“現(xiàn)代物理實驗”課程研究型教學(xué)探索與實踐

吳 平 陳 森 張師平

（北京科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院，北京 100083）

“現(xiàn)代物理實驗”是面向具有一定實驗訓(xùn)練基礎(chǔ)的物理系高年級本科生開設(shè)的一門物理實驗課，是物理系本科教學(xué)的重要組成部分，實驗內(nèi)容常常具有本系學(xué)科方向的印記.同時，高年級學(xué)生在理論知識、實驗知識和技能方面已經(jīng)有了一些積累，具備了對他們進(jìn)行更深入科學(xué)實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)的基礎(chǔ).但是限于硬件條件、資金投入等多方面因素，我校前期的“現(xiàn)代物理實驗”課程教學(xué)存在著一些不足：實驗內(nèi)容以學(xué)習(xí)和驗證相關(guān)理論課程內(nèi)容為主，缺乏一定的系統(tǒng)性和綜合性，不利于學(xué)生的獨立思考和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)；鑒于精密設(shè)備的昂貴，代表新理論和先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的實驗項目不能引進(jìn)到實驗課程教學(xué)中；實驗內(nèi)容與學(xué)科發(fā)展、教師科研聯(lián)系不緊密，實驗項目內(nèi)容先進(jìn)性、前沿性不夠.針對這些不足，基于應(yīng)用物理學(xué)學(xué)科特點，結(jié)合創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求，尤其是拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)需要，我們對“現(xiàn)代物理實驗”課程的教學(xué)模式、內(nèi)容進(jìn)行了改革、創(chuàng)新，以適應(yīng)學(xué)科發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，滿足學(xué)生接受高水平實驗訓(xùn)練的多樣化需求.

在我校研究型教學(xué)示范課程建設(shè)項目的支持下，我們結(jié)合物理系的學(xué)科優(yōu)勢和物理實驗課程教學(xué)團隊教師多為教學(xué)科研雙肩挑的優(yōu)勢，提出了基于課題型的研究型實驗教學(xué)新模式，以縮短實驗課程訓(xùn)練與科學(xué)研究之間的距離，建立溝通橋梁.以本系學(xué)科為依托，設(shè)置課程內(nèi)容和配置儀器設(shè)備平臺，面向高年級本科生開設(shè)出一些反映學(xué)科發(fā)展熱點，內(nèi)容與科研、工程、社會應(yīng)用實踐緊密聯(lián)系的研究型實驗課題.模擬科學(xué)研究過程與環(huán)境，以課題為主線，將整個課程的內(nèi)容串通起來，把學(xué)習(xí)過程變成學(xué)生主動探索與研究過程，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、主動探索的積極性，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的科研能力與創(chuàng)新意識，使學(xué)生初步了解科學(xué)研究思維方式和方法，提高學(xué)生的就業(yè)適應(yīng)面和競爭力.

1 以學(xué)科建設(shè)為依托，配置開放的通用儀器設(shè)備平臺

在配置“現(xiàn)代物理實驗”課程的儀器裝置時，我們盡量避免購置純教學(xué)儀器裝置，在經(jīng)費允許的條件下，購置可以開展一定科學(xué)研究工作的儀器裝置.將學(xué)科建設(shè)、修購項目等多個實驗室建設(shè)項目進(jìn)行通盤規(guī)劃，購置振動樣品磁強計、高真空磁控濺射鍍膜儀、原子力顯微鏡、電弧爐、阻抗儀、變溫霍爾效應(yīng)特性測量儀、磁電阻測量儀、傅里葉變換紅外光譜儀、振動臺、拉曼光譜儀等；自制真空變溫電特性綜合測量實驗儀、薄膜應(yīng)力測量裝置等；搭建了4個通用、開放的實驗教學(xué)設(shè)備平臺：薄膜樣品制備平臺、薄膜物性測量平臺、表面形貌表征平臺、軟物質(zhì)（顆粒物質(zhì)）實驗平臺.這些開放的通用實驗教學(xué)設(shè)備平臺為基于課題型的現(xiàn)代物理實驗課程研究型項目的開出提供了有力的設(shè)備保障.

