自主探究實驗對學生綜合素質和創新能力的培養

王合英, 孫文博, 陳宜保, 陳 宏, 張慧云, 張留碗

(清華大學 物理系, 北京 100084)

物理實驗作為培養學生綜合素質和創新能力的實踐課程,對學生素質培養、能力提高和品格塑造起著理論課無可替代的重要作用。為了充分發揮物理實驗教學在高素質、創新人才培養中的作用,從事物理實驗教學的教師從教學體系[1-5]、教學方法[6-9]、教學內容[10-11]、教學組織和管理等各方面不斷進行探索和改革,取得了一定的成效[12-13]。我校近代物理實驗室一直致力于研究型教學模式的探索,建立了分層次、多模式的近代物理實驗教學體系,實施“自由實驗、樂學創新”為主旨的近代物理實驗教學[2,6],滿足不同學生群體的需求,注重對學生的志趣激勵和科學素養的提高,并同時兼顧優秀學生的綜合素質和創新能力培養。在研究型教學實施過程中,發現大部分學生喜歡課程有一定的挑戰性,在解決問題、克服困難的過程中獲得自信和成就感。自主探究實驗給學生提供自主思考和學習、自主探索和創新的實驗平臺與寬松環境, 有利于激發學生的興趣和探索內動力,讓學生的主體意識和創新意識在獨立思考、自主學習、主動探究過程中得以充分發揮和萌芽生長, 充分發揮學生的潛能,提高實驗物理教學的質量。本文介紹在“自由實驗、樂學創新”的研究型近代物理實驗中自主探究實驗對學生綜合素質和創新能力培養所發揮的積極作用。

1 自主探究實驗的特點

自主探究實驗與傳統實驗相比,最大的特點是實驗的自主性、探究性、開放性和靈活性。傳統實驗一般有實驗講義, 其中對實驗原理、實驗內容和方法、實驗儀器有較為詳細的闡述,學生只要認真預習、仔細操作,都能在實驗課上順利完成教材要求的實驗內容。這種傳統的實驗教學方式，因為缺少對學生能力的挑戰性難以激發學生的興趣,相對固化的實驗操作方式不利于學生綜合能力的提高和創新思維的培養。

自主探究實驗的教學理念是為學生營造寬松自由的實驗環境和研究氛圍,以興趣和問題為導向,讓學生處于主導地位,為學生提供挑戰自己的空間和施展特長的實驗平臺,學生通過探究式學習發現問題、解決問題,在以主動的姿態獲得知識的同時,獲得一整套科學研究方法的訓練和綜合實踐能力的大幅度提高。踐行“教育”的深刻內涵,實現“知識傳授、能力培養、價值塑造”三位一體的教學目標。

自主探究實驗以學生為主體,學生根據自己的特長和興趣自主選擇實驗項目和實驗內容,自己查閱文獻設計實驗方案,選擇實驗器材,完成實驗探究過程,并對結果總結分析,獨立完成實驗論文。它給學生充分的自主權和自由度,實驗內容和方法具有開放性,探究深度具有靈活性。目的是營造開放創新的探究氛圍,打破課內與課外、理論與實驗、教學與研究的界限,培養學生的問題意識和質疑精神,開發學生的創造性和學習潛能,給學生獨立解決問題、自由探究的實驗平臺和寬松環境,發揮學生的主動性和積極性,培養學生的創新思維,提高學生的綜合素質、研究素養和實踐能力。學生通過自主探究實驗,初步掌握科學研究的方法,體驗科學探究的樂趣,養成善于發現問題、獨立解決問題的良好習慣和開放的思維方式,增加自信心,提高綜合運用理論知識解決實際問題的能力, 充分認識自己的潛能, 有益于培養學生的創新思維,為終身教育打下堅實的基礎。

自主探究實驗的評價方式根據實驗內容靈活安排,設置多目標、分層次、多出口的成績評價模式。因為探究實驗過程和結果都是不可預知的,成績評價不以成功或失敗作為依據,而是關注過程,允許失敗、寬容失敗,但學生應了解失敗的原因和改進的方案。

