物理類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

余江應(yīng)， 李義寶， 黃 凱

(安徽建筑大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，安徽 合肥230601)

0 引 言

創(chuàng)新實(shí)踐活動是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有效途徑，開展大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動已經(jīng)成為高校人才培養(yǎng)的一項(xiàng)重要內(nèi)容［1］。近年來，對大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)已引起教育界的高度重視，如國家級、省級大學(xué)生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目的實(shí)施［2-3］，各高校大批大學(xué)生創(chuàng)新基地、大學(xué)生創(chuàng)新活動中心的建立等［4］。而“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”是學(xué)生科技創(chuàng)新的主要途徑之一，它不僅是對理論課程的驗(yàn)證、補(bǔ)充和拓展，而且在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、動手能力和解決實(shí)際問題能力等諸多方面發(fā)揮著重要的作用［5-6］。

物理學(xué)是一門古老而又富有時代氣息的學(xué)科，其學(xué)科專業(yè)發(fā)展枝繁葉茂。物理類專業(yè)在各大理工科高校幾乎都有開設(shè);物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)對物理類專業(yè)的人才培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用［7］。因此，為實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，有必要針對物理類專業(yè)的特點(diǎn)，對當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行改革創(chuàng)新。

1 物理類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系現(xiàn)狀分析

為適應(yīng)社會對應(yīng)用型創(chuàng)新人才需求，大部分工科院校的物理類專業(yè)均構(gòu)建了以實(shí)訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、設(shè)計(jì)為核心的專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系，并在實(shí)習(xí)基地建設(shè)、畢業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)劃等實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了卓有成效的創(chuàng)新［8］。其中“實(shí)驗(yàn)”環(huán)節(jié)的改革，以“開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)”最為常見［9-10］;但許多高校因受實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、實(shí)驗(yàn)資源、學(xué)生人數(shù)、師資力量等因素的影響，在實(shí)際實(shí)施過程中仍難以擺脫傳統(tǒng)的教學(xué)模式，集中表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)實(shí)驗(yàn)課程體系不完善，難以適應(yīng)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。工科院校的物理類專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系大多局限于普通物理實(shí)驗(yàn)—近代物理實(shí)驗(yàn)—課程實(shí)驗(yàn)［11］。其中基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)偏多;近代物理實(shí)驗(yàn)中涉及現(xiàn)代物理在工程技術(shù)方面應(yīng)用實(shí)驗(yàn)較少;課程實(shí)驗(yàn)方面對綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)大多停留在理論課程的延續(xù)，不能與近代物理實(shí)驗(yàn)課程融為一體，無法對學(xué)生一個系統(tǒng)的訓(xùn)練。特別是一些地方工科院校的開放式創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、小型科研型實(shí)驗(yàn)幾乎是空白，這些都難以適應(yīng)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。

(2)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置不科學(xué)，難以體現(xiàn)專業(yè)的最新發(fā)展。隨著社會的發(fā)展，對物理類應(yīng)用人才的需求也在發(fā)生變化。調(diào)研表明，一些工科院校的物理類專業(yè)方向的定位，大多經(jīng)歷了一個很長時間的反復(fù)調(diào)整期，由此也給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來許許多多的問題。突出表現(xiàn)在新老專業(yè)所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間不能很好銜接，缺乏連續(xù)性和層次性;同時，因新設(shè)專業(yè)方向在師資、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等方面的資源緊缺，可能會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系落后理論課程體系的建設(shè)，甚至很多涉及專業(yè)方向的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無法運(yùn)行，這些都嚴(yán)重制約了學(xué)科專業(yè)的發(fā)展。

(3)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法滯后，阻礙了學(xué)生的創(chuàng)新積極性。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常采用填灌式、驗(yàn)證式的傳統(tǒng)教學(xué)方法:教師講授—演示實(shí)驗(yàn)—學(xué)生實(shí)驗(yàn)，最后學(xué)生再按照教師要求的固定形式撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種只注重套路的教學(xué)方法，使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中僅僅是個被動參與者，很多學(xué)生上課時只是照搬別人的實(shí)驗(yàn)做法，不知其所以然，學(xué)生的動手實(shí)踐能力沒能得到應(yīng)有的訓(xùn)練，嚴(yán)重阻礙了學(xué)生的創(chuàng)新積極性［12］。

2 探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)

