應用物理學專業實驗課程與培養模式改革與實踐

肖劍榮 李明 王志勇 李新宇 王柳

摘 要：應用物理專業創新實驗課程教學改革，對提高教學質量、培養創新人才具有十分重要的現實意義。基于應用物理學專業人才培養要求，針對桂林理工大學應用物理學專業實驗課程教學現狀進行了詳細研究，對其實驗課程的教學內容和培養模式進行了改革。改革實施后，學生的創新意識和能力得到了明顯加強。

關鍵詞：應用物理學專業；實驗課程；實驗教學；培養模式；創新能力

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）23-0127-04

Abstract： The teaching reform of applied physics experiment course has a great significance for improving teaching quality and cultivating innovative talents. Based on the requirement of the training of applied physics profession， the paper analyzed the teaching status of the applied physics experiment course in Guilin University of Technology， and the teaching content and training mode of the experiment course were reformed. Through the experiment teaching reform， students' awareness and innovation ability have been improved significantly.

Keywords： applied physics profession； experiment course； experiment teaching； training mode； innovation ability

引言

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》明確提出探索拔尖創新人才培養模式，創新教育教學方法，倡導科研與教學互動，鼓勵、支持本科學生參與科研實踐活動，強調創新意識和能力的培養成為人才培養的目標，積極探索培養高素質創新型人才的方法與途徑成為現階段高等教育改革和發展的主旋律[1]。實驗教學在各類教學工作中不可或缺的組成部分，特別在高等教育中，實驗教學尤其顯得重要，它是抽象思維與具體實際之間的紐帶，是感性認識與理性認識的有機結合橋梁。在培養學生創新意識與創新能力方面，其作用是其他教學環節永遠不可替代的?？梢哉f，創新源于實踐，實驗教學對學生創新能力的培養起著至關重要的作用[2]。

應用物理學作為物理學一級學科門下的一個二級學科，具有理工結合的特點，它與物理專業、工程物理專業、電子信息工程、半導體和材料專業密切交叉，其理論知識體系涉及到電子學、物理學、材料學和化學等諸多的理論和方法。它的研究領域涉及包括微電子、半導體材料與器件、新能源開發、信號處理與傳輸、光電通信技術、遙感探測技術等等。社會要求應用物理學專業人才應具備扎實的物理學基礎、深厚的專業知識以及較強的實踐能力。因此，應用物理學專業在實踐中創新能力水平的高低，決定了他們是否能成為工程技術及應用領域專門人才的關鍵。但是，目前我國大多數地方本科高校的應用物理學專業的實驗課程均秉承理學專業的傳統實驗教學模式，首先是理論課程偏多，實驗課程偏少，專業實驗課程方向不科學[3]；實驗課程本身存在著實驗課程體系不科學、以灌輸式教學為主、實驗成績考核方式不規范等問題[4]。這些抑制學生的學習興趣，束縛了學生的個性發展，嚴重阻礙了學生創新思維及能力的培養。

一、應用物理學專業及實驗課程教學現狀分析

桂林理工大學應用物理學專業在2007年開始面上全國招生，每年招收70名學生，學生70%來自廣西，30%來自區外，生源質量參差不齊。07至10級學生其教學方法秉承傳統教學的教學模式，存在重講授輕實踐、多理論少實驗的現象，這樣雖然使他們具備了較好的專業理論基礎知識，但是對應用物理學知識的應用了解不夠，尤其在實踐能力缺乏應有的鍛煉，在知識的應用技能上也遠遠不夠，更談不上創新能力的培養。歸納起來，其專業實驗課程教學存在如下一些突出的問題：

第一，人才培養體系的實踐性教學環節中，學生實踐能力不能滿足其職業素質的需要。應用物理學專業實踐性教學課程設置大多是基于物理學及其交叉學科的人才培養體系的簡單累積，這樣雖然向學生灌輸的知識量增大，但造成其學習任務繁重，且學生真正的實踐能力和掌握的應用技能十分缺乏。專業實驗課程全部按照開設的專業教材或傳統教學實驗設置，與學生畢業的職業需求和社會發展實際要求基本脫節。

