新形勢下近代物理實驗教學改革探討

潮洛蒙 劉 佳

（內蒙古科技大學<理學院>，內蒙古 包頭014010）

物理學是研究物質結構、相互作用以及運動規律的學科，是自然科學以及高新技術的重要基礎，因此物理教學在高等教育中起著非常重要的作用。教育部在《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020）》中明確指出“支持學生參與科學研究，強化實踐教學環節”。近代物理實驗是高等院校物理學或應用物理學等物理類相關專業在普通物理理論和實驗基礎上開設的一門非常重要的基礎實驗必修課程。學生通過該課程的學習，可掌握一些較先進的和綜合性的實驗方法和技能，加深對近代物理的一些重要概念和規律的理解，擴大知識面，培養初步的獨立的科學實驗和科學研究能力。因此，從實踐教學的角度來說，強化并提升近代物理實驗課程的意義重大。

近代物理實驗課程的內容一般包括近代物理發展史上的經典實驗及重大成就，尤其是20世紀以來的一些里程碑式實驗，涉及電、磁、光等物理學的多個基礎內容。隨著社會的發展，近代物理實驗在高校物理教學當中的重要性也越發突出。因為受到信息時代的影響，學生越來越難把注意力完全集中到理論課堂上。而相對于理論課程而言，實驗課程更能使學生把注意力集中到知識的獲取上，對學生養成探索精神及創新意識方面有著非常重要的作用，但同時也出現了一些新的問題。近年來很多高校在國家的號召下推進雙一流建設，而培養創新型人才是其中的一項重要內容[2]，這就要求各高校應根據存在的問題積極對近代物理實驗課程進行教學改革，培養學生的創新能力，增強學生的實用技能，以適應國家大力推進的學科建設需要。我們結合我們學院的實際情況，對近代物理實驗課程進行了一系列的改革，收到了較好的效果。

1 實驗內容與時俱進

首先，不管是從內容上還是層次上，近代物理實驗課程應與大學物理實驗課程要分開。很多教學效果很好的學校在物理學相關專業的課程中把近代物理實驗課程放在比大學物理實驗更高的層次，其教學目的各自不同[2]。因此，近代物理實驗課程中除了傳統的經典實驗以外,更應加強能夠展現物理學前沿動態的一些綜合性、開放性的實驗項目，調動學生的積極性，使學生能夠真正地對所做的實驗進行探索與體驗，并在此過程中領會其中的物理思想。除此之外，隨著近幾年各學校的教學改革，大學物理實驗開設了一些傳統的、經典的近代物理實驗內容。以我們學院為例，這幾年大學物理實驗新增了弗蘭克赫茲實驗，邁克爾遜干涉實驗，金屬電子逸出功測量等實驗，這與部分近代物理實驗課程出現了內容上的重疊。因此近代物理實驗課程迫切地需要引入新的實驗項目及內容，以便能更好地體現該課程的時代性和先進性。比如，我們實驗室近期增加了磁耦合無線電能傳輸實驗系統。磁耦合諧振無線電能傳輸技術（Wireless Electricity,WiTricity）是2007年由麻省理工學院Marin Soljacic教授團 隊提出，因此該實驗能夠反映出當前物理學前沿，具有很好的先進性。學生可搭建磁耦合諧振式電能無線傳輸系統，可做無線充電實驗等當下常見的新技術。這種教學、科研為一體的綜合實驗平臺對學生的學習興趣和創新能力的培養有很好的推動作用。

