大學生創新能力培養及大學物理實驗室建設實踐研究

馮 杰 肖桂娜 趙立竹 倪 敏 張 浩

(上海師范大學數理學院物理系 上海 200234)

大學生創新能力培養及大學物理實驗室建設實踐研究

馮 杰 肖桂娜 趙立竹 倪 敏 張 浩

(上海師范大學數理學院物理系 上海 200234)

我國高等教育承擔科技創新人才培養的重任．當前，我國高等學校在培養創新人才的教學過程和環節中，實驗教學硬環境建設存在許多值得研究的方面：大學物理實驗室建設的目標、結構和內容；大學物理實驗室的教學功能、實驗教學評價與考核辦法及其對大學生創新能力培養的影響．

高等教育 大學生創新能力 大學物理實驗室

當前世界科技創新活動發展的趨勢表明：科技創新成為世界規模強大的潮流，可持續發展成為科技創新的基本使命，科技創新戰略是引導國家發展的重要指針．科技創新成果源于創新人才，創新人才的成長要靠教育．在當前我國的大學教育中，實驗教學過程和環節是培養創新人才的基礎性工程．人們對此已經達成共識，即實驗教學軟環境的研究已經達到了較高的水平.比如，對廣義創新能力的界定、狹義創新能力內涵的探討；大學生創新能力培養過程中教師的角色和作用；影響大學生創新能力的心理因素、智力因素以及環境因素；如何評價大學生的創新能力；等等．

本文討論我國高校當前實驗教學硬環境建設問題，即研究大學物理實驗教學過程和環節，實驗室的建設實踐問題及其對大學生創新能力培養的反思．

1 大學物理實驗室建設的目標

我國高等學校大學物理基礎實驗室的總體目標是建設成為充滿教學理念創新、教學手段先進、實驗課程與教材系統完善、實驗設施齊全、實驗儀器設備精良、教學隊伍結構合理、教學內容和項目特色鮮明的現代化開放式實驗教學中心；并以此為基礎，加大創新性實驗的培養力度，有效提高大學的理、工科學生物理實驗能力和創新能力，使之成為大學生創新能力培養的基地和創新人才的孵化器；應當同時推動理工科應用性專業物理實驗課程建設．具體目標有如下幾個方面.

1.1 實施創新能力培養構建分層次教學的實驗教學新體系

根據各專業的培養目標與教學計劃，按分層次、多模塊相互銜接的教學模式組織實施實驗教學．按照“重基礎、突現代、求綜合、達創新”的教學改革原則，將大學物理實驗整合為大學物理基礎實驗、大學物理特色實驗(機電、信息、材料、光學)和大學生創新性實驗三大模塊，構建大學物理實驗課的新體系．秉承淡化專業限制、強化基礎訓練、培養科學素質與創新能力的分層次培養模式，將大學物理基礎實驗室建設成為培養大學生創新實踐能力的基地．

1.2 優化實驗設備配置積極推進新教學方法、現代教學手段改革

大學物理實驗室建設需要致力于大學物理實驗內容與方法密切聯系于學科專業學習、技術應用和創新實踐，優化實驗設備和儀器配置，引入先進的多媒體教學手段，引入電腦仿真實驗操作，用現代教育技術和信息技術手段引領大學物理實驗教學．

1.3 更新、整合實驗內容

大學物理實驗教學內容與方法要密切聯系學科專業特點，增加探究型、綜合型實驗，倡導創新型、設計型實驗，減少程序化的驗證型實驗，淘汰技術陳舊的傳統性實驗．采取在學生實驗后，進行專題討論等多種形式的教學方法，激發大學生學習大學物理的興趣和創新熱情，有效提高大學物理的教學質量．

1.4 積極開展實驗教學研究實行開放式實驗教學模式

需要重視大學物理實驗教學研究，組織一批教學經驗豐富的教師，積極實驗開展教學研究，總結和反映了大學物理基礎實驗中成熟的實驗教學方法，創造性地提出了符合培養學生和實驗室條件的設計性、創新性實驗課題或項目，總結大學生物理實驗創新成果．

對設計型、創新型和研究型實驗，實行開放式實驗教學模式．采取學生自我實踐為主，教師指導為輔的教學方式．鼓勵對物理實驗有興趣的學生，在教師指導下，結合學科專業特點，開展設計性、創新性實踐活動．建立大學生物理實驗學習為基礎的創新基地，為在實踐與創新能力上有進一步發展潛力的學生提供發展空間．