2 自主探究實驗的教學組織和軟硬件保障

自主探究實驗作為分層次、多模式的近代物理實驗教學體系的一種模式,向所有對實驗研究有興趣且喜歡自主學習的學生開放。由于自主探究實驗從選題到完成需要學生投入比傳統實驗多幾倍甚至數十倍的時間和精力,同時學生的興趣和能力也因人而異,是否選擇自主探究實驗由學生根據自己的情況自由選擇。自主探究實驗付出很多,學生的收獲和成長也更大。希望理論基礎好、實驗能力強的學生能主動參加自主探究實驗,進一步提升綜合能力和創新能力。但學生在選課時對各種模式的具體實施和要求不太了解,為此,在每學期開學的第一周專門組織所有選課學生,介紹近代物理實驗的分層次、多模式的教學方式和教學內容,尤其是自主探究實驗的教學方式、選題方法、具體組織和實施方法、成績評價、往屆學生的收獲與評價等,讓學生充分了解自主探究實驗對自身能力提高和開放性思維培養的積極作用。學生在了解各種模式的差別后量力而行,從第二周到第八周可以隨時在近代物理實驗網頁上自由選擇或更換實驗模式。

近代物理實驗室為學生提供多個近代物理綜合實驗平臺,包括量子物理與量子信息綜合平臺、現代光學與信息處理、凝聚態物理與實驗技術、等離子體物理與實驗技術、真空物理與實驗技術、現代測量技術及應用等,實驗內容基本涵蓋物理學的所有二級學科。每個平臺有不同的物理學學術方向和現代前沿技術方向,反映近代物理學的重大發展,注意與當代科研的發展相結合,注重實驗技術的先進性和時代性。實驗內容和儀器都具有開放性,為學生自主探究實驗提供實驗條件、儀器設備等硬件保障。除實驗室現有的所有儀器設備,實驗中心提供一定的經費,根據需要購買自主設計實驗所需的材料和通用實驗設備。對于一些需要昂貴設備的方案,實驗室積極為其聯系物理系的科研實驗設備或學校的大型開放儀器完成部分實驗內容。這些綜合實驗平臺的建設為實施自主探究實驗提供了硬件設施和實驗條件。

實驗室采用全方位開放的原則讓學生自由選題。學生在選定自主實驗題目后，自己查閱文獻和實驗資料并整理總結,然后進行師生討論。討論時先讓學生報告文獻資料綜述,對該實驗原理的理解、實驗方向和初步的實驗方案等。教師根據學生的報告提出一些問題,引導學生較深入地理解實驗原理,針對實驗方案給出建議和實驗中需要注意的問題。之后，學生預約時間，按設計的方案完成實驗。實驗室定期舉辦報告會,討論實驗進展的細節,及時解決實驗過程中遇到的問題,保證自主實驗的進度和質量。實驗室在工作日全天開放,學生在預約實驗時間或在實驗設備閑置的其他時間都可以來實驗室進行實驗研究。有時根據學生要求,也在晚上或周末開放。此外,學生完成實驗研究不限于在本實驗室,可由實驗室幫助聯系科研實驗室,讓學生利用科研儀器完成部分自主實驗內容。實驗完成后寫論文報告,并做成PPT,在期末相互交流。

教學管理采用現代信息技術進行數字化管理,通過近代物理實驗網站進行教學組織和實驗管理。學生的實驗設計方案、實驗時間預約、問題討論、研究論文和口頭報告的提交；教師對各種報告的批閱及師生交流等都通過網絡高效進行,同時實驗網站有豐富的實驗資料,包括網絡教程、實驗儀器說明書、實驗參考文獻、網絡課件等為自主探究實驗提供高效的軟件環境和保障。網站的建設數字化管理為實施自主探究實驗提供了高效的軟件環境和實時交流的平臺。

3 自主探究實驗與學生綜合素質和創新能力的培養

自主探究實驗以學生的興趣和問題為切入點,給予學生挑戰自己的空間和施展才華的舞臺,實施個性化和多樣化人才培養。學生在查閱和總結大量資料的基礎上,自己制訂實驗方案、選擇實驗儀器、設計實驗過程,完成實驗數據的采集、計算、理論分析及總結反思,教學過程重視培養學生敏銳的觀察力和質疑能力,鼓勵學生提出原創性的問題并設法解決,強調設計實驗的過程,重視自主學習能力、獨立工作能力、科學思維和創新意識的培養。

3.1 培養學生對問題的洞察力和質疑能力

課題選擇是自主探究實驗的第一步,也是學生感到最難的一步。能否提出高質量、富有挑戰性的問題,選擇一個新穎可行的探究題目,對學生后續的實驗過程和結果至關重要。不能提出問題、沒有質疑,探究就無從開始。質疑是思維獨立性、自主性的體現,是創新的基礎和原動力。學生對問題的洞察力和質疑能力在選題環節上顯得尤其重要。培養學生的問題意識、質疑能力、自主選題的能力是自主探究實驗的重要環節之一。

