創新創業新途徑
——物理實驗儀器的創新設計與改進*

熊澤本

(荊楚理工學院數理學院 湖北 荊門 448000)

1 時代背景與創新創業教育現狀

我國進入到中國特色社會主義新時代，創新創業成為國家發展的新動力,創新上升到了國家戰略的高度，在“中國制造2025”和“創新中國”時代大背景下,我國經濟社會發展急需數以千萬計的拔尖創新人才來實現“大眾創業，萬眾創新”的戰略目標．培養創新人才的重任責無旁貸地落在了高校肩上，并對我國的創新創業教育提出了嚴峻的挑戰．

國外理科生創新創業教育是以工科為主的理論與實踐相結合的教學模式，從基礎教育開始重視實踐操作和創新能力培養，創新創業教育體現在以職業教育為主體的工科教育模式．如德國成熟先進的職業教育體系．美國效仿德國職業教育，1947年，美國哈佛大學開始“創業教育”[1]．目前美國有1 600所大學開設了創業課程，200多所大學開展創業學位教育，有100多家創業研究機構群[2]．

我國創業教育起步于20世紀初，受美國實用主義影響的萌芽，以陶行知為代表的教育學家提出了教學過程中融入創業理念，20世紀以梁漱溟為代表的“鄉村自治”理念，提出農民自主創業觀點．新中國成立后，創新創業教育進入新時代．1990年，國家教委基礎教育司嘗試“創業教育實驗”，從2002年教育部確立9所創業教育試點院校以來，經過近20年的發展，創新創業教育仍難滿足社會需求[3～5]．

國外對創新素質和創業能力的重視比較早，研究也比較早,高等教育機構和社會學界都高度關注創新教育．美國是最早開展創新教育研究和實踐的國家，杜威、斯普朗格等相關研究人員認為創造力是人才培養目標的首要任務[2]，McMullan提出要開設激發學生創新創業意識的課程[6]，Solomon建議把創業課程推廣到多門學科[7]．在我國，創業教育成為近幾年的研究熱點(2015至2018年主題中含“創業”的文獻條目數量依次為20 241,21 850,22 226,20 235，知網數據),表面來看，創新創業教育的普及程度大大提高，但最終創業成功的學生卻少之又少．究其根本原因就是我國高校十幾年來都沒有形成一個系統的、完整的創新創業課程體系，創新創業教育與專業教育不能有機融合[8]，國內高校的創業課程往往出現偏理論、輕實踐的情況．

2 依托專業教育推動創新創業教育縱深發展與延伸

創新創業教育如果僅僅局限于創業通識課的建設，則雙創教育只是空中樓閣，無本之木．科學、完整的創新創業教育必須與專業教育有機融合，把雙創教育落于實處，使雙創教育的源頭浸潤于專業課程的每一個可能的知識點，才能使創業項目源源不斷，來之于實際．創新創業教育融入專業課程教學之中，許多高校在此進行了有益的嘗試，但是,參與創業教育的專業大多聚集在與就業聯系非常緊密的旅游、服務、貿易、傳媒等專業[9～12]．創新創業教育與專業相融合，就是把創新創業教育融入專業人才培養目標的定位、專業課程體系的架構、教學內容的設定、師資隊伍的培育、實驗實習基地的建設以及人才培養效果的評價等[13～14]．創新創業教育與理科專業特別是物理學專業的融合就是結合物理學專業特點，把創新創業教育滲透進專業教學的每一個任務點．物理學是一門實驗科學，實驗教學是物理專業教學的重要組成部分．把物理原理應用于具體實際，設計創作新的作品，或者是針對物理實驗過程中的實驗原理相對落后、實驗步驟相對繁雜、實驗儀器老化不配套、實驗現象不明顯、儀器利用功能單一等“痛點”，選取合適的實驗項目，針對“痛點”尋找解決方案，然后進行實物制作，最后把項目提煉，相應成果升華成創新創業點，使創新創業教育與實驗儀器的創新設計深度融合，推動創新創業教育縱深發展．