1.5 加強適應實驗創新教學新體系的教學隊伍建設

實驗教師和創新項目指導教師應作為創新能力的指導者和學生的助手，學生實驗構思、設計的主導者和實驗過程的控制者．要求教師尊重學生的創造、發明和革新．實驗創新教學新體系需要營造民主、寬松的創新氛圍，促使學生進行獨立而且具有高質量的新想法、新發現和新行為．為學生創新活動開展起到導引和橋梁性的作用．要求教師以促進和激勵學生創新能力的發展為出發點．

1.6 建立大學創新實驗中心網站

提供校園內、外網絡化自主式學習的途徑．按照省、部級以上精品課程網站要求，網站內涵包括大學物理實驗內容、類型、實驗方法、教學要求和學習評價；大學物理演示實驗項目庫；大學物理實驗教學錄像庫；大學物理仿真、模擬實驗庫；大學物理實驗教學導學庫；以及大學物理創新實驗項目庫．

2 大學物理實驗室的結構

大學物理基礎實驗室具體包括配套于大學文、理、工科大學物理學實驗教學的“大學物理基礎實驗模塊”、“大學物理創新型演示實驗模塊”和“大學生創新實踐基地模塊”，同時建設“大學生物理實驗創新中心網站”．綜合實驗模塊和新型演示實驗模塊是大學物理教與學以及培養學生實驗創新能力的基礎；創新實踐基地模塊是針對不同院、系、專業的特點，建設反映物理學基礎性與學科特色(機電、信息、材料、光學)緊密聯系的創新實驗系列，為大學生物理創新活動開辟實踐基地，具體結構如圖1所示．

圖1 大學物理創新實驗室結構圖

2.1 大學物理課程的基礎實驗

大學物理實驗是配合高校理、工以及文科的《大學物理學》公共基礎課程基本實驗教學的獨立課程，大學物理實驗對專業課程和創新能力培養具有基礎性工程的作用．其具體項目的建設包括大學物理的5個基礎實驗模塊：力學實驗、熱學實驗、電磁學實驗、光學實驗以及近現代物理典型實驗(包括原子物理學實驗)，其內容如圖1所示．

2.2 科技創新功能模塊實驗

根據學生的興趣和大學文科、理工科各專業對大學物理學課程內容的側重點不同，實行開放、動手、探究和科技創新拓展式實驗教學方法，設計與開發4個特色實驗模塊：機電、信息、材料、光學類物理實驗系列，以展示其創新輻射功能為主要呈現方式，突出科技創新和高新技術應用兩大特征．具體項目如下：

(1)機電類原理與新技術成果及應用實驗系列；

(2)材料類原理與新技術成果及應用實驗系列；

(3)微電子技術類原理與新技術成果及應用實驗系列；

(4)光學類原理與新技術成果及應用實驗系列．

2.3 大學生創新實踐基地

以4個特色實驗模塊展示的物理學類高新技術成果為引導，讓學生了解物理學與科技創新的前沿領域，營造良好科技創新氛圍，熏陶和培養學生的科研與創新意識，為在實踐與創新能力上有進一步發展需求的學生提供創新實踐．同時配合大學物理實驗課程的具體目標要求，采取學生自選研究小課題和實驗室提供創新實驗素材并舉的方式，在授課教師指導下，讓學生自行設計實驗方案，自行選擇實驗器材，完成研究內容．以創新型、開放型為主要特色，實現學生實踐能力培養的基地功能；以授課教師或專業學科教師帶領學生開展學生科技創新項目的形式；其教、學和研究形式靈活，不受課時限制，可在不同的學年、或課內或課外完成．具體項目如下：

(1)機器人創新實驗設計、制作和展示；

(2)自動化創新實驗設計、制作和展示；

(3)強、弱電類課題創新實驗設計、制作和展示；

(4)光伏技術類課題創新實驗設計、制作和展示；

(5)光學、光電子和光纖通訊類創新實驗設計、制作和展示；

(6)計算機多媒體類課題創新實驗設計、制作和展示．

這一模塊是完善大學物理實驗室的核心性建設工程，其目的在于有效培養學生的創新意識和創新能力．

2.4 創新型演示實驗模塊

大學物理創新型演示實驗模塊是為大學物理課程的授課教師提供課堂演示的典型創新型小實驗．意義在于促進授課教師豐富和完善大學物理的課堂教學手段，教學相長，與多媒體教學手段優勢互補、相得益彰，同時提高學生的大學物理的學習效果、激發其學習興趣和潛在的創新意識．根據目前大學物理課程發展和改革的實際要求，精選大學物理學課程內典型的基礎實驗項目，其具體項目的設計與開發包括以下3種類型的實驗：