學生的問題意識和質疑能力需要一定的理論知識基礎,也需要對實驗儀器有充分的了解。學生在選定自主探究題目前,首先對近物實驗室的綜合實驗平臺有比較全面的了解,結合自己的興趣和特長選做3～4個平臺的實驗以深入了解各平臺的實驗設備和實驗方向。教師在實驗過程中引導學生帶著問題意識關注細節、發現問題,啟發學生利用創新思維和開放思維分析問題,利用網絡資源查閱文獻資料,特別是相關實驗領域的科研文獻,了解該實驗領域的前沿進展,站在更高的角度,以更寬的視野審視問題,進而結合實驗儀器和實驗條件針對發現的問題提出可行的探究題目。在教學實踐中發現，一旦學生具有問題意識,很容易在實驗過程中發現各種問題并積極思考,對問題的敏感度和洞察力有一定的提高。鼓勵學生大膽“挑刺”,善于分析與質疑,培養學生的主體意識和獨立精神。

以超聲實驗為例,在測量固體材料中的超聲縱波聲速時,學生首先要分析示波器上的超聲回波信號的來源,正確判斷超聲回波的位置,然后測量回波距離和時間,就可以計算縱波波速。實驗中選擇單探頭模式測量,即一個超聲波探頭既可以發射超聲波,也可以接收檢測超聲波。具有問題意識的學生在實驗開始時就會提出問題：如果超聲探頭利用逆壓電效應按超聲頻率的電信號產生超聲波,壓電晶片做持續的受迫振動,它如何同時接收超聲波？進一步思考,超聲不僅用于缺陷檢測、固體彈性參數測量,同時也用于醫療檢測、工業超聲清洗、焊接等領域,這些不同的應用領域,其超聲的產生原理和實驗技術是否相同？由此引起對超聲波產生原理的深入思考和探究。做聲速測量時,示波器上除出現一系列缺陷回波信號和底面回波信號,每個底面回波后面還有一系列等間距的逐漸衰減的回波信號,善于觀察和分析的學生就會提出問題：這一系列回波是從哪里反射回來的？回波個數和強度衰減與哪些因素有關？由此引起對超聲波傳播規律和波型轉換原理的深入探究。其實很多的實驗都與超聲實驗相類似,實驗過程中因為儀器結構和實驗技術的原因會出現很多理論上預期不到的實驗現象,這些意外的實驗現象就是考查和培養學生對問題敏感力和洞察力的著力點,也是自主探究實驗選題的入手點。

教師在學生選題階段主要是引導和把關。引導學生善于觀察現象、發現問題,進而深入探究,從解決實際問題入手,由淺入深、由表及理、循序漸進,不盲目追求高大上,培養學生對問題的洞察力、質疑能力和解決問題的能力,鼓勵學生發揮個人特長,展示自己的創意和貢獻。教師在審核學生的自主選題時從幾個方面把關；一是課題實施的可行性,學生提出的實驗探究課題能夠利用實驗室的實驗條件或學校的開放設備完成,研究難度適合學生現有的知識水平和實驗能力,具有一定的挑戰性,又不能過高和過難,否則將不利于學生科研能力的提高和自信心的培養；二是課題的新穎性和原創性,只要有自己的創意點，便給予肯定和鼓勵,例如實驗技術、實驗方法的改進、實驗儀器的完善、實驗內容的拓展等,沒有新意的重復實驗沒有探究的意義；三是課題的方向和目標明確,學生一旦明確自主探究課題所要解決的具體問題和目標,就會激起挑戰的勇氣和興趣,充分發揮主觀能動性,積極主動地完成實驗,保證實驗的進展和質量。

3.2 培養學生獨立分析問題、解決問題的能力

學生在選定實驗探究題目后,開始實驗方案的設計和實驗方案的實施。設計實驗方案要落實到實驗儀器和實驗方法的具體細節,在實驗過程中學生會遇到各種想象不到的問題,每一個問題都要自己想辦法解決,在不斷發現問題、解決問題的過程中學生的綜合素質和實踐能力逐步提高。自主探究實驗的過程猶如登山,明明山峰就在不遠處,但登頂的過程道路坎坷曲折,困難重重,這就要求學生有“會當凌絕頂、一覽眾山小”的勇氣和信心,有堅忍不拔的意志,有戰勝困難、永不放棄的精神,當然要有科學的思維方式和運用知識解決問題的能力。