2.1 分區(qū)、分層次構(gòu)建實(shí)驗(yàn)課程體系，滿足創(chuàng)新型人才培養(yǎng)要求

打破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程體系，根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)重新整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，并遵循由淺入深、由效仿到學(xué)生獨(dú)立創(chuàng)新的順序，逐步推進(jìn)，分區(qū)、分層次構(gòu)建實(shí)驗(yàn)課程體系。

(1)完善專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。通過全面論證普通物理實(shí)驗(yàn)與后續(xù)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系，科學(xué)、合理設(shè)置基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，形成能體現(xiàn)專業(yè)方向課程要求、能鍛煉基本實(shí)驗(yàn)技能的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。

(2)專業(yè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)化［13］。將近代物理實(shí)驗(yàn)、專業(yè)特色實(shí)驗(yàn)、課程實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃、總體協(xié)調(diào)，形成一門系統(tǒng)化、模塊化的物理類專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程。以應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)(光電器件方向)為例，整個專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程圍繞一條主線，從器件材料的制備、結(jié)構(gòu)表征、性能測試到光電器件制作，構(gòu)成一個系統(tǒng)化的實(shí)驗(yàn)課程。同時，按系統(tǒng)化思路，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容模塊化，建設(shè)一系列各有偏重的實(shí)驗(yàn)課程模塊，并保持系統(tǒng)內(nèi)的各個實(shí)驗(yàn)?zāi)K相互融合。

(3)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目化。結(jié)合專業(yè)實(shí)驗(yàn)條件，采用項(xiàng)目驅(qū)動的形式，科學(xué)設(shè)置綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課程。創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)以科研項(xiàng)目和大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目為依托，糅合與項(xiàng)目內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)和課程實(shí)驗(yàn)組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

2.2 寓教于研—項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)模式的探索

教學(xué)模式的選擇是實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系設(shè)計(jì)中的一個重點(diǎn)，其創(chuàng)新必須與實(shí)驗(yàn)課程體系的改革同步和相互支撐［14］。

(1)項(xiàng)目驅(qū)動的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。由傳統(tǒng)的教學(xué)方法(教師講授—演示實(shí)驗(yàn)—學(xué)生實(shí)驗(yàn))轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌慕虒W(xué)形式(實(shí)驗(yàn)課題的擬定—文獻(xiàn)資料的查閱—預(yù)答辯—儀器操作指導(dǎo)—開放式實(shí)驗(yàn)—成果答辯)。教學(xué)以科研項(xiàng)目和大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目為依托，以學(xué)生為主體開展開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以研究成果的形式展示課程成績。比如學(xué)生在從事課題實(shí)驗(yàn)過程中，通過對樣品材料的熱學(xué)、光學(xué)性能的測試，可以將原來各自獨(dú)立的熱脹系數(shù)、光導(dǎo)、磁光、熱輻射、拉曼光譜等實(shí)驗(yàn)課程有機(jī)融合在一起，在獲取課題成果的同時，既能很好地完成教學(xué)計(jì)劃內(nèi)的實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)任務(wù)，又能培養(yǎng)和提高自身的科研創(chuàng)新能力。

(2)實(shí)驗(yàn)教學(xué)導(dǎo)師制。教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程相關(guān)內(nèi)容，結(jié)合科研項(xiàng)目擬定實(shí)驗(yàn)課題，將教學(xué)計(jì)劃內(nèi)的實(shí)驗(yàn)課程融于課題研究，做到教以致用，以用導(dǎo)教;學(xué)生自主選擇導(dǎo)師，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，可以自行設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、參與科研型開放實(shí)驗(yàn)或自選課題實(shí)驗(yàn)等，逐步建立起實(shí)驗(yàn)教學(xué)的導(dǎo)師負(fù)責(zé)制。

2.3 保障體系和評價體系的完善

(1)教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)講義的編制。依據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，修改和完善現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，適當(dāng)增大綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的比重，體現(xiàn)創(chuàng)新性應(yīng)用人才的教學(xué)特點(diǎn)。根據(jù)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，科學(xué)編寫實(shí)驗(yàn)講義，尤其是增設(shè)一些與專業(yè)特色相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目講義的編寫，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)范化。

(2)實(shí)驗(yàn)室管理制度的完善。建立實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站，針對設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教師可以在網(wǎng)站提交實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱和規(guī)定選題人數(shù)，學(xué)生可以申請選題;實(shí)驗(yàn)場所和實(shí)驗(yàn)儀器在正常的教學(xué)計(jì)劃時間外，實(shí)行開放運(yùn)行，采取用前預(yù)約，用后登記［15-16］。

