學(華東) a.理學院; b.教務處， 山東 青島 266580)

0 引 言

中國石油大學(華東)理學院物理實驗中心，2006年是山東省首批省級物理實驗教學示范中心，1998年在大面積“大學物理實驗”課程教學中，率先全面實施開放式實驗教學模式，實現了輔助教學信息化和教學管理現代化。2007年“大學物理實驗”被評為省級精品課程。實驗中心主要面向全校40多個本科專業4100多名理工科學生，開設各類物理實驗系列課程(不含專業實驗)，年實驗教學工作量超過20萬人時數，構建了以“注重物理思想、強調實驗過程、突出石油特色、體現工程應用和創新能力培養”教學理念為核心的創新物理實驗教學模式，并在實驗教學中實施，提高了物理實驗系列課程的教學效果和教學水平。為了確保物理實驗中心與中國石油大學(華東)研究型大學建設的協調發展，近年來在依托多層次物理實驗系列課程建設，培養學生創新能力方面進行了積極的探索和實踐[1-2]。

實踐教學是課程體系中的重要環節，承載著對學生工程素質、實踐能力、創新精神以及創新研究能力培養的首要任務，它不僅對學生理論聯系實際、加深對理論的感性認識具有非常重要的作用，而且也是實現應用型創新人才培養目標的重要途徑[3-4]。

物理實驗對培養學生的創新品質、創新能力承擔著十分重要的角色，具有不可替代的作用[5]。著名的物理學家馮端院士指出，實驗可以引人入勝，啟發學生獨立解決問題，培養他們的創造思維。在第七屆全國高校物理實驗教學研討會上，四川大學物理學院的高潔院士向廣大物理同仁表達了自己的觀點：把物理學創新精神和能力培養作為教育的基本目標，這樣才能產生杰出的領軍人才，帶動一個物理學科、促進一個產業的興起，強國富民。

結合我校物理實驗中心(以下簡稱中心)的實際情況以及當前關于研究性教學的理念，中心確立了基于差異化的因材施教，突出培養學生創新能力和拔尖創新型人才作為當前物理實驗教學改革的主要方向。

1 物理實驗中培養學生創新能力

實驗最主要的是使學生從中產生興趣，從而通過實驗達到創新的目的。創新性要求主要體現在創新的實驗教學理念，創新的實驗教學課程體系，創新的實驗教學內容和教學方法等，培養的創新性人才則應具有創新的意識、創新的思維、創新的能力、可創造原創性的成果。物理實驗中創新意識和創新能力培養實施主要通過：基于問題的學習、基于研究的學習和基于項目的訓練[6-7]。

(1) 基于問題的學習。其核心就是在物理實驗教學過程中培養學生的問題意識、創新動機和創新興趣。通過實驗中的觀察、測量、數據處理、總結歸納等發現問題，這就要求在實驗教學過程中，教師應該引導學生：邊觀察，邊實驗，邊思維。創新動機的培養主要通過引入物理學史，注重解讀大師們分析解決問題的視角，培養學生養成善于觀察，勤于思考，樂于探究的習慣。創新興趣的培養主要通過實驗過程中的知識學習，技能提高，體驗實驗興趣。

(2) 基于研究的學習。主要是引導學生主動探索，以科學研究的方式開展實驗探索，在學習知識、應用知識、探究未知的過程中培養學生的創新品質、創新能力結構、創造性研究能力等。創新品質培養，主要是通過實驗研究探索過程培養學生的自主性，合作性等。創新能力培養，主要培養學生基本實驗能力，創造性思維能力，實驗綜合能力。創造性研究能力培養，主要在實驗研究過程中，讓學生用心去仔細體驗與應用物理實驗研究方法。

(3) 基于項目的訓練。實驗教學中培養學生創新思維、創新能力的較高層次系統訓練。聘請一批教學和學術水平高的教師以系統項目訓練的形式指導學生開展實驗課題研究，以言傳身教的方式逐步把學生帶入科學研究的殿堂。學生在課題完成過程中，根據所學的理論和實驗知識，在教師的引導下自選研究課題，設計實驗方案，檢索文獻資料，提交課題報告等獲得一整套科學研究方法訓練，促進理論與實踐、創新設計與動手操作的緊密結合。教師組織學生進行方案論證和相互討論，掌握科學的實驗研究方法，引導學生分析解決問題，最大限度地激發學生的智慧潛能。

