近代物理實驗開放式實踐育人及創(chuàng)新能力培養(yǎng)*

劉彩霞 徐元英 景 佳 朱志峰 謝莉莎 陳冬穎

(合肥工業(yè)大學電子科學與應用物理學院 安徽 合肥 230009)

1 概述

十九大提出創(chuàng)新是引領發(fā)展的第一動力，我國躋身創(chuàng)新型國家前列的目標激勵全社會積極實施創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略.高校作為教學科研的主陣地，是創(chuàng)新型人才的搖籃，培養(yǎng)理工科院校學生實踐能力是提升創(chuàng)新能力和創(chuàng)造能力的前提和基礎.大學生的實踐能力以科學文化知識為載體，并不是單一的，是由各種相互影響、相輔相成的能力構成的能力體系，是大學生綜合素質的體現(xiàn)[1].實驗教學活動在培養(yǎng)學生實踐能力中處于主角地位，能夠充分發(fā)揮學生的獨立思考和動手能力以及驗證所學的能力，是課堂教學的重要組成部分，是偏理論課堂教學在新的意義上的延伸[2].自黃嘉豫教授首次提出開展“開放實驗”的倡議[3]，我國各類高校都在傳統(tǒng)實驗教學的基礎上開展了開放式實驗教學的探索與實踐[4～6].近代物理實驗室是實現(xiàn)開放式實踐育人與培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的最好實踐基地之一，是提高理工科院校學生實踐能力的主要途徑之一[7].

近代物理實驗是大學物理實驗完成后重要的專業(yè)基礎實驗，是后繼專業(yè)實驗的基礎，具有承前繼后的特殊地位，涉及現(xiàn)代物理的一些主要領域，綜合性較強，反映了現(xiàn)代科技成就，一些新成果和新技術轉化而成的實驗內容和先進的手段具有豐富的內涵，能夠充分體現(xiàn)出高新技術向實驗內容的滲透[8].近代物理實驗教學內容對新技術的快速反應使學生盡早接觸到新信息、新技術，兼顧實驗方法與技能的鍛煉，近代物理實驗開放式育人有利于提高學生的創(chuàng)新能力，但是近代物理實驗的開放實踐育人還存在著不少的問題[9].

近代物理實驗教學存在實驗時間、實驗室、實驗參與學生、實驗教師和實驗管理技術人員的特殊性和復雜性，文章結合合肥工業(yè)大學近代物理實驗教學過程，從時間、空間和參與主體到內容設計、形式和評估評價實現(xiàn)全面開放，讓近代物理實驗在實踐育人中發(fā)揮重要作用，提升理工科學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力.

2 近代物理實驗時間、空間和參與主體的開放

2.1 時間和空間開放

近代物理實驗室時間和空間上開放是最低層次要求，也是近代物理實驗開放式實踐育人的必要條件，運用網(wǎng)絡化、信息化管理手段，滿足排課、選課模式，專題研究小組、創(chuàng)新項目組等各種不同模式教學，實現(xiàn)時間上的開放.

學生根據(jù)個體情況有計劃、合理地選擇實驗項目、實驗課的時間，除掉在規(guī)定的時間內實驗外，還可以利用業(yè)余時間做實驗.我校近代物理實驗室充分利用現(xiàn)有設備和實驗條件，首先固定開放周一到周五的實驗時間供學生選擇，然后安排實驗教師和實驗技術管理人員，保證學生在選到課的其他時間實驗室的開放，提高時間的利用率，實現(xiàn)時間上的開放.