2 以學(xué)科建設(shè)和發(fā)展為基礎(chǔ)，設(shè)置課程內(nèi)容

研究型實驗課題的恰當(dāng)選擇是達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵.課題內(nèi)容要具有一定的前沿性、綜合性、開放性、復(fù)雜性.前沿性：課題內(nèi)容均是目前相關(guān)學(xué)科研究的熱點，學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)和自己的思考可以嘗試進(jìn)一步深入到科研的最前沿.綜合性：課題內(nèi)容涉及多方面的物理知識，學(xué)生要對物理概念、物理因素進(jìn)行學(xué)習(xí)、思考、選擇、比較.開放性：學(xué)生需要自己尋找關(guān)注點，搭建實驗系統(tǒng)，嘗試多種實驗設(shè)備、技術(shù)、方案等.復(fù)雜性：實驗過程中影響因素較多，學(xué)生必須對實驗結(jié)果進(jìn)行深入分析和探討.此外，制定課題的研究目標(biāo)和內(nèi)容時還需要考慮本科生的知識水平和實驗技能基礎(chǔ)，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)生難以上手.我們從幾個途徑來提出研究型實驗課題：（1）以本系學(xué)科方向為依托，既可以充分利用教師的科研優(yōu)勢，為課題型實驗提供新的選題（選題源泉），也有利于學(xué)生未來畢業(yè)論文和研究生工作；（2）對當(dāng)前科學(xué)研究與技術(shù)發(fā)展的前沿課題進(jìn)行調(diào)研，找出科研前沿與課程實驗內(nèi)容的結(jié)合點，提煉出反映學(xué)科發(fā)展和熱點的研究型課題；（3）實驗教學(xué)內(nèi)容與科研、工程、社會應(yīng)用實踐緊密聯(lián)系起來，形成良性互動；（4）課題內(nèi)容也可以由學(xué)生根據(jù)自己的興趣閱讀文獻(xiàn)資料與指導(dǎo)老師討論后確定.

我們以所建立的通用實驗裝置和測試方法為實驗平臺，提煉出一批課題型實驗項目.每一個課題型實驗都可以讓學(xué)生經(jīng)歷一個從文獻(xiàn)閱讀、具體研究問題的提出、研究方案設(shè)計、實驗、分析討論與總結(jié)的完整的研究過程，并在這個過程中掌握相關(guān)的儀器設(shè)備與測試方法的原理與使用，從而以課題型實驗項目將整個課程內(nèi)容串通起來，將學(xué)生的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹剿鲗W(xué)習(xí).由于實驗平臺的開放性和通用性，也允許同學(xué)自行提出和展開更多課題型實驗項目.例如，從長期研究的科研課題中提煉了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，單斜相氧化鉺薄膜紅外特性的研究，硼元素在晶界的非平衡偏聚的研究等課題型實驗項目.在實驗項目開出之前，我們對每個實驗項目都進(jìn)行了深入研究和實踐，確保課題的研究內(nèi)容難度恰當(dāng)，既給學(xué)生留下大的發(fā)揮空間又不至于難以上手.同時，這些選題也是物理、材料研究領(lǐng)域頗受人們關(guān)注的熱點問題，實驗教學(xué)內(nèi)容與科研、工程、社會應(yīng)用實踐聯(lián)系比較緊密，實驗中所涉及的內(nèi)容、實驗方法、測量儀器的原理與使用、實驗測量數(shù)據(jù)的分析以及相關(guān)技能等與學(xué)生未來的工作和就業(yè)適當(dāng)接軌，有助于學(xué)生將來在企業(yè)以及科學(xué)研究單位從事研究開發(fā)工作.

3 精心策劃教學(xué)組織過程，把學(xué)習(xí)過程變成學(xué)生主動探索與研究過程

在實驗教學(xué)過程中，引入了“文獻(xiàn)觀點－相關(guān)條件－現(xiàn)實條件－新的觀點”的行動路線圖，每個實驗項目為學(xué)生提供如表1所示的項目任務(wù)書.學(xué)生需要根據(jù)項目任務(wù)書的要求查閱文獻(xiàn)，提出具體研究方案，完成實驗內(nèi)容，分析總結(jié)以及進(jìn)行成果展示等.這樣的教學(xué)過程注重培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)查閱、分析歸納總結(jié)能力、提出和分析問題的能力、成果展示能力，促進(jìn)學(xué)生形成批判性、創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)習(xí)慣，還有助于潛移默化地進(jìn)行人格培養(yǎng)，包括求真務(wù)實的態(tài)度、堅韌不拔的毅力等.

這樣的教學(xué)模式使教學(xué)活動始終以學(xué)生為主體來進(jìn)行，使學(xué)生由知識的被灌輸者成為知識的主動建構(gòu)者，讓學(xué)生經(jīng)歷了一個課題研究的全過程，包括選題、實驗條件準(zhǔn)備、實驗研究實施、數(shù)據(jù)處理分析、總結(jié)、撰寫研究報告、答辯等環(huán)節(jié).學(xué)生在一個較長時間段內(nèi)處于科學(xué)研究氛圍當(dāng)中，在他們滿懷興趣的探索過程中，學(xué)習(xí)了相關(guān)理論知識與科學(xué)研究方法，掌握了相關(guān)儀器設(shè)備與測試方法的原理與使用，經(jīng)歷了科學(xué)研究訓(xùn)練，培養(yǎng)了科學(xué)研究意識與思維，具備了基本的科學(xué)研究實驗?zāi)芰?