2 加強與學科建設和科研方向的結合

上面說到近代物理實驗內容需要及時調整及改革，這時候可以考慮與學院的學科建設和科研方向相結合拓展實驗內容。我們知道，物理學方向與很多前沿技術緊密聯系在一起，有不少學生畢業時會選擇考研繼續深造。同時很多學校學院都有自己重點發展的學科方向和科研方向。因此安排近代物理實驗內容的時候，如果能跟本校的學科建設或科研方向相結合的話，不管是對學生本身將來的發展道路還是對學校的學科建設方向，都有很大的促進作用。以我們學院為例，針對內蒙古自治區白云鄂博稀土礦區而建立了兩個重點學科方向，分別為磁性材料及固體廢棄物資源綜合利用。我院在這兩個方向上已經具有了很強的科研優勢，在這些領域上的研究達到了國際先進水平。其中自治區級重點實驗室和自治區級工程技術研究中心給該方向的材料研究提供了非常好的科研平臺。眾所周知，材料支撐著人類文明，材料物理專業是國家重點學科，是理工類專業里面不可或缺的重要組成部分。材料物理涉及凝聚態物理、半導體物理、固體物理、金屬物理、微電子器件等物理學的多個領域，可見其綜合性之強。因此，如果在近代物理實驗課程里適當的安排材料科學相關實驗，則對培養學生的基本科學素養，提升其創造力及創新精神具有很大的推動作用。鑒于此，我們根據本學院的學科特色，在近代物理實驗中安排了磁致伸縮材料特性測量、鐵磁共振實驗、材料維氏硬度及密度測量實驗、X射線衍射物相定性分析等與學科方向相關的一些基礎實驗。這樣既能提高學生的科學素養也能給繼續深造的學生打下一個很好的基礎。

3 結合地方資源特色服務地方產業

安排調整實驗內容的時候除了考慮學科以及科研方向，也可以考慮地方特色。以我們內蒙古自治區為例，一方面土地面積寬廣，陽光資源充足，硅礦儲量豐富；另一方面全區可開發風能資源為1.50億千瓦，約占全國風能資源可開發量的50%，風能資源儲量居全國首位。因此，國家提倡在內蒙古大力發展光伏發電和風力發電行業，近幾年當地也多了很多相關企業，而這些企業也成了物理類專業學生擇業的一個選擇方向。考慮到這一點，我們在實驗項目中增加了太陽能電池特性測量實驗以及多功能風力發電實驗等相關實驗，這樣一方面對學生將來的發展起到一定的直接作用，另一方面也為地方發展做出一些貢獻。

4 虛擬仿真實驗項目的開設

虛擬仿真實驗是虛擬現實技術應用研究的重要載體。隨著虛擬實驗技術的成熟，人們開始認識到虛擬仿真實驗室在教育領域的重要應用價值，它除了可以輔助高校的科研工作,在實驗教學方面也具有諸多優點。因此，近年來國內的許多高校都根據自身科研和教學的需求建立了虛擬實驗室，把虛擬仿真實驗作為一個重要的發展方向。物理學中有很多先進性的或者高端的實驗會涉及如下情況：本科實驗課程中真實實驗條件不具備或實際運行困難；涉及高危或極端環境；高成本、高消耗、不可逆操作的實驗。這時候虛擬仿真實驗是最好的解決方案。比如，以“磁控濺射鍍膜和AFM在氫化納米硅制作過程中的應用”實驗為例：磁控濺射和原子力顯微鏡（AFM）是制備與表征薄膜材料的常見物理方法，也是高階大學物理實驗教學中的重點和難點。然而這類實驗由于設備高端，材料昂貴，實驗過程具有危險性，不適合大面積開展實驗教學。此時我們可以用三維虛擬仿真技術高度還原實驗場景，100%仿真模擬磁控濺射設備制備氫化納米硅薄膜以及利用原子力顯微鏡表征薄膜表面形貌的實驗過程，可培養學生在相關方向上的動手能力和探索科學的研究能力。我們在近代物理實驗課程中安排了虛擬仿真實驗內容后取得了良好的教學效果。其中有一部分是與實際的實驗項目相結合的，學生在做實驗之前先上虛擬仿真部分的內容。這樣虛實結合的好處就是學生更容易了解實驗原理以及掌握操作過程，在做實際實驗的時候避免了很多操作失誤，并且對整個實驗內容的掌握會更好。

5 結語

近代物理實驗教學應以學生發展為本，跟上時代的步伐，實驗項目及內容需要及時調整，積極營造創新的、開放性的氛圍，對課程進行教學改革時可以適當地考慮本校或本專業的學科建設及優勢科研方向，也可以根據地方特色做一些調整，還可增加虛擬仿真實驗來拓展實驗教學的廣度。總之，希望各高校對近代物理實驗課程給予更多的重視，并進行有效的改革，使近代物理實驗更好地發展，為更有效地建立國家創新教育體系服務。