近代物理實驗除了開設的必修課、選修課及學生的興趣小組等，需實現(xiàn)實驗室面對學生實現(xiàn)空間上的開放，某些近代物理實驗需要昂貴的大型現(xiàn)代化設備，從利用效率和投入成本考慮實現(xiàn)共享，通過在學校內部或者同一城市其他高校和科研院所，實現(xiàn)近代物理實驗室空間上的開放.我校的分析測試中心以及一些大型實驗設備，如SEM，XRD等等能夠對學生實現(xiàn)空間上的開放，本市的其他高校和科研院所的一些實驗中心也都在逐步實現(xiàn)收取適當費用的空間上開放.學生實現(xiàn)實驗空間環(huán)境開放，有了寬松的環(huán)境和實驗空間，才能自主學習，才會有創(chuàng)新意識，才會有創(chuàng)新能力、科研能力的發(fā)展.

2.2 學生和教師參與主體的開放

學生和教師是參與近代物理實驗開放式教學的主體，學生堅持自我管理和個性化發(fā)展，實驗室為學生的全面創(chuàng)新發(fā)展創(chuàng)造相應的環(huán)境、條件，給學生最大的自主選擇權.教師是開放式實驗教學改革成功的決定性要素，要充分發(fā)揮教師的創(chuàng)造性和主觀能動性，并創(chuàng)造和諧的環(huán)境，使教師能夠盡其所能地投入到近代物理實驗教學中.學生主體活動和教師有效指導相結合的開放式近代物理實驗教學，學生的素質得到整體提高，能力獲得發(fā)展.

近代物理實驗打破了教師純粹輸送知識的桎梏，實現(xiàn)了學生這個參與主體的開放，學生自主、獨立地發(fā)現(xiàn)問題，調查、收集與處理信息，開展交流與合作等探究活動，從而獲得知識，特別是創(chuàng)新能力的發(fā)展，學生在現(xiàn)有實驗基礎上充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造性思維，不限學時數(shù)，學生利用業(yè)余時間獨立操作.我校近代物理實驗室在學生選題、操作、數(shù)據(jù)處理，興趣小組組建、創(chuàng)新實驗項目擬定過程中逐漸實現(xiàn)自主性設計.不同專業(yè)和不同學院的學生走到了一起，打破了班級界限和專業(yè)界限，學生之間通過交流，擴展知識面和交往的能力，借助近代物理實驗室申請校級、省級和國家級創(chuàng)新項目.

在近代物理實驗教學中除了學生這個參與主體的開放，教師這個參與主體也在逐漸實現(xiàn)開放，參與教學的不但有實驗室教師和實驗管理技術人員，更多的專業(yè)課教師，實踐能力強、理論水平高的教授都參與教學，邀請一些高水平專家進行近代物理方面的講座.教師在開放式教學中體現(xiàn)靈活性，采取原理性、啟發(fā)性和討論式指導，指導學生內容選擇、實驗操作和方式以及考核過程.我校近代物理實驗教師的工作量除了學生必修和選修課學時外，對于近代物理創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目，學校對校級、省級和國家級項目指導教師給予一定的課時補助，使教師能夠全身心地投入到近代物理實驗開放式教學中.

3 近代物理實驗內容設計和教學形式的開放

3.1 內容設計理念的不同層次開放

近代物理實驗不再拘泥于課堂的學習，不僅僅是對物理實驗現(xiàn)象和物理理論的理解和掌握，近代物理實驗內容的設計及其擴展能夠體現(xiàn)近代物理實驗課程的優(yōu)勢，真正發(fā)揮近代物理實驗的開放式實踐育人，把學生培養(yǎng)成具有更多實驗思想，善于應用各種近代物理的原理和方法來開辟解決專業(yè)問題的創(chuàng)新型人才.

我校近代物理實驗室在實驗內容設計方面，選取在物理學發(fā)展過程中起過重要作用和獲得過諾貝爾物理學獎以及在實驗方法與實驗技術上有代表性的實驗，同時還兼顧到實驗教學與學生科研工作相結合的原則.如X射線探傷技術、塞曼效應、核磁共振、高溫超導材料特性測試、氣體放電中等離子體的研究、微波光學實驗、聲光、電光和磁光效應實驗、巨磁電阻的測量、光柵光譜儀與光譜分析、掃描隧道顯微鏡和納米顆粒的制備等等.學生可以利用實驗室儀器，實現(xiàn)實驗創(chuàng)新鍛煉和科學研究的起步鍛煉，這為學生創(chuàng)新意識和科研能力的培養(yǎng)提供了基本保障.