(1)目前教學多媒體教學手段難以展示的演示實驗；

(2)揭示較抽象物理概念和規律而且難以用直觀語言描述的演示實驗；

(3)具有典型的設計技巧性的演示實驗．

這一配合大學物理課堂教學的模塊不僅是促進教師教學相長的配套工程，也是大學物理教學的特色工程，是大學物理實驗教學的必要(組成部分)建設工程．

3 大學物理實驗創新中心網站的功能

實驗室信息化、網絡化建設是當前先進實驗室重要特色和發展趨勢，充分利用個高校網絡化資源優勢，同步建設大學物理實驗教學和實驗室管理信息平臺，對物理實驗課程的實施體系和傳統教學模式進行改革，真正實現大學物理實驗課程輔助教學網站的教學功能．

3.1 發揮信息化網站的輔助教學功能

運用現代化教學手段與方法進行實驗教學，利用網絡化教學管理提高實驗教學效率，而不以現代技術替代學生實驗操作過程與實驗計算能力．

(1)建立創新實驗的網絡資源庫

開發和運用信息化實驗教學手段，完善大學物理實驗基本操作和多媒體實驗教學課件，充分發揮計算機仿真、模擬實驗作用；建立多層次、多模式、拓展與創新型并行、開放與研究型并重的實驗教學網絡資源庫．

(2)建立新型的實驗教與學模式

學生通過網絡選課和選題系統，進行個性化的實驗題目選擇、教學運作和創新活動的安排．同時在選修部分實驗課程和創新選題上實行學生網絡選擇的運作．

具體體現在以下4方面．創新性：自由擇題，內容廣泛，小組合作與個人獨創相結合；開放性：文、工、理科各專業開放；機動性：實驗學時不限定，動手實踐的時間不限定；示范性：配備顧問式指導教師，學生動手設計、制作、展示和評價．

(3)實現網絡化的實驗教學功能

實驗報告的網上遞交和批改、學生實驗成績的測評以及創新成果的評價和展示；利用信息平臺開展實驗預習教學和答疑，學生可利用中心信息平臺查閱實驗預習課的多媒體課件和儀器使用方法，教師也可利用中心的信息平臺與學生進行溝通與網上答疑．

3.2 發揮信息化網站的實驗室管理功能

實驗室在儀器設備的管理上實行數字化系統的運作，即將各類實驗儀器、實驗資料、教學資料、學生資料和科研資料等分門別類地安放在相應的文件夾內，并在電腦中進行電子存檔．實現網上輔助教學和網絡化、智能化管理．

(1)大學物理實驗課程達到精品化；

(2)大學物理實驗教學形式達到優質化、網絡化；

(3)大學物理實驗設備、課程和教學流程管理實現計算機多媒體網絡化、系統化．

3.3 發揮信息化網站的實驗創新功能

充分利用現代信息技術，建立一個內容豐富、資料翔實、互動性強、界面新穎的大學物理實驗教學資源網站，有效提高大學物理實驗的學習效率，真正能夠激發學生的創新意識．

(1)構建有效培養學生創新能力的大學物理實驗課程的現代化教學模式的公共教學平臺．

(2)通過大學物理實驗教學中創新機制(比如設計性實驗、自選研究課題、成果展示和適當獎勵)的落實，培育學生的創新意識，激發的創新熱情和培養創新能力．

4 關于大學物理實驗教學評價與考核辦法

雖然大學物理實驗的考試方法是到目前為止的難題，但是，經過我國高等學校實驗教學人員和相關教育專家的幾十年的不懈探索、研究和實踐，在物理實驗能力、水平的構成要素的設定，物理實驗考試評價體系的有效性問題，以及考試評價的客觀性等方面取得了行之有效的方法，有些方法還獲得了省級以上的教學成果獎．實踐證明，這些舉措對促進我國高等學校實驗教學和大學生實驗創新能力的培養起到了顯著的積極作用．

4.1 大學物理實驗評價與考核內容

(1)基本物理實驗儀器的操作技能和使用方法；

(2)大學物理實驗基本原理和基本步驟的掌握；

(3)大學物理實驗中現象解釋，實驗后處理方法以及基本誤差分析方法，包括實驗數據的處理、作圖等．

(4)對探究型創新實驗，著重考核文獻調研、發現問題、分析問題，以及依據實驗結果，運用所學理論，作出合理解釋的綜合能力．

(5)對設計型創新實驗，著重考核文獻調研、實驗設計、分析問題，以及依據本專業的理論，解決實踐應用問題的綜合能力．

4.2 評價與考核的方法

(1)考試與考核采取平時成績與期末考試成績相結合的辦法．平時成績以實驗操作、實驗能力、實驗結果及實驗報告(論文成果)為主要依據；期末考試由筆試和實驗操作兩部分組成．