2 建設物理實驗系列課程的指導思想

近年來，基于應用創新型人才培養的需要及研究性教學模式實施的思考，中心將物理實驗系列分層次課程作為學生創新能力培養的整體進行統籌規劃和建設，構建了具有中國石油大學(華東)特色的四層次物理實驗系列課程體系和與之配套實施的7大物理實驗模塊，將物理實驗必修、選修課有機結合，按照循序漸進的原則分層次實施教學。本著重視基礎，激發興趣，石油特色，引導創新的指導思想，構建了如圖1所示的課程體系和實驗模塊。

圖1 物理實驗系列課程及實驗模塊示意圖

其中，① 課程體系中第1、2級的大學物理實驗(2-1)、(2-2)主要是為全校非物理專業本科生開設的物理實驗基礎課程，該課程所開出的實驗學時數遠大于各個專業教學計劃所規定的學時，教學內容豐富，適應不同專業學生需求，學生可以根據自己的專業特點，興趣愛好，在同一實驗教學平臺上選修一定數目的實驗項目來完成課程要求；② 第1、2級的普通物理實驗(2-1)、(2-2)是為理科物理專業學生開設的多學時物理實驗基礎強化課程；③ 第1、2級的基礎物理實驗(2-1)、(2-2)是為理科實驗班學生專門設置的物理實驗基礎課程，其課程學時多于非物理方向各專業，少于理科物理專業的課程學時；④ 第3級綜合物理實驗主要是針對非物理方向各專業學生開設的實驗選修課，為實驗能力較強，學有余力，對實驗研究有濃厚興趣學生開設的實驗綜合提高課程；⑤ 第4級物理創新實驗專題訓練，主要是為理科物理專業和理科實驗班學生開設的系統創新訓練課程。為此，在物理實驗系列課程教學實施過程中建立了7大物理實驗模塊，教學理念是：在7大實驗模塊教學過程中滲透科學研究元素，體現石油特色。7大物理實驗模塊分別是：基礎性物理實驗、源于諾貝爾獎的物理實驗、石油特色物理實驗、設計研究性物理實驗、系列綜合性物理實驗、現代物理測量技術實驗、物理創新專題實驗。整個物理實驗系列課程體系和7大物理實驗模塊實現的教學目標是：夯實基礎、提高興趣、石油特色、知識轉移、綜合交叉、反映現代、實現創新。

(1) 基礎性物理實驗。在基本實驗方法訓練中，掌握用實驗開展問題研究的思路和方法。建立科學實驗的基本思維方式，培養運用物理規律解決實際問題的基本能力[8]。——培養創新意識、創新興趣，訓練實驗基本能力。

(2) 源于諾貝爾獎的物理實驗。體會重要的物理思想、精巧完美的實驗構思設計和精湛的實驗技術。教學中注重解讀大師們分析解決問題的視角，并融入教師自身的教學研究體會和思路，引導學生在實驗中積極思考，在領悟科學家的創新精神、獻身科學的品質過程中，重溫科學發展史，使學生走一條科學再發現道路，通過研究者的思想、語言和方法，集中傳遞科學思想，若能做到對經典問題的現代評論效果，則起到畫龍點睛之作用[1]。——創新靈感訓練，激發創新激情和興趣。

(3) 石油特色物理實驗。專門為中國石油大學(華東)的辦學特色設置的實驗模塊，注重掌握油品及巖石物性的物理方法研究，引導學生用物理思路解決專業或專業基礎問題。——知識應用能力訓練，培養創新思維。

(4) 系列綜合性物理實驗。綜合性實驗包含知識綜合、方法綜合和儀器結構綜合等，將內容接近的綜合性實驗系列化，實驗項目的綜合性高、技術性強，并體現系列性，進一步豐富實驗項目的內涵，拓展實驗應用空間，開闊實驗研究視野，實驗項目間的相互銜接更加緊密。強調知識運用與技能提高，引導學生在現有實驗基礎上，把物理實驗思想方法拓展和轉移到專業學科[9]。——科學研究方法、實驗創新綜合能力訓練。