第二，專業課程體系中實踐教學與理論教學脫節。根據教育部教指委的規定，學校對應用物理學專業投入不足，實驗室硬件遠不能滿足專業實驗教學要求，造成學生獲得直接經驗的較少，并有部分專業課程幾乎沒有實驗的機會。產生這種現象的部分原因可歸結于人才需求周期變化的縮短，使得專業培養方案調整頻率過快，導致教學經費投入難以跟上步伐。

第三，科學研究不能融合于教學，科研弱化本科教學，實驗師資隊伍邊緣化。由于各方面的原因，特別是在職稱評定指標方面和獎勵效益方面等的一些因素的影響，我校在一定程度上存在著重科研、輕教學的現象，導致教學與科研發展嚴重失衡，教師的學術水平和科研能力越高，其在本科教學方面投入越少。由于國內整體現狀和學校遺留問題原因，應用物理專業師資普遍職稱和學歷偏低，教學能力和水平無法滿足教學要求。

因此，如何培養高素質創新人才是我校應用物理學面臨的重大課題。桂林理工大學是一所以工為主，以地質科學為特色的西部高校，以培養適應區域經濟發展、社會發展需要的應用型創新人才為目標。近年來，針對大學生就業形勢的巨大壓力，學校把培養應用型創新人才培養作為工作的重點，應用物理學專業把握這一契機，開展了大規模的實踐教學與人才培養模式改革。

二、應用物理學專業實驗課程體系規劃與教學改革

根據桂林理工大學十三五規劃發展總體目標及應用物理學專業人才培養方案，應用物理專業實驗室圍繞“以人為本、傳授知識、提升能力、凸顯創新”的創新應用型人才培養要求，確立在應用物理學專業實驗教學重點側重于物理電子類和材料科學類相結合領域，如物理電子學、光電信息、新能源物理等方向人才培養的核心地位。通過將物理學基礎知識、專業特點、學科前沿和交叉學科知識有機融合，逐步培養學生的認知、掌握、應用、創新等綜合能力，為社會輸送創新應用型高素質人才。

應用物理學專業實驗室結合學校及學科的發展規劃、招生規模和生源情況等，結合現有實驗教學設備資源及整合大學物理基礎實驗相關教學設備，以一體化、標準化建設為目標，在課程體系、資源配置、規范體制、實驗室管理、教學隊伍等方面全面實施改革。

（一）實驗教學課程體系的整合與優化

為適宜市場經濟和社會的發展要求，應用物理學專業在“需求導向”下設置的實驗課程不可避免地傾向于“大而全”，這就導致了既要考慮市場“需求的廣泛性”又要兼顧專業“就業的針對性”，既要考慮“基礎課程模塊”和“專業課程模塊”，更需要兼顧“專業方向課模塊”組成的課程體系，這樣形成一個散亂的實驗課程“體系”在所難免，這對學生系統地學習專業知識、培養創新能力極為不利。為使應用物理學專業學生成為具有創新能力的專門人才，必須解決好基礎與專業、理論與實踐、主干學科與相關學科乃至其交叉學科的關系。為此，我們依據專業培養計劃貫通了基礎與專業之間的界限，構建了“四模塊三層次”實驗教學課程群，四模塊分別是：物理學理論基礎、特色專業方向、工程能力培養、素質拓展；三層次分別是：了解與理解、綜合與設計、研究與探索?！八哪K三層次”的最大特點是循序漸進的，“四模塊”講求的是把專業知識、專業技能滲透于基礎知識與技能之中，而“三層次”強調的是在熟練、鞏固的基礎上培養創新意識和能力。