以超聲實驗為例,學生在提出問題后,就要自主設計方案解決問題。為了搞清超聲波的產生原理,學生要想辦法測量超聲探頭發射的超聲波頻率、用于激發超聲探頭的電頻率,如果兩者一樣,則說明壓電晶片按電頻率做受迫振動,產生同頻率的超聲波。但測量結果顯示兩者的頻率相差104量級,完全超出學生的預期。學生的問題看似又回到起點：超聲波是如何產生的？超聲波的頻率與哪些因素有關？其實經過上述的實驗探究,學生對超聲波的產生原理雖然有所質疑、產生好奇,實際上已是螺旋上升了一個臺階：超聲探頭中壓電晶片受到一個低頻脈沖信號的激勵,結果產生一個超聲頻率的高頻振動。因此,下一步問題是找到壓電晶片高頻振動的來源。這時教師應利用學生的質疑心和好奇心,給予適當的啟發和引導,“當告則告、不可告則不告, 中道而立, 使自得之。”“當告”的是科研的思維方法和分析問題的方法：高頻振蕩電磁波怎樣產生？學生就會聯想到 LC振蕩電路。進而引起學生進一步探究超聲探頭內部結構的興趣,發現超聲探頭設計的原理和精妙之處,這樣通過不斷發現問題、解決問題,層層深入,學生通過自主探究的實驗過程一直處于積極主動的思維狀態,不僅深刻理解實驗原理,感受實驗儀器設計的精妙,更重要的是體驗到科學研究的方法,分析問題、解決問題的能力也得以鍛煉和提高。

再如學生在做基于BBO晶體的I類參量下轉換量子糾纏的自主探究實驗時,參考文獻的做法是先判斷入射激光的偏振方向和BBO晶體的晶軸方法,然后調節光路和光學元件使入射光偏振方向和BBO晶體晶軸成45°角,以產生最大糾纏度的糾纏光子對。一旦在實驗中發現晶體光軸角度有所偏差,則需要在光路中對BBO角度進行原位精密校準。文獻的原位校準方法是通過旋轉激光偏振和測量所用偏振片的角度,這樣的做法操作十分繁瑣,同時需要測量兩條符合計數曲線尋找曲線交點,符合計數較小,會導致更大的誤差和更長的測量時間。選做該實驗的學生在實驗過程中發現采用文獻中的調節方法費時費力、精確度不高,學生積極分析問題,運用自己所學的理論知識和計算機編程技術,通過模擬計算,得到任意偏振片角度組合下旋轉BBO晶體角度所得的單通道與符合計數率,其中單通道的曲線為周期為90°的正弦曲線。單通道偏振片偏振方向45°時,曲線斜率最大處位于BBO角度45°處。因此可通過對單通道計數的測量將BBO角度精確地確定到45°。然后對模擬結果設計實驗予以驗證,得到預期的實驗結果。與文獻中實驗方法相比,所提出的方案在實驗實現上不需要記錄大量數據,僅需要兩個觀測量,并且這兩個觀測量能夠在不改動實驗儀器設置的條件下同時測量,做到原位矯正BBO角度,更加簡便、易于操作,而且精確度高,提高了糾纏源的性能,提高了研究和教學實驗的工作效率。學生的相關實驗成果獲得我校學生實驗室建設貢獻獎。

學生在做完實驗后這樣總結自己的收獲：“我們發現問題后,查閱文獻資料,提出解決問題的理論方案,基于量子力學的理論推導,獨立得到結果,對結果進行數值計算與分析,再結合實驗找到合適的實驗方案。然后選購實驗用品,搭建實驗裝置,測量分析結果。在這些工作中,我們進一步加深了對量子力學以及糾纏態理論的理解,相關的理論推導方法得到了練習,也在數值計算與參數選取方面得到鍛煉。通過選購相關實驗用品,我們對整個實驗與研究的環節有了更多的了解和親身體驗。實驗過程中遇到的困難和挑戰也讓我們意識到實驗過程的復雜與艱難,體驗到科研過程的曲折。在克服困難的過程中,我們在實驗規劃和整體建設的把控、團隊分工合作、理論指導與實驗內容相結合方面都有所實踐,有所收獲。”學生的收獲和反應表明自主探究實驗對培養學生獨立分析問題、解決問題的能力,提高學生的綜合素質和實踐能力起著積極的作用。

3.3 激發學生的靈感,培養學生的創新思維,提升創新自信和能力

自主探究實驗不限定實驗內容,也不限于課內與課外,選題具有開放性和靈活性。學生在實驗過程中會發現各種問題,由于實驗課堂時間有限,我們把實驗室交給學生,給學生課外探究和拓展的自由空間,點燃學生進一步自主探究的熱情之火,培養學生的創新思維,提升學生的創新自信和綜合實驗能力。近代物理實驗教學采用基礎實驗和自主探究實驗相結合的方式,許多自主探究型實驗題目來源于學生在基礎實驗中發現的問題。這種發現問題、獨自解決問題的過程有利于激發學生的靈感,培養學生的創新思維,提升創新自信和綜合實踐能力。

