材料物理專業綜合性實驗教學方案的構建和實踐

程學瑞 王永強

摘要：通過對材料物理專業實驗教學的現狀分析，就教學模式、教學內容、考核方式提出了綜合性實驗教學方案。實踐證明材料物理專業綜合性實驗的開設，充分調動了學生的積極性和主動性，強化了學生實驗技能的設計性和綜合性訓練，從而加強了學生的實踐能力和創新意識，提高學生的綜合素質。

關鍵詞：專業綜合性實驗；創新型人才；實踐能力；綜合素質

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）09-0244-02

一、引言

材料物理一門物理學與材料學交叉學科，以理論物理、凝聚態物理和固體化學等為理論基礎，利用物理和化學的研究方法和表征技術，研究材料結構與材性能之間的關系，并運用這些規律改進材料性能，研制新型材料。該專業不僅要求學生掌握物理學和材料科學基礎理論，還要求學生熟悉現代分析技術和研究手段。因而，實驗教學是材料物理專業教學體系中的一個重要環節。通過實驗教學，學生不僅要掌握基本的實驗技能，更重要的是能夠獨立操作和設計實驗，具備獨立分析問題和解決實際問題的能力。因而，如何完善材料物理實驗教學體系，提高學生的綜合實驗能力、創新能力和科研素養，是當前面臨的一個重要問題。

二、實驗教學現狀分析

材料物理專業學生實驗分為基礎實驗和專業實驗兩部分，基礎實驗即大學物理實驗，開設時間為二、三學期，通過實驗現象的觀測，掌握基本知識、基本方法和基本技能，加深對物理原理的理解。專業實驗的開設時間為四、五學期，輔以相關的理論課程，使學生掌握材料的常用制備技術、相關儀器的原理和使用方法。然而，基礎實驗和專業實驗只是所學知識的重復、驗證和再現，目的旨在加深學生對已學知識的理解，但是仍然存在一些問題。

首先，教學模式為傳統的教師授課模式，仍然以教師作為主體的傳統的接受性學習的學習方式。授課方式通常以班級授課為主，一兩個老師負責全體學生，工作量大，不能夠深入每個實驗的每個細節。實驗內容上，不論是基礎實驗還是專業實驗，都是驗證性實驗為主，各個實驗相對獨立，缺乏連貫性，學生只用按照教師和教材的要求，按部就班，即可完成實驗，存在重理論輕能力培養的問題。而且，實驗內容陳舊，與工程實際脫節。考核上，仍然以提交書面實驗報告為考核形式，考核重點仍在實驗原理的理解、儀器操作是否得當、數據處理的正誤。該考核方式太過于形式化，并沒有全面地考核到學生的綜合能力。

因此，現有的實驗教學體系側重于培養學生實驗操作和數據處理等基本的實驗技能，缺乏設計性、綜合性和研究性。學生缺少對實驗過程和實驗結果的思考和分析，難以激發學生獨立思考的興趣和激情，對學生創新能力和綜合能力的提高是有限的。

三、綜合性實驗教學方案的構建

針對當前實驗教學中存在的不足，我們專業結合自己的實際情況和科研平臺，在已有的基礎實驗和專業實驗的基礎上，嘗試在第六學期和暑假開展了綜合性物理實驗。綜合性實驗旨在將實際問題、教師的科研內容和現代分析技術融入實驗教學內容，突出基礎技能與實際問題相結合，充分調動學生的積極性和主動性，強化學生實驗技能的綜合性訓練，加強學生的實踐能力和創新意識，提高學生的綜合素質。

教學模式：與以往實驗模式不同，綜合性實驗以學生為主體，采用教師引導下的學生自主實踐探索為主的教學模式。教師將自己的熟悉領域和科研內容引入到實驗教學當中，設計不同的題目供學生選擇。學生自行選擇課題，主動地查詢相關文獻并制定實驗方案。指導教師采取啟發式、提問式和研討式教學方法，指出實驗方案中的不足，啟發學生自行思考和改正實驗方案。實驗過程中學生獨立操作、獨立分析，盡量給學生自行實踐和自由發揮的機會，在實踐中提高自己的綜合素質和創新意識。

教學內容：綜合性實驗是在基礎實驗和驗證性實驗的基礎上，由老師提出問題，學生獨立設計實驗方案，實驗過程由學生自行操作完成的一種實驗教學模式，是一種介于傳統教學實驗與實際科學實驗之間，具有對科學實驗全過程進行初步訓練的教學實驗。學生首先根據自己的興趣愛好和實驗基礎，自行組成研究小組，以小組為單位挑選實驗課題和指導老師。例如，實驗項目“石墨烯的合成及結構表征”，學生根據該實驗的內容和任務書的要求，自己通過圖書館、資料室或者網絡等途徑查閱文獻資料。石墨烯是熱點材料之一，其合成方法有很多種，包括機械剝離法、氧化還原法、液相剝離膨脹石墨法、氣相沉積法、液相剝離膨脹石墨法、有機合成法等。石墨烯的表征也有很多種，包括光學顯微鏡、拉曼光譜、原子力顯微鏡、透射電鏡等。根據我們的科研平臺和課時要求，學生可以選擇前四種合成方法之一，并制定出本次實驗的詳細實驗方案報告，包括實驗步驟、實驗儀器、原料、測試項目等。