（二）實驗教學內容、方法與手段的改革

結合應用物理學專業各課程的具體情況，改革實驗內容和實驗方法，刪除內容落后、實驗手段陳舊的實驗內容，增加緊扣專業科研前沿的實驗技術和方法，優化、整合各課程間銜接實驗內容、合理調配驗證性、綜合性、設計性與研究性實驗內容的比例。學生采用流水作業的模式進行分組綜合性實驗，幫助學生融會貫通所學專業理論知識。增加設計與研究性實驗比例，每個專業教師負責指導、監督一個實驗，并定期輪換指導，營造良好的科學探討氛圍，培養學生的動手能力和創新意識。在實驗教學課程中適當引進穿插多媒體、仿真實驗技術，完善充實實驗教學過程。

多媒體教學手段已經廣泛應用于各學科的理論課程教學中，但在實驗教學中應用相對較少。首先，多媒體技術把圖像、聲音、文本等完美地結合在一起，為學生提供生動、逼真的實驗情境，能較在很大程度上刺激學生的各個感官，提高學生的學習注意力和學習興趣。其次，多媒體技術能夠大幅度成本投入、操作方便，它不但能比較容易突破實驗難點，同時能提供更逼真的實驗現象，有利于激發學生的想象力，對創新思維和能力的培養大有裨益。

（三）開放實驗室與開放式實驗教學模式

開放實驗室的實驗內容的不確定性，可為學生提供功能強的實驗儀器和良好的實驗環境，給學生提供一個方便、靈活的實驗條件，學生可以根據自身的實際情況作階段性調整或修改實驗方案。開放式教學模式關鍵作用是教與學主體地位的轉變，也就是教師和學生在教學過程中角色的轉變，即教師由知識的傳輸者成為指導者，使學生從被動接受知識演變成知識的主動建構者。開放實驗室和開放式教學模式都有利于學生成為獨立自主或探索、創造性地完成每個實驗研究主體，使學生在實驗過程中學會學習、思考、探索、研究，使之從中受益。

（四）實驗室規范管理與教學隊伍改革

為了促進實驗教學體系改革、培養應用創新型人才目標達成，在實驗室規范管理方面，除開放實驗室管理外，還實現了實驗室的建設集約化、實驗教學人員專業化、標準化。應用物理學專業實驗管理人員必須具有全日制本科以上學歷，教學人員必須具有高級職稱或博士以上學歷。每年撥專項經費，選派實驗管理人員和教師調研或進修，提升實驗室管理能力和教學水平。同時，結合學院績效分配制度改革，加大實驗教學獎懲力度，從根本上改變了來實驗人員級別低、待遇低的狀況。

三、應用物理學專業人才培養模式改革探索

（一）教學科研協同，準導師制培養

建立教學團隊，制定科研服務于教學的探討式教學方法，探索形成“科研嵌入”理論教學內容、“科研反哺”實踐教學環境的創新人才培養的教研統一機制。“科研嵌入”理論教學是將教師的科研項目能夠分模塊進課堂、進實驗、進畢業設計部分，這樣實現科研成果進課堂，也有利于討論式教學，提高學生的創新意識和創新能力?！翱蒲蟹床浮睂嵺`教學環境是及時總結項目研究經驗和成果，凝練科研案例，撰寫為講義或教材，將其融入教學課堂，這可極大地豐富教學內容，拓寬學生視野。

（二）學校企業協同，項目驅動式培養

建立校企合作，深度拓展教學實踐環節，完善創新人才培養體系。學校與企業簽訂認知實習、生產實習、畢業實習等教學實習基地，學生在不同階段到企業中了解與專業相關的產業知識，學會運用知識解決實際問題、提升能力，以更好地滿足社會與經濟發展對應用型創新人才的能力需求。第一，可以建立校企聯合實驗室和模擬企業生產線實訓室，對于企業生產中遇到的實際問題，進行設計、分解，并由企業技術人員和專業專任教師共同指導老師，按照實際問題在生產過程中組織現場教學（條件許可的情況下），或生產后進行課程討論。第二，由企業工程師擔任兼職教師在校內開設企業相關實踐課程教學，把企業項目帶進學校，作為學生第二課堂的任務，使學生在學校內進行從理論到實踐的能力培養。第三，聘任企業高級工程師擔任學生畢業論文（設計）指導老師，在第七學期就可以進入企業進行畢業實習，開展相關的畢業論文（設計）工作，這樣不僅使學生在企業學到較多的實際生產經驗，也為就業奠定了堅實的基礎。