(5) 設計研究性物理實驗。主要是在第1、2級物理實驗課程中開設的較少實驗學時的設計研究性實驗訓練模塊，該實驗模塊靈活性較大，重視測量方法、測量條件、測量儀器的優化設計和物理規律的探索性研究。給實驗能力強，對科學實驗研究有濃厚興趣的學生提供基本的實驗探索設計機會。通過設計研究性物理實驗讓學生獨立設計實驗方案，經過論證后在教師指導下完成實驗。經過這個過程，讓學生在成功與失敗中得到鍛煉，體驗科學實驗中啟迪心智的感悟，切實領會物理規律的真諦。 ——實驗創新能力基礎訓練。

(6) 現代物理測量技術實驗。了解現代物理測試方法、測試技術及應用，增強教學內容的科學性、先進性。實驗中新技術的應用，大大提高了學生對物理實驗的興趣，并對后繼專業實驗課的學習有幫助作用，對學生逐步走向研究前沿起到引領作用[10-12]。——感受現代物理科技的魅力，激發創新興趣。

(7) 物理創新專題實驗。主要針對理科物理專業和理科實驗班學生所實施的系統創新綜合訓練，強調思維、意識的創新突破，以培養創新意識、創新思維和研究探索能力為目標，緊密聯系物理實驗課程教學、實驗裝置、實驗方法、實驗過程等組織研究課題，突出自主創新，強調能力提升。以創新研究性實驗課題形式促進學生開展研究性學習，2或3人組成一個小組，實驗課題自主選擇，實驗過程自主安排，把研究結果的分析和創意留給學生，訓練在更加自由開放的環境中進行，以規范的科技論文提交研究成果，并擇優進行答辯。——全面培養創新能力。

3 物理創新實驗專題訓練選題及實施

物理創新實驗專題訓練，重點從抓選題和抓實施2個方面進行規范管理，確保系統訓練效果。選題方面、重點從選題來源和選題篩選方面進行把關；選題實施方面，主要從中心單位層面和教師指導層面進行規范管理。

3.1 選題篩選

(1) 教師主導的探索創新性課題。這方面選題主要包括：教師科研中的小型課題；文獻調研、教學研究、科研探索過程中形成的小課題等。將教師主導設立的探索創新性課題納入物理創新實驗專題訓練課程體系，學生以選題的形式參與探索創新性課題。

(2) 學生主導的探索創新性課題。一部分學生經過一定的實驗知識、技能積累，掌握了一定量的基礎知識，對專業領域有了初步認識，在實驗學習過程中會迸發出一些創新性思路。學生在查閱相關文獻、資料的基礎上，向中心提交探索創新性課題申請，指導教師根據實驗室條件，在針對學生所申請創新性課題調研的基礎上，指導學生進行選題篩選立項。雖然近年來這方面篩選出來的選題比例不是太多，但是每年總是能夠誕生出一定數量較高質量的學生創新性課題。

3.2 選題實施

(1) 中心單位層面(支撐)。提供平臺，保障條件，規范管理。

構建完善、規范有序的實驗室創新平臺，提供一個保證課題順利實施的實驗室條件。開設全方位的實驗項目，涵蓋基礎性、綜合性、反映現代測量技術、設計研究性、系列性等，完善配套的多樣性實驗配件、基本的制作、加工設備等。

(2) 教師層面(指導)。選題評估，指導實施、思路梳理，成果凝練。

采用團隊討論與單獨指導相結合，有序推動物理創新實驗專題訓練實施。幾年來，中心努力探索研究性實驗教學規律，構建創新實踐平臺，成效顯著，得到各級教學主管部門的肯定和支持，同時也受到學生的普遍歡迎。在實驗環境和政策環境的支持下，物理創新實驗專題訓練教學實施發展迅速，并成為中心物理實驗教學的一大亮點。 近3年，以物理實驗創新專題訓練為依托，經過后期深入研究和完善，學生成果數量和級別逐年提高。