表1 課題型實驗教學(xué)具體案例

課題型實驗項目以小組團隊協(xié)作方式進(jìn)行，每組3人左右，充分發(fā)揮學(xué)生的自我組織、管理能力.課題由組長負(fù)責(zé)研究過程的組織與實施，小組定期與教師研討，明確各階段課題所要掌握的理論知識和課題所要完成的具體研究內(nèi)容與要求，組員分工協(xié)作，發(fā)揮每一個人在小組中的特長，既獨立完成各自的任務(wù)，又要共同協(xié)調(diào)相關(guān)問題，以此培養(yǎng)他們的獨立性與責(zé)任心、交流與合作能力.

實驗室全天開放，給學(xué)生提供需要的科學(xué)實驗環(huán)境，課題小組利用實驗室通用、開放的實驗設(shè)備平臺搭建實驗系統(tǒng)，完成樣品制備、數(shù)據(jù)測量與分析工作.在條件允許的情況下，也可以調(diào)配、補充配件，讓學(xué)生搭建他們需要的實驗條件.

教師每周與學(xué)生開研討會，檢查課題進(jìn)展，進(jìn)行綜合講評，指導(dǎo)學(xué)生解決實驗中遇到的問題；各課題小組也要作交流報告，討論解決實驗中遇到的難點問題，最后完成研究報告和答辯.

4 全過程綜合評價體系

對于基于課題型的研究型實驗教學(xué)模式，我們建立了全過程綜合評價辦法.從學(xué)生選擇課題難易、文獻(xiàn)總結(jié)、實驗方案、儀器搭建、實驗操作、數(shù)據(jù)處理分析、報告論文、答辯等各個環(huán)節(jié)進(jìn)行全過程評價，給定每組的實驗成績.進(jìn)行全過程評價時有3個強調(diào)：（1）強調(diào)能力，主要考核學(xué)生提出問題、分析解決問題的能力，團隊協(xié)作能力，成果展示能力等；（2）強調(diào)創(chuàng)新，考查學(xué)生在課題型實驗中表現(xiàn)出來的創(chuàng)造性意識和思維；（3）強調(diào)新思路、新觀點、新方法.

每個協(xié)作小組內(nèi)，采取自評和互評相結(jié)合的方式，每位學(xué)生對自己和小組其他成員對課題貢獻(xiàn)的大小進(jìn)行排序.

最后，指導(dǎo)教師綜合每個課題組的成績、每個學(xué)生排序情況、平常表現(xiàn)等確定學(xué)生個人成績.

5 教學(xué)實踐效果

基于課題型的研究型實驗教學(xué)已經(jīng)在我校三年級學(xué)生“現(xiàn)代物理實驗”課程教學(xué)中實施多年，每年大約有16～45名本科生參加.教學(xué)實踐結(jié)果表明，這種教學(xué)模式有助于學(xué)生創(chuàng)新思維的形成，有利于提高學(xué)生的實驗設(shè)計、實驗操作、數(shù)據(jù)處理、分析解決問題的能力，尤其是能夠促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和科學(xué)研究意識、社會能力的培養(yǎng).

自2011年以來由本課程研究型實驗進(jìn)一步發(fā)展而獲得的研究結(jié)果在學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文7篇.2011年、2012年學(xué)習(xí)“現(xiàn)代物理實驗”課程的部分同學(xué)，在申請出國、保研以及參加北京大學(xué)夏令營、中科院研究生院暑假學(xué)校時，介紹了他們在基于課題型的研究型實驗中所做的工作和收獲，他們的實驗?zāi)芰涂茖W(xué)素養(yǎng)得到相關(guān)老師的認(rèn)可，有9名同學(xué)獲得北京大學(xué)研究生免試資格，6名同學(xué)獲得中國科學(xué)院研究生免試資格，8名同學(xué)獲得北京師范大學(xué)等重點高校研究生免試資格，1名同學(xué)被美國芝加哥大學(xué)物理系錄取.

實施基于課題型的研究型實驗教學(xué)，不僅要求教師必須從事科學(xué)研究，還需要得到實驗室技術(shù)人員的大力配合與奉獻(xiàn)，滿足學(xué)生在課程計劃學(xué)時之外的時間進(jìn)行實驗的要求.此外，這種教學(xué)模式比傳統(tǒng)教學(xué)模式更具挑戰(zhàn)性，除了課內(nèi)計劃學(xué)時外，學(xué)生還需要較多課外時間閱讀文獻(xiàn)，制定研究方案，做實驗，分析處理數(shù)據(jù)，撰寫研究報告等，有進(jìn)一步深造愿望、成績優(yōu)秀的學(xué)生多愿意選擇這種教學(xué)模式.

6 結(jié)語

（1）課題型的實驗教學(xué)模式是一種可以在高年級學(xué)生實驗課程中采用的研究型教學(xué)模式.

（2）課題型的實驗教學(xué)有效促進(jìn)了學(xué)生的自主性、創(chuàng)造性學(xué)習(xí)活動.

（3）課題型的實驗教學(xué)強化了學(xué)生科研思維能力、團隊協(xié)作能力、成果展示能力的培養(yǎng).

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