(3)實(shí)驗(yàn)考核方式的改革。改變一次教學(xué)實(shí)驗(yàn)一個成績的傳統(tǒng)考核，采用多元化考核方式，通過文獻(xiàn)查閱、論證答辯、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、綜合操作、數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)成果答辯幾個部分來全面評測學(xué)生的實(shí)踐操作能力和分析應(yīng)用能力。

3 實(shí)例探析

3.1 實(shí)驗(yàn)課程體系設(shè)計(jì)

專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方面，對原有的力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了部分刪減，弱化了原子物理實(shí)驗(yàn)，增加了部分聲、光、熱檢測方面的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。

針對專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行系統(tǒng)化和模塊化設(shè)計(jì)，將近代物理實(shí)驗(yàn)、專業(yè)特色實(shí)驗(yàn)、課程實(shí)驗(yàn)統(tǒng)籌安排，重新整合、優(yōu)化。以節(jié)能材料物理性能表征和建筑節(jié)能檢測為主線，按實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性劃分模塊，如材料制備、結(jié)構(gòu)形貌表征、光學(xué)性能檢測、熱學(xué)性能檢測、電磁性能檢測等模塊。論證審定各個模塊包含的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并將專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中“實(shí)驗(yàn)”課程的學(xué)分細(xì)化到每個模塊。

依據(jù)專業(yè)應(yīng)用方向設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課題，如“半導(dǎo)體氧化物光/氣/熱敏傳感器的研制”，課題涵蓋了幾乎所有的實(shí)驗(yàn)?zāi)K內(nèi)容，并將近代物理實(shí)驗(yàn)課程，以及半導(dǎo)體物理，納米材料與技術(shù)、傳熱學(xué)、光電檢測技術(shù)、傳感器原理等理論課的課程實(shí)驗(yàn)融合在一起。同時，為避免實(shí)驗(yàn)課題過于寬泛和繁雜，確保實(shí)驗(yàn)的可行性和科學(xué)性，我們在此大實(shí)驗(yàn)課題下細(xì)化出系列實(shí)驗(yàn)子課題;比如研究不同半導(dǎo)體材料ZnO、TiO2、SnO2等，測試不同的物理性能如光、電、熱性能，以及制作光敏、氣敏、熱敏等不同類型傳感器件。課題在充分融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃內(nèi)容(如X 射線衍射、光導(dǎo)、熱電效應(yīng)、聲光效應(yīng)、以及數(shù)據(jù)處理軟件的應(yīng)用等)的基礎(chǔ)上，形成了基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科技創(chuàng)新、畢業(yè)設(shè)計(jì)為一體的實(shí)驗(yàn)課程體系。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新

教師通過物理實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)站擬題并規(guī)定選題人數(shù)，不設(shè)純理論模擬計(jì)算課題，且擬定的課題中需詳細(xì)注明課題內(nèi)容所涉及的實(shí)驗(yàn)?zāi)K。實(shí)驗(yàn)課題經(jīng)過系部和實(shí)驗(yàn)中心的審核后，學(xué)生通過網(wǎng)站注冊選題，采取導(dǎo)師負(fù)責(zé)制，一個課題可設(shè)多個導(dǎo)師。課程的考核采取多元化的考核方式，導(dǎo)師依據(jù)學(xué)生的文獻(xiàn)閱讀、方案設(shè)計(jì)、操作過程、數(shù)據(jù)處理以及成果答辯等對學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績做出綜合評價，最后給出總的實(shí)驗(yàn)成績計(jì)算學(xué)分。

考慮到逐年增加的學(xué)生數(shù)量、相對緊缺的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、以及導(dǎo)師制對實(shí)驗(yàn)教師科研能力、時間、精力的高要求，實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革創(chuàng)新采取漸進(jìn)式推進(jìn):從最初選取20%學(xué)生到現(xiàn)在的60%，歷經(jīng)四年多的試點(diǎn)和實(shí)踐，寓教于研的教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生動手實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力方面逐步顯示出其優(yōu)越性。

4 結(jié) 語

通過對當(dāng)前高校物理類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析，基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)，從系統(tǒng)化、模塊化的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)、寓教于研的導(dǎo)師制教學(xué)模式以及多元化評價方式等方面對物理類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行改革和創(chuàng)新，并以安徽建筑大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革為例，給出了寓教于研——基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的具體形式。實(shí)踐表明，這種新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的實(shí)施，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和提高學(xué)生的自主探究能力，并對他們起到重要的導(dǎo)向作用。同時，新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的探索也為高校其他相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了有益借鑒。

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