4 學生成果及實驗感悟

以系列物理實驗課程為依托，中心近三年指導本科生，取得了比較豐碩的學生成果。指導大學生創新創業訓練計劃項目37項(其中國家級項目12項)、自主創新科研計劃本科生項目2項，這其中包括指導一部分非物理方向學生的項目；指導本科生以第1作者發表研究論文28篇(大部分為核心期刊以上)、學生以第1負責人申請專利5項；指導本科生獲得第七屆全國高等學校物理實驗教學儀器評比、學生論文評比，第十三屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽，山東省第十二、十三屆“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽，山東省物理科技創新大賽等省部級以上獲獎33項，其中特等獎5項，一等獎7項。在學生取得成績的同時，教師的專業知識結構和知識面也得到了進一步提升，實驗教學水平也得到了進一步提高，學生對實驗教師的認可和滿意度逐年提升。以下是學生的部分實驗感悟：

(1) 非物理方向學生實驗感悟。時光荏苒，兩個學期的大學物理實驗課程就這樣結束了。回想曾經親手操作過的實驗，撰寫的實驗報告，處理的實驗數據以及最后用心去完成的實驗論文，總會感到些許不舍。大學物理實驗課程，對我們科學思維的訓練和動手能力的提高有很大幫助。

(2) 理科學生實驗感悟。物理實驗中的系列綜合性實驗項目，展開了我們想象的翅膀，讓我們能夠在實驗的天空中自由翱翔；而物理創新實驗專題訓練則給我們提供了一個更寬廣的舞臺，使我們有機會在老師的指導下，充分發揮自主創新的才能，大膽地進行實驗研究探索，為我們今后的科學研究打下了堅實的實驗基礎。

5 未來發展及體會

根據中國石油大學(華東)物理實驗中心的實際，確立了未來發展的初期、中期和長期目標。

(1) 初期目標。完善大面積工科物理實驗教學，深化理科實驗教學體系，加強物理創新實驗教學。

(2) 中期目標。以創新理念指導和統領物理實驗教學體系和系列課程建設，把創新方法落實到各個實驗項目，把創新能力培養貫穿于物理實驗全過程。

(3) 長期目標。加強創新實踐專題訓練，全面培養學生創新能力，加大學生創新成果培育力度，進一步增強輻射影響力，打造山東省乃至全國知名的實驗教學示范中心品牌。

幾點體會：

(1) 前提基礎。提升學生對基礎實驗教學的重視程度是培養學生創新能力的前提。通過努力做到讓更多的學生重視實驗教學，創新能力培養才會有效。

(2) 課程支撐。以創新理念統領整個物理實驗教學體系和系列課程建設是培養學生創新能力的有力支撐。把創新技法訓練落實到各個實驗項目，把創新能力培養實施到各門物理實驗課程，形成從整體上滲透研究和創新精神的教學模式。在整個課程體系教學中實施基于問題的學習、基于研究的學習和項目的訓練。——符合當前研究性教學理念。

(3) 單位保障。優化實驗教學師資隊伍建設是課程建設和學生創新能力培養的有力保障。建立一支教學科研能力強，勤奮敬業、具有創新精神、結構合理、穩定的高水平的實驗師資隊伍，是深入進行實驗教學改革、實驗室建設和學生創新能力培養的保障。

(4) 持續發展。加大實驗教學的經費投入，及時引進先進實驗設備，改善實驗教學環境和條件，加快計算機網絡信息技術及多媒體技術的實驗教學環境建設，是學生創新能力培養可持續發展的源泉。讓學生及時了解和接觸先進設備和技術，有效利用教學輔助信息化技術，不斷擴寬學生實驗研究視野。建立科學的實驗創新教學有效激勵機制是可持續發展的動力，這樣才能形成持續的推動力，使得實驗創新教育真正變成教師的自覺行為。

6 結 語

高校是科技創新的基地，擔負著培養具有創新精神和創新能力高層次創新型人才的重任，實驗課程建設的作用至關重要。物理實驗課程內容豐富、課程教學實踐周期較長，涉及理工科專業學生面廣。如何培養學生科學實驗素質，提高學生實驗創新能力，滿足不同層次、不同專業學生實驗需求，是物理實驗工作者首要考慮的研究課題。培養學生創新能力，提高教學質量，探索研究性實驗教學模式，構建適應創新能力培養的實驗課程體系和教學模式，是高等教育工作者義不容辭的責任[13-16]。中國石油大學(華東)物理實驗中心將會不斷進取，繼續努力，讓實驗教學在創新教育中發揮更大的作用。

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