(2)成績評定：平時成績占70%，期末考試成績占30%．

(3)對與專業聯系緊密的必做實驗考試，采取理論考試和操作考試兩個部分組成，考試題在由大學物理實驗課程試題庫提供．理論考試閉卷、考試時間統一；操作考試題由學生抽簽試題(試題包括操作和回答問題兩部分)，學生根據試題要求當場完成操作部分并回答有關問題．教師根據學生操作完成情況和問題回答的情況，按評分標準，給出成績．

(4)逐步建立大學物理實驗課程試題庫，考試實行統一命題、閱卷和試卷分析制度．

(5)對設計型、探究型、綜合型的創新物理實驗的考核成績，由指導教師、理論課授課教師和實驗課教師進行綜合評分，同時參照學生全國大學生的“挑戰杯”及各級各類設計競賽和多媒體課件競賽等的成績．

(6)探索有效激發學生創新意識的高校物理實驗教學質量評價體系．每學期期中召開不同專業(來自不同學院)學生座談會，聽取學生的意見和建議，及時調整教學方法，以學生滿意度為衡量實驗教學質量和教師評優的一個重要指標．

5 結束語

第一，對大學物理創新實驗課程實施體系、模式進行改革，建設與我國理工科大學物理實驗教學的分層次與多模式、拓展與創新型有機結合的大學物理實驗室；

第二，實現開放與研究型實訓大學物理教學形式，建設和開放大學物理實驗資源庫，構建大學物理創新實驗課程有效培養學生創新能力的現代化教學模式的公共教學平臺．

第三，通過大學物理創新實驗教學中創新機制，培育我國大學生的創新意識，結合指導教師的工作，將大學生的設計性實驗、自選研究課題以及成果展示和適當獎勵的落實，激發其創新熱情和培養其創新能力．

第四，運用現代化教學手段與方法進行實驗教學，完善大學物理創新實驗教學與管理．充分發揮網絡技術優勢，使大學物理實驗課程達到精品化、優質化和網絡化．

總之，大學物理創新實驗室的建設，是有效培養我國大學生實踐創新能力的必要條件．其建設目標和內容與大學物理實驗課程體系建設、教學功能完善與管理機制健全是相互聯系的有機整體．大學物理創新實驗室建設目標的達成是有效培養實踐創新能力、促進和提高我國大學生專業能力培養的必由之路．

1 國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年).北京：人民教育出版社，2010

2 中華人民共和國教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會，物理學類專業教學指導分委員會.高等學校物理學本科指導性專業規范.北京：高等教育出版社，2011

3 楊述武主編.普通物理實驗(第四版).北京：高等教育出版社，2007

4 呂斯驊.基礎物理實驗.北京：北京大學出版社，2002

5 閻旭東.大學物理實驗.北京：科學出版社，2004

6 沈元華.設計型、研究型物理實驗教程(第一版).上海：復旦大學出版社，2004

7 胡德敬.設計型物理實驗錦集(第一版).上海：上海教育出版社，2002

8 馮杰.大學物理專題研究.北京：北京大學出版社，2011

9 李天發，趙立竹，王珊珊，等.大學物理實驗教學的發展演變.物理通報，2016(7)：93～96

10 馮容士，李鼎.DIS二維實驗系統及實驗Ⅱ.物理教學，2012(2)

PracticeResearchontheCultivationofUniversityStudents′innovationAbilityandtheConstructionofUniversityPhysicsLaboratory

FengJieXiaoGuinaZhaoLizhuNiMinZhangHao

(CollegeofMathematicsandPhysics，ShanghaiNormalUniversity,GuilinRd,Shanghai200234)

The important tasks to cultivate innovation talented person is undertaken by higher education in our country.At present,there are many problems about the teaching hardware circumstances which can be investigated in course of teaching of institute physics experiments in colleges and universities.It should be taken into account the objective,composition and substance of the laboratory;the teaching function of the laboratory.We are also carefully thought out assess,examination of teaching of institute physics experiments.And the very important thing is that effect on the cultivating of the ability to innovate of students in the colleges and universities.

higher education;the ability to innovate of students;institute physics laboratory

2016-07-22)