3 依托專業實驗室 開展創新創業教育

地方高校應該遵循教育發展規律，以培養適應時代發展的基層服務型、應用型人才為己任．根據我校建設服務基層社會和經濟發展的地方大學的辦學目標，我校應用物理學專業在人才培養目標的定位中，依據學生個性特征并結合專業特點，對學生發展進行合理化分流，經過4年的逐步培育和專業實訓，使約30%的學生能夠繼續升學學習；使約20%的學生能熟練掌握專業技能，成為有創新意識和創新能力的行業專門人才；使約50%的學生成為專業技術工人．

在人才培養過程中，創新創業教育貫穿人才培養的所有過程，特別是實驗實踐環節．我校自合并升本以來，從 2008年面對理工科本科生開設大學物理實驗課，在國家級、省級實驗教學示范中心輻射作用下，依據《理工科類大學物理實驗課程教學基本要求》的文件精神[15]，從2012年開始逐步增加綜合、設計性物理實驗內容，旨在更好地培養學生的應用能力、創新能力．2015年開始嘗試《物理實驗儀器的創新設計與改進》相關實驗內容的選題、立體化教案的制作、典型案例的整理等相關工作．逐步改變了以下各種現狀：創新、設計性實驗開設的項目較單一；受教學時數不足的影響學生自主實驗體現不充分，對設計性實驗感到困惑，不知如何入手；教師不得不按照傳統的教學方法把目的、原理、儀器、實驗方法、步驟一一講解，最終在教學形式、方法上逐步打破傳統，建立了以培養有積極創新意識、有基礎創新創業知識、有一定創新創業技能的全新實驗實踐課程體系．

培養創新人才的教育目標對教師和學生提出更高的要求．教學開放性給修習大學物理實驗的理工科學生帶來一個切實可行的創新途徑，也給了學生更大的創造空間．針對物理實驗過程中的實驗原理相對落后、實驗步驟相對繁雜、實驗儀器老化不配套、實驗現象不明顯、儀器利用功能單一等“痛點”，利用已經掌握的專業知識，借助多樣化的測量手段，依附更先進的測量儀器和設備，因陋就簡、就地取材，自制新儀器或改進已有的實驗儀器，讓學生參與到自制實驗儀器或改進實驗儀器的活動中來，把實驗過程中的“痛點”解決后形成創新點，落實到具體的實驗儀器的升級、改造項目，并進一步把項目實體化、成果化，是一種切實可行而又理想的尋找創新項目、提高創新能力、形成創新創業成果的絕佳辦法．

首先，通過項目化的物理實驗儀器的創新設計與改進開發了學生的智力，項目實施過程中培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力，問題的解決過程會促進學生綜合素質和能力的提高.

第二，對物理實驗儀器的創新設計與改進是學生在教師指導下自主完成的一項創造性的研學活動，創新制造過程可以促進學生手腦協調發展，創新制造過程也是一個不斷自我否定、理論進步、然后具體實踐的論證與探索過程，它具有探索性.

第三，物理實驗儀器的創新設計與改進的選題必須突出創造性，選題目的不在于繁雜與簡單，而是要突出創新與發展，只要有創造性，論題新穎，有實用和推廣價值就行．

針對學生具體情況和我校大學物理實驗中心儀器出現的相關問題，我們選取了約20個實驗項目，針對每個實驗項目進行嘗試性，尋找“痛點”—尋找解決方案—嚴密論證—實物制作—項目提煉—成果升華，爭取在這些項目的實施過程中提煉出實用價值較高、受眾面廣、成果顯著的創新創業點．本項目在實際教學過程中可采用3種教學模式:

一是在教學計劃內的大學物理實驗課上穿插進行,以課程設計、實驗小論文、儀器小制作為目標的小型項目的實施，適用于全體學生,它是大眾創新創業教育的基石部分，也即“大眾模式”.

二是開放實驗室以課內課外結合，與大學生科技創新項目的申報、實施，各種學科行業競賽，實習基地項目等相結合的形式穿插進行,適用于部分對實驗充滿興趣的學生,設計實驗儀器需要反復探索,實驗室和實習基地提供必要工具和部分經費，有條件的對實驗充滿興趣的學生進行開放．創新和創業項目的實施過程使學生在失敗和成功中思考、總結、吸取經驗和教訓,培養創新意識,獲得創新素質，獲得創新創業體驗,繼而達到創新創業能力的培養.