指導教師對學生遞交的實驗方案報告進行審查，重點審查其實驗方案的可行性和正確性，指導學生對方案進行分析討論和完善、最終制定出一份切實可行的、合理的實驗方案。依此實驗方案為指導，學生進入開放實驗室，指導教師首先對學生進行必要的培訓，包括安全培訓、儀器操作演示等，同時對學生進行相關內容的考核。考核通過之后，學生方可自行進入開放實驗室，實施該實驗方案和操作。實驗過程及結果整理，包括處理實驗數據、實驗結果分析與討論、撰寫和提交實驗報告，均由學生自主完成，實驗小組提交實驗報告。

在整個系列實驗過程中，充分體現學生在教學活動中的主體地位，教師則起到輔助和指導的作用。例如，通過“石墨烯”實驗項目，學生不僅能夠了解制備技術，而且切身感受創新思維在的重要性。學生自己動手合成超導材料并表現出磁懸浮特性，學生會有一種成就感，激發學生的學習主動性。“LED用熒光粉”實驗項目，在鍛煉學生動手能力的同時，也對生活實際問題有了更清楚的認識。因此，綜合性實驗項目的實施，能夠激發學生學習的興趣和激情，提高學生的綜合素質。

考核方式：綜合性實驗旨在培養學生的綜合實驗能力和創新能力，與驗證性實驗不同，綜合實驗的實驗結果因實驗題目和實驗方案不同而有所差異，因而沒有統一的評判標準。因此在評價標準和考核內容上主要側重對學生綜合實驗能力和科學素養的評價，考核內容更多關注實驗過程中的參與情況、操作技能的提高、設計和研究能力、實驗結果處理與分析的能力等。綜合實驗報告，要求學生以科技論文的形式完成，內容包括文獻概述、實驗過程、性能測試、分析與討論、結論、實驗心得和建議等。實驗報告的撰寫過程能夠充分激發學生的思考，提高學生獨立分析問題的能力。在實驗報告的基礎上，以實驗小組進行答辯和討論，對實驗過程和思路進行系統地整理，重點分析實驗當中存在的問題、分析其原因和可能的解決方案。同時老師再給以點評，以擴大學生的知識面，并對實驗情況和實驗結果進行總結，對學生存在的不足給及糾正和指導。

四、綜合性實驗教學的實踐

三年的綜合性實驗教學的實踐，綜合性實驗教學在學生、老師中得到了積極的評價。材料物理專業學生對綜合性實驗表現出濃厚的興趣，充分調動了學生的積極性和主動性。實驗過程中，學生樂意投入時間和精力對自己的選題進行試驗探索，個人的實踐能力和綜合素質得到了鍛煉，同時與老師的交流研討中，培養了自己的創新思維和科研能力，同時開闊了自己的視野，為接下來的畢業設計和研究生階段的學習打下了堅實基礎。學生在實驗過程中也為實驗室建設和指導老師提供了新想法和新思路，進而豐富了實驗項目和實驗方法。個別學生的實驗樣品和實驗結果達到了很要的效果，在指導老師的進一步指導下，撰寫發表了學術論文。通過綜合實驗的開設，鞏固了學生的基本實驗技能，學生的論文撰寫能力和組織能力得到顯著提升，加強了學生的實踐能力和創新意識，提高學生的綜合素質，為學生的考研和就業打好了基礎。

我院開設材料物理專業綜合實驗3年來，共有6專業教師和90余名同學參與，開設實驗項目36個。參與實驗的同學在畢業設計中有15名獲得優秀畢業論文，獲獎比例明顯高于未參與實驗同學。另外，綜合實驗的開設，增加了學生的科研熱情，學生考研比例有所增加，研究生錄取率均在30%以上，位居我校各專業考研率首位。另外，學生發表論文5篇，其中核心期刊1篇。由此可見，綜合性實驗的開設有益于培養知識型、創新型、復合型人才，完全適合現代社會會高校教育的要求。

五、結束語

如何提高實驗教學質量，增強學生的綜合能力和創新意思，需要不斷的探索和完善教學方法和教學模式。綜合性實驗教學是一種新的實驗教學方式，在實施過程中難免會遇到暫時的困難，實驗條件有限，有些實驗項目需要借助其他院系的資源，實驗項目數目和實驗內容還需要進一步增加和完善。因此，還需要總結實驗教學中的經驗和教訓，進一步改進和完善綜合實驗教學體系，充分發揮綜合性實驗教學的優勢，達到提高實驗教學質量和學生綜合素質的目的。

參考文獻：

[1]吳建軍.物理實驗教學與學生創新思維的培養[J].沈陽師范學院學報，2002，20（2）：158-160.

[2]古愛國.綜合性實驗模式的探討與實踐[J].實驗室研究與探索，2007，26（1）：94-96.

[3]周靜.材料物理、材料化學專業實驗創新研究[J].實驗科學與技術，2006，（3）：48-50.

[4]孫婷，李靜，侯旭鋒，等.綜合性、設計性有機實驗教學探索與實踐[J].化工高等教育，2010，27（1）：49-51，100.

[5]盂慶繁，等.探索性實驗是創新型人才培養的有效途徑[J].實驗室研究與探索，2004，23（1）：85-88.