（三）創新研究實踐，自主提升式培養

成立大學生物理協會、電子協會等學生團體，定期開展豐富多彩的校園文化活動和課外科技活動，提升學生的創新能力。每年舉辦一次為期一個月的大學生校園科技文化節、數理節。積極組織學生參加全國大學生數學建模競賽、“挑戰杯”科技作品競賽、電子設計競賽等，組織學生積極申報各類課外科技項目，大力支持探索、創新類的畢業生的畢業設計，為學生提供更多的參與創新活動機會和實施創新活動的平臺。

（四）研究型課程教學，興趣式培養與提升

教師將一些與專業結合緊密的科研項目設置成“應用研究型課程”，該課程教學課時一般為16學時，開課內容要求緊扣學科、科研前沿，與應用物理學專業緊密相關；選題必須是省級以上在研課題，同一課題內容不能重復開課；課程講述要求從專業知識宏觀入手，逐漸深入；任課教師必須具有高級職稱或博士以上學位。近三年來，應用研究型課程部分開課情況，見表1（大部分老師開課2～3次課，表中每位教師均只列出一次）。通過該課程的學習，學生既對所學的專業知識應用有了充分的認識，也了解了從事科學研究與探索的困惑與艱難，更讓其體會享受成功時的喜悅與樂趣。該課程根據實驗室條件選課學生數一般限定為5～10人，學生根據自身的興趣愛好選擇課程。自開設以來，該課程十分受學生的歡迎，所有均達到選課人數上限。

四、實踐成果

桂林理工大學應用物理學專業創新應用型人才培養模式下的實驗教學改革的開展極大地激發了學生的學習興趣，調動學生學習的主動性，學生的創新意識和創新能力得到明顯的提升。實施四年來，創新應用型人才培養模式的實施取得了顯著的成效。學生自主完成的研究、探索性實驗項目30 余項，積極申報大學生科技項目立項，校級科技立項15項，省級以上項目8項。在校期間，本科生參與申請發明國家專利5項，公開發表的專業學術論文15 篇，其中應用物理學專業學生農春選同學參與教師的科研項目，撰寫學術論文“ 型三能級原子玻色-愛因斯坦凝聚體單模光場系統中雙模原子激光的壓縮性質”在國內權威期刊《物理學報》上發表。應用物理學學生參加自治區、國家和國際大學生數學建模競賽，獲得區一等獎3項，國家二等獎1項，國際二等獎1項，其他級別獎項多項；學生積極參加電子設計大賽，獲廣西一等獎2項。在目前大學生就業壓力較大的背景下，近三年應用物理學專業學生的就業率仍保持在90%以上，始終處于全校十五名左右（全校共56專業招生）。應用物理學專業畢業生的素質、水平和能力得到用人單位的高度評價，并有部分學生已經成為企業的技術骨干、行業能手， 2012級優秀學生常垂明、鄧堅的相關事跡分別在中青網和桂林日報等媒體報道。同時，應用物理學專業升學率（考研錄取率）在我校處于前列，位于學校前十名以內，每年均有學生考上了中國科學院大學、南京大學、中南大學等“985”或“211”高校的碩士研究生。

參考文獻：

[1]呼格吉樂.基于大學生創新能力培養的教學改革探索[J].教育探索，2010，229（7）：39-40.

[2]付坤，周曉勤，凌振寶，等.基于創新人才培養的高校工科類專業新常態實踐教學探索[J].實驗技術與管理，2015，32（10）：18-21.

[3]宋昭遠，張雷，張磊磊.應用物理學專業特色建設及實踐能力培養探索[J].教育教學論壇，2017（2）：139-141.

[4]王月花.應用物理專業實驗課程體系優化與改革探究[J].中國電力教育，2014（30）：73-74.