例如電子衍射實驗是經典的近代物理實驗,對確立電子的波粒二象性和建立量子力學起過重要作用,也是分析物質表面結構最重要的方法。目前高校近代物理課程中一般都開設該實驗,采用在火棉膠基膜上鍍銀膜作為樣品觀測電子衍射現象。因為火棉膠本身和其薄膜制備過程中用到的有機溶劑(乙酸正戊脂)都是有毒且易燃、易爆的化學品,如果實驗室通風不當,配溶液制備基膜的過程對教師和學生有害,儲存這些化學品也有一定的安全隱患。學生在做該實驗時,結合自己在納米中心的研究經歷,提出用超順排碳納米管(super-aligned carbon nano-tube SACNT )薄膜做電子衍射實驗的基膜設想,這一設想就是學生的靈感閃現,來源于學生對實驗問題的思考和自己知識的積淀。學生抓住了一閃而過的靈感,得到教師的支持,開始自主探究實驗的設計和實施。之后學生查閱文獻,調研商家,設計儀器結構,調研相關器件的參數與價格,最后成功設計并搭建了一套由4個平臺組成的從SACNT陣列制備SACNT薄膜的機械裝置,操作簡便,現已用于電子衍射實驗教學。學生的后續實驗表明超順排碳納米管薄膜是電子衍射實驗更為理想的基膜,相比于作為高分子有機物的火棉膠,SACNT是一種準晶體,其結構更為有序(如各向異性和碳納米管層的固有間距),其貢獻的額外衍射信號將使學生能夠從新的角度測量電子波長和晶格常數。不僅不會對樣品的衍射圖帶來干擾,而且可以產生更加豐富的現象,提高實驗的精度。此外,SACNT 是一種用途廣泛的納米材料,學生搭建的鋪膜裝置不僅改進了電子衍射實驗,而且方便日后實驗室利用SACNT薄膜做出更多有趣的工作,并借此機會增加學生對碳納米管的了解,拓寬近代物理實驗室的教學內容。

學生在完成該自主探究實驗時這樣總結：“這是我第一次自己設計、搭建實驗裝置,學到了很多東西。設計一個實驗,有時候出發點是抽象的(基于基礎理論),設計一套裝置,初步的設想往往是很簡單的,但是實現起來就必須細化所有目標和需求,制定詳細的計劃,這樣才能和各方(實驗室、商家、樣品提供者)進行有效溝通,克服困難,高效完成目標。此外我也認識到,作為一個設計者,應該有長遠的眼光,在一定的成本范圍內,使自己的設計有盡可能多的用途和改進空間。就我們的工作而言,事先查閱儀器商的產品手冊,根據產品參數初步確定裝置的構成元件,然后基于這些元件向納米中心定做SACNT 陣列,最后搭建、調試裝置并加以改進。我們希望這個裝置能夠有多種用途并可以長期使用,于是采用了比較靈活的設計。我們后來自己也體會到了：我們的裝置可以較容易地制備雙層交叉膜,從而驗證我們對SACNT薄膜的特征衍射斑形成原因的猜想。”從學生真實的體驗中可以感覺到學生通過自主探究實驗收獲的自信和能力的提高。

自主探究實驗給學生發揮特長和展現能力的自由空間,學生在自主探究實驗中沒有各種條條框框的束縛,實驗過程中會遇到各種意想不到的困難和問題,往往一波未平、一波又起,這種跌宕起伏的實驗過程和很多不確定因素,對學生心智的成長、品格的塑造、毅力的考驗、能力的提高和創新思維的萌芽都起著積極的作用。每至期末學生交流,學生體會最深、收獲最大的就是自主探究實驗的曲折過程。很多學生表示這樣做實驗才體會到做實驗的樂趣,是自己做真正的實驗,即使結果未達到預期，甚至失敗,也收獲良多，影響深遠。

4 結語

數年的教學實踐表明,自主探究實驗能激發學生自主學習的內動力,實現“以人為本,因材施教”,培養學生對問題的洞察力,提高學生的科研素養,促進學生的個性發展和能力成長,提升學生分析問題、解決問題的能力,喚醒學生的創新潛質,起到課止而思不止、課止實驗研究不止的作用。