通過大學(xué)物理實驗開發(fā)大學(xué)生的科研創(chuàng)新思維

摘 要：物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理實驗是自然科學(xué)中最基本、最重要的科學(xué)實驗之一，是學(xué)生大學(xué)期間接受實驗理論、實驗方法、實驗技能的開端，也是順利完成專業(yè)實驗、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)。本文分析了目前農(nóng)科院校大學(xué)物理實驗課存在的問題以及所面臨的發(fā)展瓶頸，探索大學(xué)物理實驗教學(xué)與生物學(xué)科科研相結(jié)合的可能性，更好地培養(yǎng)了學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力、科學(xué)研究的思想，同時提高教師本身的科研水平，為大學(xué)物理實驗教學(xué)的改革提供了一種全新的思路。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實驗教學(xué)；教學(xué)改革；科研創(chuàng)新

一、大學(xué)物理實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析

大學(xué)物理實驗是理工類專業(yè)大學(xué)生入學(xué)接觸的第一門必修實驗課，在培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能及創(chuàng)新能力等方面起著重要的作用。同樣，在全國眾多的高等農(nóng)業(yè)院校的教學(xué)任務(wù)當(dāng)中，大學(xué)物理實驗也是農(nóng)科專業(yè)學(xué)生所必須選修的基礎(chǔ)實驗課程之一。與眾多理工科院校所不同的是農(nóng)科院校開設(shè)的大學(xué)物理實驗課程面向的對象主要為與農(nóng)學(xué)、獸醫(yī)學(xué)、動物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)機械、農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)以及林學(xué)等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生。其教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生實驗操作的基本技能，掌握實驗的基本方法，并培養(yǎng)學(xué)生在實驗中所必須具備的思維能力、動手能力以及科學(xué)創(chuàng)新精神。

由于傳統(tǒng)教學(xué)模式的禁錮以及農(nóng)林院校培養(yǎng)學(xué)生的側(cè)重點與理工科院校存在著較大的差異，使得農(nóng)林院校的大學(xué)物理實驗教學(xué)無法得到足夠的重視而長期處于落后、停滯不前的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。我們曾經(jīng)對全校需要選修大學(xué)物理實驗的本科專業(yè)生做過統(tǒng)計調(diào)查發(fā)現(xiàn)：約50%的學(xué)生認為大學(xué)物理實驗與自己所學(xué)專業(yè)關(guān)系不大，可以不選修大學(xué)物理實驗課程；約45%的學(xué)生認為大學(xué)物理實驗課程值得學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)自身的實驗操作技能，能為以后專業(yè)實驗的開展打下良好的實驗基礎(chǔ)；約5%的學(xué)生對大學(xué)物理實驗課程抱著無所謂的態(tài)度。通過這個調(diào)查可以看出農(nóng)林院校的學(xué)生對大學(xué)物理實驗內(nèi)容與自身專業(yè)的關(guān)系認識不足，缺乏學(xué)習(xí)的興趣。從另一個方面來說，由于大學(xué)物理實驗課程本身為基礎(chǔ)學(xué)科，許多農(nóng)科院校無法在相關(guān)實驗設(shè)施方面提供足夠的支持，許多教師的教學(xué)及科研水平無法得到相應(yīng)的提高，這也極大地削弱了農(nóng)科院校教師從事大學(xué)物理及大學(xué)物理實驗的積極性與主動性。為此，農(nóng)科院校的大學(xué)物理及實驗課程的教學(xué)模式的改革已經(jīng)成為眾多大學(xué)物理實驗教學(xué)改革研究者關(guān)注的重點。近些年來，在相關(guān)的大學(xué)物理實驗教學(xué)改革方面已經(jīng)有一些初步的探索，然而其主要集中在如何開展綜合性實驗、設(shè)計性實驗、研究性實驗以及如何改進實驗方法、技術(shù)等方面，但是對學(xué)生理解各學(xué)科間的關(guān)系、培養(yǎng)學(xué)生科研思維及提高學(xué)生及教師的積極性和主動性方面卻沒有得到足夠的重視。