實驗內容的開放是相對高階目標，也是近代物理實驗開放式實踐育人改革不斷深化的結果，逐步建立開放實驗內容庫，學生可以進一步結合自己所掌握的知識，從建立的內容庫中，選出能夠相互關聯(lián)的實驗項目組成一個實驗系列，如學生利用我校近代物理實驗室的“氣體放電中等離子體的研究”真空濺射鍍膜制備薄膜，“納米顆粒的制備”制備納米顆粒，“掃描隧道顯微鏡”和“原子力顯微鏡”實驗觀察微觀形貌，“橢偏測厚儀”實驗測出膜厚和折射率等等，綜合了各種不同的實驗技能.不同專業(yè)的學生可以開放式地選擇實驗內容，完成一個系列，從材料制備、特性測試，到實際應用等等.

對于更高層次的實驗內容開放，可以采用項目教學手段，使近代物理知識、方法和實驗過程與科研有機結合起來，提高學生的科研創(chuàng)新等各種能力，加強科研意識和作風的培養(yǎng).學生利用我校近代物理實驗室 “納米材料的制備”制備出納米顆粒，填充到硅橡膠和PDMS等基體材料中，通過納米粒子填充改性獲得的高分子納米復合材料，作為電磁器件新型功能材料和制作柔性壓力敏感傳感單元.借助“掃描隧道顯微鏡”和“原子力顯微鏡”觀察材料分散和微觀形貌，借助“拉壓力機、懸臂梁沖擊試驗機和柔性材料抗疲勞沖擊試驗機”對材料力學特性進行研究，使柔性力學復合材料應用于柔性電子皮膚[10]；“巨磁阻實驗”研究材料的巨磁阻(GMR)效應，可以探究GMR效應在生物檢測、磁記錄與儲存、汽車轉速傳感器、高效電磁屏蔽/吸收材料等領域的諸多應用[11].近代物理開放式實踐教學過程中，對由學生自己創(chuàng)意產(chǎn)生的科研項目，學校會另外特別鼓勵，支持他們申請創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，與社會上的科研力量合作，使科學知識及時轉化為社會生產(chǎn)力.

3.2 教學形式的開放

開放式實驗教學中，學生既是受教育者又是實驗教學改革的參與者，教師要隨時吸納學生積極參與實驗教學方法的改進、教學網(wǎng)站的建設和專題討論組的建立，班級和項目組學生的QQ和微信群等可隨時進行討論.這樣不僅可以提高學生分析問題和解決問題的能力、獨立進行實驗研究的能力，還可以鍛煉學生的組織與協(xié)調能力.同時，教師在教學過程中也得到了啟發(fā)，擴展了教學思路.

要實現(xiàn)近代物理實驗開放式實踐育人，就要打破傳統(tǒng)的實驗教學模式，讓學生從簡單的照著實驗講義學習實驗內容、實驗原理、實驗儀器、實驗方法和分析實驗結果，變?yōu)榧ぐl(fā)學生的創(chuàng)新能力和科研興趣.在實驗教學過程中特別強調對于每一個實驗所使用的實驗儀器除了實驗室所開設的實驗內容外，還能進行哪些方面的科研探索，提高學生的興趣，讓每一個學生都能在實驗完成后自覺留下來繼續(xù)做他們感興趣的研究探索，合理的引導和啟發(fā)能激發(fā)學生的創(chuàng)新能力和科研興趣[12].

