以物理實驗競賽培養大學生創新能力的研究

關壽華 張 萍 劉德弟 徐會靜 吳云峰

大連民族大學物理與材料工程學院 遼寧大連 116600

目前,國際化競爭日益加劇,重點在于科技創新能力的競爭,而重中之重在于高科技人才的培養與爭奪。在這種新形勢下,教育部等六部門提出了促進學科交叉、培養創新人才的目標要求。學科競賽是培養學生多學科綜合運用能力和創新能力的重要教學手段[1],而大學物理實驗競賽在其中具有突出的優勢。許多高校都對通過物理實驗競賽培養大學生創新能力進行了廣泛的實踐和研究[2-3]。

自2012年遼寧省大學生物理實驗競賽舉辦以來,大連民族大學高度重視,將該賽事作為大學物理實驗課的拓展,以進一步培養學生的創新能力和科學實踐能力。由于地方民族高校的特點和我校學生的實際情況,備賽過程中教師的教學指導非常重要。本文通過總結并分析我校學生在物理實驗競賽中的備賽行為和教師指導活動,結合培養科技創新人才的需要,形成具有指導意義的競教行為模式,為參賽學生和指導教師提供一定的參考。

1 強調合理組隊,促進學科交叉,培養團隊協作意識

遼寧省大學生物理實驗競賽采取開放的競賽模式,要求設計制作出物理實驗裝置,研究某一種物理現象或解決與之相關的某一實際問題。參賽團隊既需要掌握相關物理知識,也需要掌握電子、自動化等其他學科知識,同時還要具備儀器制作、數據分析等方面的能力,才能在參賽期間做出優異的學術成果。在報名宣講時,教師要強調合理組隊,隊員不要局限于物理專業,要積極吸收電工電子等其他專業學生,不僅是為了取得好成績,而且有助于在備賽過程中互相學習,立足本專業、向其他學科知識滲透,成為一專多能的復合型人才。

參賽隊員要有團隊協作意識,既要合理分工,又要通力合作,從而充分發揮出團隊整體的智慧和能力。合理的組隊和團結的氛圍,能有力地促進學生成長為具有多學科知識綜合運用能力和團隊協作意識的創新型人才,有助于創作出優秀的學術作品,獲得優異的競賽成績。2018年一個物理專業學生經過教師指導,根據合理組隊原則認真選擇隊員,其中引入了一名自動化專業學生,組成競賽團隊,做出了比較優秀的競賽作品“三維磁場掃描儀”,最終獲得了省賽一等獎,而且隊員的多學科知識綜合應用能力都有了不小的進步。

2 樹立創新精神,講授創新方法,培養創新能力

大學生初次參加物理實驗競賽,總體來說缺少創新精神和創新方法。教師在競賽團隊組成后,首先就要強調,在充分調研目前發展成果的基礎上,設計競賽方案時要著眼于實際應用積極求新求變,要有強烈的創新精神,也要有創新的信心。其次,教師要講授一些基本的創新思維方法,例如組合創新、交叉創新、移植創新以及模仿創新等,并講解一些經典的創新創業案例,激起學生強烈的進行科技創新的興趣和動力。在長達半年多的備賽過程中,教師不斷推動學生強化創新精神、實踐創新設計,最終學生將潛移默化地培養出創新能力。

3 樹立嚴謹的科學精神、客觀的科學態度,增強自主內驅力

在備賽過程中,教師要引導學生樹立嚴謹的科學精神、客觀的科學態度,研究行為要環環相扣,逐環進行縝密科學邏輯推演,從而減少錯誤與疏漏。教師要指導學生掌握反思迭代的意識和方法,通過反思復核每個環節,并進行迭代,達到保證準確的目的。

學生在備賽過程中,難免遇到知識、技術等方面的困難,隨著興趣、信心的流失,將導致研究停頓,甚至退賽。教師在備賽前要強調,任何成績都是要長期努力、克服困難才能取得;備賽過程中,要引導學生發現自身價值不斷提高,從而增長興趣和信心,增強自主內驅力,推動解決困難、完成課題研究。遇到難題,如果自己努力鉆研也解決不了,可以同組討論,最后可以向教師或者其他專家請教,只要方法得當、堅持不懈,終究會柳暗花明。