基于以上現(xiàn)狀，我們構(gòu)建了大學(xué)物理實驗與優(yōu)勢學(xué)科相結(jié)合的教育改革模式，特別是與生物學(xué)科科研創(chuàng)新相結(jié)合的教育改革模式，其目的是整合高校的優(yōu)勢資源，將大學(xué)物理實驗技術(shù)充分應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)檢測等相關(guān)的研究領(lǐng)域，這不僅從根本上改善了學(xué)生對大學(xué)物理實驗課程的認識，而且提高了學(xué)生主動學(xué)習(xí)、思考與創(chuàng)新的熱情。此外，相關(guān)從事大學(xué)物理及實驗教學(xué)的教師也可發(fā)揮自身的專業(yè)特點，在提高教學(xué)水平的基礎(chǔ)上還可充分利用生物學(xué)科的科研平臺來提高自身的科研水平。

二、通過大學(xué)物理實驗開發(fā)大學(xué)生科研創(chuàng)新思維的探索研究

1.基礎(chǔ)性實驗與生物檢測相結(jié)合的創(chuàng)新模式

對于一些傳統(tǒng)的實驗內(nèi)容，我們也改進了相應(yīng)的實驗方案，如利用拉脫法來測量液體的表面張力系數(shù)的實驗，傳統(tǒng)的實驗開展主要是測量自來水的液體表面張力系數(shù)，實驗內(nèi)容單一，學(xué)生在學(xué)習(xí)中感到枯燥，沒有興趣。而我們將其與液態(tài)生物樣品的檢測相結(jié)合，如開展利用液體表面張力來測量牛奶的變質(zhì)情況（實驗結(jié)果如圖1所示）、農(nóng)藥中農(nóng)藥成分及濃度與農(nóng)藥液體表面張力系數(shù)的關(guān)系以及細胞培養(yǎng)液質(zhì)變等。雖然從表面上看只是簡單地將測試的樣品進行調(diào)換，但是在測量過程中所產(chǎn)生的效果會完全不同。我們不僅注重學(xué)生在實驗的理解、操作上的培養(yǎng)，還從根本上鍛煉了學(xué)生分析實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果的能力。如學(xué)生進行完實驗后只要分析實驗結(jié)果誤差，找出誤差產(chǎn)生的原因即可。而對測量生物樣品的液體表面張力則需要通過學(xué)生自己測量得到的實驗數(shù)據(jù)來分析牛奶的變質(zhì)情況、農(nóng)藥成分濃度與農(nóng)藥液體表面張力的關(guān)系以及細胞培養(yǎng)液的變質(zhì)與其液體表面張力系數(shù)的關(guān)系等。這不僅有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新性思維，而且培養(yǎng)了學(xué)生利用大學(xué)物理實驗來解決他們在相關(guān)專業(yè)面臨實際問題的解決能力。

圖1 牛奶在溫度為50℃下加熱不同時間下的熱體表面張力系數(shù)

2.數(shù)值仿真與生物檢測相結(jié)合的創(chuàng)新模式

圖2 不同折射率環(huán)境下金納米棒的歸一化散射強度

微量生物分子的檢測及傳感一直都是生物學(xué)科研究領(lǐng)域的熱點，其中利用的最多的是通過光學(xué)的方法來實現(xiàn)的，然而對于眾多的農(nóng)科專業(yè)的學(xué)生而言，對于利用光學(xué)的方法來檢測微量生物分子的物理原理并不清楚，只是從課本上知道有這種方法可以用來檢測生物分子。其實利用光學(xué)的方法來實現(xiàn)少量生物體檢測的原理是通過測量生物樣品中折射率的變化來表征微量的生物分子，然而對于一般的光學(xué)方法很難表現(xiàn)出這種微量的變化，為此，我們適當(dāng)將最近興起的利用貴金屬納米顆粒的特殊光學(xué)性質(zhì)來實現(xiàn)少量生物分子的檢測引入大學(xué)物理實驗的教學(xué)當(dāng)中，其主要的做法是利用數(shù)值仿真的方式讓學(xué)生去了解其具體的實驗原理。由于貴金屬納米顆粒對其周圍的介質(zhì)環(huán)境非常敏感，周圍環(huán)境中折射率的微量變化將直接通過顆粒的散射譜峰值的移動來進行表征，而這個物理過程可以很方便地利用計算機編程的方式來得以實現(xiàn)。我們將程序包集成化，學(xué)生只需修改具體的參數(shù)（折射率的變化）即可模擬出微量生物分子檢測的整個過程，其模擬曲線如圖2所示。