項目教學法是近代物理實驗開放式實踐育人過程中教學的最高級形式，學生獨立進行實驗方案的設計,完成相關實驗操作步驟,自主選擇實驗設備和耗材，教師采取由淺入深、由簡單到復雜和因人而異的方法，及時給予指導，學生碰到問題時，要作恰當?shù)囊龑В寣W生自己主動去查閱資料，找出問題所在，設計解決的方案，學生主導研究課題，培養(yǎng)學生的團隊合作精神，使學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力都得到鍛煉.比如在柔性復合導電材料的GMR效應的測量，除了學生完成“巨磁阻實驗”研究材料的巨磁阻(GMR)效應，更要引導他們思考GMR效應在哪些領域能夠得到諸多應用，3～5名學生自由組合，小組共同討論決定選擇感興趣的實驗項目，分工協(xié)作，針對不同的問題查資料、做實驗、處理數(shù)據(jù)和撰寫小論文[13].

4 近代物理實驗報告和評估評價的開放

4.1 實驗報告的開放

近代物理實驗的數(shù)據(jù)處理，不僅要求學生學會用Origin,Matlab等數(shù)據(jù)處理軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理分析，更關注數(shù)據(jù)處理的過程不是只得出一個結果的過程，對數(shù)據(jù)處理軟件的掌握以及數(shù)據(jù)的拓展應用，學生都應該有自己獨到的見解.新的發(fā)現(xiàn)常歸功于對數(shù)據(jù)的正確分析，實驗后學生要積極總結思考，與師生分享實驗所得，促進自己科學思維和實踐創(chuàng)新能力的有效提高.測量結果的分析使學生自覺地對相關知識理解掌握，這些鍛煉為今后的科研工作打下良好的基礎.

近代物理實驗的數(shù)據(jù)處理及實驗報告的撰寫，學生要進行嚴格訓練，組織學生舉行實驗討論會、報告會，實驗報告的開放，還有利于發(fā)現(xiàn)人才，使近代物理實驗的開放式實踐育人獲得好的成效.

4.2 教學效果評價的開放

教師、學生及實驗管理和技術人員都要參與開放式近代物理實驗教學效果評價和拓展，推動開放式實踐育人能夠有深入的評價和激勵機制.

在教學效果評價上，要實現(xiàn)開放，既應重視課堂教學效果的評價，也應重視實踐育人效果的評價.理論知識掌握的考查，應從培養(yǎng)學生分析、解決問題的能力和創(chuàng)造能力出發(fā)，在考核內容中，加大分析、創(chuàng)造能力方面的內容.實踐動手能力考核中，對學生參加科研活動、參加科研課題的工作量的大小、質量的高低給予相應的評價，為擅長動手和創(chuàng)造的學生提供廣闊空間和時間以及脫穎而出的機會，尤其是在公開刊物發(fā)表文章的學生，有利于對學生的評價更客觀、更全面、更切合實際.

我校近代物理實驗課程，結合開放式實踐育人，探索嘗試了多元化考試方式和綜合評價體系[14]，建立了教學與考試效果分析評價體系[15].一種可以采用平時實驗成績60%(其中實驗報告40%，實驗操作過程60%)和期末考試成績40%(其中操作60%，口試15%和報告25%)綜合評價指標體系，以過程考核為主、結果考核為輔的成績評價方式，保證了實驗成績客觀公正，使學生得到分析能力和思維創(chuàng)新能力的訓練.另外一種對完成創(chuàng)新實驗的學生實施論文考核，由學生自擬與所學理論或實驗課程相關的論文題材，要求要有創(chuàng)新點，研究必須深入，論據(jù)要充分，涉及到實驗的部分要求詳細、具體，數(shù)據(jù)準確無誤，規(guī)律要有可重復性和必然性.

5 結束語

開放式近代物理實驗教學滿足學生的興趣和愛好，極大地調動教師和學生的積極性，有利于深化“加強基礎、培養(yǎng)能力、提高素質、突出創(chuàng)新”的教學思想，學生創(chuàng)新潛能得到最大的激發(fā)，取得最大的收獲，近代物理實驗與實踐育人和學生創(chuàng)新能力互相結合、互相滲透，最終實現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目標.