4 建立科學的課題研究主體行為流程

參賽之前,大多數學生沒有做過課題研究活動,缺少科學的系統的研究方法,工作績效不高,因此教師的及時指導和適度干預非常重要。通過總結和分析學生備賽行為與教師指導活動,并參考相關研究成果[4-5],研究和歸納出比較合理的競教行為流程,特點是規范了教師的指導活動,強化了學生備賽行為流程的科學性、系統性和嚴密性。

備賽行為流程如下圖所示,各環節密切連接,承上啟下,某個環節缺失或者先后顛倒,將會導致后面工作的無序、失誤或低效。在每個重要節點,教師要與學生討論交流,分析上一階段的工作是否合理,講解下一階段的研究方法,討論后面環節的工作計劃。教師要注意控制指導的次數和深度,保障學生獨立研究的主體地位。

大學物理實驗競賽競教行為流程圖

報名時,教師要強調合理組隊原則。組隊后,教師要進行培訓,一是要求隊員有團隊協作意識,有分工、講合作,強調交流討論和共同決定;二是要求隊員互相學習各自所長,力爭成長為掌握多學科知識的復合型人才;三是講授基本的創新方法,推動學生在備賽過程中積極創新設計和實踐,培養創新能力;四是指導學生樹立嚴謹的科學精神、客觀的科學態度,闡述反思迭代方法,并指導學生要增強自主內驅力。

教師要強調,不能僅憑興趣選題,或者單純依賴教師選題,要在研究內容具有先進性和安全性的基礎上,綜合考慮團隊的興趣愛好、知識結構與技能水平來選擇。對競賽題目初步討論后,隊員各自查找資料研究,然后集體討論決定初選題目,再與教師交流后確定競賽題目,既要符合學生的興趣愛好,又要保證具有較高的可行性。

建模是備賽過程的關鍵環節,模型是否客觀將直接決定競賽成敗,教師要提醒學生重視建模。在可行性分析時,研究目標的難易程度要適當,以團隊整體的知識和能力能夠實現為宜,可以適當留下提高空間,同時要考慮到課題組擁有的儀器設備、資金等實驗條件。學生在選題、建模到可行性分析之間,一定要反思迭代,確保研究內容的科學性、準確性和可行性,提高后序工作的績效。

設計制作之前,教師要強調,在掌握目前已有研究成果的基礎上,要積極運用各種創新方法,面向應用進行創新設計。數據分析后,要從設計制作開始反思迭代,確保無誤后再向教師匯報。教師認真審核并提出意見和建議,以決定下一步的工作。在結論中,要突出研究成果的創新點與實用價值。

5 鼓勵政策與支持措施

每年遼寧省大學物理實驗競賽舉辦日程公告后,我校物理實驗中心都以同樣競賽要求預先舉辦校級競賽,并設置更多的獎項,優秀項目將被選拔參加省賽。省賽和校賽兩級賽事都要在校內廣泛宣傳,以增強參賽學生的榮譽感,提高學生的參賽積極性。

實驗中心專門設置了學生實踐工作室,配置各種工具和元器件等,展出部分以前競賽作品,營造出良好的科技創新氣氛。在不影響教學的前提下,所有實驗室和儀器學生都可以學習和使用,已經淘汰的儀器還可以拆解研究,甚至改造加工。通過這些措施,將實驗中心打造成可以自主實踐的創新平臺,參賽學生可以隨時到實驗室,將創新設計逐漸變成現實。

所有參賽團隊都配備一名指導教師,他們都擁有精深的專業知識和豐富的實踐經驗,能夠及時發現并解決實際問題。指導教師的主要職責有培訓、答疑、關鍵節點的審核與指導,以及鼓舞學生士氣與信心。但教師的干預不能影響學生的主體地位,因為這是學生通過課題研究活動拓寬知識、鍛煉能力的關鍵。

結語

大學物理實驗競賽是高等學校培養新時代科技創新人才的有效措施之一,分析大學生競賽準備行為和相應的教師指導活動具有積極意義。研究表明,在不影響學生主體地位的前提下,教師的適度指導和干預,能有效地促進學生在競賽課題研究過程中成長為科技創新人才。高等學校應該重視大學物理實驗競賽,在資金和創新實踐平臺等方面加大建設,為大學生科技創新實踐提供更多的支持。