通過對該實驗的操作與實踐，不僅能夠讓非物理專業(yè)的學(xué)生對利用光學(xué)的方法來實現(xiàn)生物檢測的機制有了一個全新的理解，而且可以通過實驗了解當(dāng)今微量生物分子探測領(lǐng)域的研究熱點，開闊了學(xué)生的視野，為他們以后在相關(guān)專業(yè)的發(fā)展提供了新的思路。更重要的是，由于結(jié)合了學(xué)科最新領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)，學(xué)生從事大學(xué)物理實驗熱情以及在實驗操作中表現(xiàn)出來的創(chuàng)新性思維也得到了明顯的提高。

3.創(chuàng)新性實驗與生物技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新模式

圖3 a為普通顯微鏡拍攝的細胞照片，b為利用全息技術(shù)生成的細胞圖片

生物細胞的培養(yǎng)是農(nóng)科院校學(xué)生必修的一門實驗操作技能，然而對于正常細胞的培養(yǎng)，學(xué)生可以通過普通的顯微鏡即可觀察細胞的生長發(fā)育情況；而對于細胞的病變，特別是一些細胞初期的病變及無法在細胞形態(tài)上表達的病變往往通過普通的顯微鏡難以觀察到，因此利用其他有效的方式來實現(xiàn)細胞病變的早期診斷已經(jīng)成為生物學(xué)研究的重點。在這個創(chuàng)新項目當(dāng)中，我們將大學(xué)物理中的光全息成像技術(shù)應(yīng)用到細胞成像領(lǐng)域，該技術(shù)不僅可以實現(xiàn)對細胞的成像，還可以利用病變細胞與正常細胞在折射率上的差別所引起的相位差來識別是正常細胞還是病變細胞。在實驗中，學(xué)生得到的細胞成像如圖3所示：其中a為在普通顯微鏡下觀察到的生物細胞，而b為利用全息技術(shù)實現(xiàn)對細胞的成像。通過對該實驗的學(xué)習(xí)，使得學(xué)生對光全息成像有了更系統(tǒng)的了解，他們從根本上認識到大學(xué)物理實驗課程并不像他們此前所想象的與自身所學(xué)專業(yè)無關(guān)，而是與所學(xué)專業(yè)相輔相成的。此外，我們還可以將此實驗的開展進行進一步的拓展，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力與創(chuàng)造力，將大學(xué)物理實驗應(yīng)用到大學(xué)生的實驗創(chuàng)新當(dāng)中。

三、總結(jié)

針對以往農(nóng)科院校大學(xué)物理實驗課程在教學(xué)上存在的不足之處，我們提出了以大學(xué)物理實驗結(jié)合優(yōu)勢學(xué)科進行科研創(chuàng)新的新型教學(xué)模式。通過初步的探索與實踐，對完成新型實驗項目的學(xué)生進行問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，90%的學(xué)生認為：將大學(xué)物理實驗項目與自身所學(xué)的專業(yè)相結(jié)合不僅提高了實驗技能、操作水平及創(chuàng)新能力，更重要的是通過改革后，學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理實驗的熱情及積極性得到了極大地提高。此外，通過這種教學(xué)改革，廣大從事基礎(chǔ)大學(xué)物理實驗的教師可以很好地將自身的研究項目與農(nóng)科優(yōu)勢學(xué)科相結(jié)合，進行科研合作，提高自身的教學(xué)及科研水平。

參考文獻：

[1]周殿清.普通物理實驗中綜合性、設(shè)計性實驗的開設(shè)[J].物理實驗，2005，25（1）：31-33.

[2]徐利琴，馬穎，劉莜燕，梁鴻東，詹康生，賈蘭偉.大學(xué)物理綜合性實驗教學(xué)效果的調(diào)查與思考[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2011，9（6）：103-106.

[3]王利霞.大學(xué)物理實驗教學(xué)改革與探索[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2009，7（4）：69-72.

[4]金桂，姚敏，蔣純志.工科大學(xué)物理的教學(xué)改革與實踐[J].湖南學(xué)院學(xué)報，2010，31（2）：28-31.

[5]黎明.設(shè)計性實驗教學(xué)的研究與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29（4）：245-247.

[6]張銳波.大學(xué)物理實驗項目的系統(tǒng)設(shè)計[J].大學(xué)物理實驗，2003，16（2）：84-86.

[7]黃劍平，龔銀香，童金強.設(shè)計性實驗教學(xué)的實踐與探索[J].實驗技術(shù)與管理，2009，26（5）：135-136.

注：本課題得到廣東省自然科學(xué)基金博士啟動項目（批準號：S2012040007719）研究的資助。

作者簡介：鄧海東（1976— ），男，江西宜春人，博士，講師，研究方向：納米光子學(xué)。