三是開放實驗室實行實驗導師制,適用于少數優秀的有實驗天賦的有創新創業意愿和創新能力的學生,也即創新創業的“精英模式”．開放實驗室, 結合教師的科研課題、實驗創新設計與改進課題項目實行項目導師制,從項目中提煉創新創業源頭，滿足學生的求知欲望,創新創業愿望，讓他們對科學研究和創新創業有一個全程體驗,體驗一個原創性實驗的開發和創業創新的艱難與艱辛．

3種模式體現了大眾創新教育與精英創業教育的統一與兼顧．

物理實驗儀器的創新設計與改進項目的實施大致分類如下：

第一類，演示實驗儀器的創新設計．針對某個物理原理或物理規律在實際生活的應用以及驗證，設計簡單實用的小實驗．如學生根據半導體熱電偶的電熱效應原理、水循環制冷以及風冷原理設計制作的簡易小冰箱，原理清晰、結構簡單、實驗設備開放可調，該項目成功申請2019年湖北省大學生科技創新項目，學生系列成果成功申報國家專利(表1)．

表1 歷年大學生科技創新創業項目

第二類，廢舊儀器的回收利用．在實驗室部分儀器一旦達到使用年限或部分損壞，便要進入報廢淘汰階段，為了更好地利用國家資源，充分提高產品剩余價值，對面臨報廢淘汰的儀器進行重新組合或回收開發再利用，是物理實驗儀器的創新設計與改進的重要途徑．如我校應用物理學專業學生利用接近報廢的邁克爾孫干涉儀，在導軌平臺上加裝載物臺，導軌上方架設組裝的顯微鏡筒，設計制作了“高精度數顯微鏡”，該儀器填補了一般實驗室條件下測量精度介于微米和納米量級之間的常用測量設備的空白，該項目獲得湖北省大學生物理實驗創新設計大賽三等獎(表2)．

表2 歷年物理實驗創新設計大賽獲獎項目

第三類，對現有儀器的升級改造．學生通過熟悉實驗設備和測量過程，充分了解儀器設計原理和基本結構，對實驗設備的不合理、不完善、不適用的諸多問題進行深入的分析與探討，并設計合理可行的改進方案和措施，對儀器進行一定程度的升級改造，是對物理實驗儀器的創新設計與改進的重要手段．如我校2015級應用物理學專業學生聯合機械設計與自動化、物聯網工程等專業學生對實驗室現有的靜電場描繪儀進行設計改造，利用單片機控制機械臂進行電勢點的自動尋找和電勢的實時數碼顯示，設計制作出自動化靜電場描繪儀，該項目成果獲得湖北省大學生物理實驗創新設計大賽一等獎，并成功申報國家專利．而且該產品吸引了儀器生產廠家的強烈興趣，已經與我校簽訂了合作意向．下一步將進一步升級、完善后進行試生產．

第四類，全新實驗儀器的創新設計．在高年級階段，部分學生在熟練掌握相關專業知識和實驗技能后，就能以自己創造性的視角和靈敏的嗅覺，主動尋找問題并提出假設，組建相關設備，創新制作新的成果．如我校2011級學生利用單片機、傳感器和相關物理學專業知識設計制作了“基于單片機的氣體參數測量裝置”，該項目成功進入我校創新產業園，該學生根據設計成果形成了畢業論文設計，且畢業論文設計獲得了“湖北省2015年優秀畢業論文”．

續表2

4 結論

物理實驗儀器的創新設計與改進項目的實施原則上是學生根據已學過的有關知識，如大學物理實驗，在此課程基礎上，結合單片機、傳感器、數字電路和模擬電路等專業知識，針對某一課題，主動發現問題、明確問題、設計假設和檢驗假設，提出實驗方案和儀器架構，進而日臻完善，并且能提煉、孵化出切實可行的創新創業項目．當然，根據不同實驗項目的改進與創新，項目提煉成果可以是多種多樣，可以是實物制作并推廣，可以是論文發表，可以是專利申請并實施，也可以是新的創新、設計性實驗項目．但是選題也不能過于呆板地固守在學生已有知識的層面上，讓學生有一定的發展空間，尚未了解的知識可以促使學生通過查閱文獻資料進行驗證和探索達到熟識和了解，而這本身就是一個自主創造性學習的過程．總之設計物理實驗儀器的選題既兼顧創造性和探索性的原則，又考慮到學生的年齡特點和身心發展特點，因材施教，量體裁衣．