建立实验室开放平台,培养大学生的创新能力

梅忠义 石 凯

(合肥工业大学应用物理系,安徽合肥 230009)

建立实验室开放平台,培养大学生的创新能力

梅忠义 石 凯

(合肥工业大学应用物理系,安徽合肥 230009)

实验室开放与大学生课外创新活动相结合,弥补了各自的不足,形成了优势互补.通过开放实验室,组织大学生开展设计性和研究性实验,自制仪器、维修设备、编制CAI课件、参与教师的科研项目等课外创新活动,有效地提高了实验教学质量,发展了学生的兴趣爱好和特长,提高了学生的实践能力和创新能力.

开放实验室;大学生;课外创新活动;认识;实践

实验室是培养创新人才的摇篮,是现代大学的心脏[1].从科学发展的角度看,人们在认识自然、改造自然所进行的各种科学实验中,造就了一批又一批科学巨匠,给人类进步带来美好的希望.事实证明,实验室从来就是历史上许多重大技术革命的发源地.因此,如何加强高校实验室的建设,是一件具有现实意义的事情.近年来,各高校已逐渐实行了实验室开放,这样既有利于充分利用实验室的空间和资源,又有利于学生自主地进行实验活动,自主安排学习的时间,从而调动和激发学生学习的主动性和积极性.

1 对实验室开放必要性的认识

1.1 实验室开放是实施素质教育的必然要求

在传统实验教学中,实验教师是传授知识和技能的主体,而学生则被动地接受知识和技能.这种教学多采用灌输式,其实验课题的选择,仪器设备的准备等都由实验教师进行.实验前,实验教师一般要进行详细讲解,甚至操作示范;同时实验教材又把实验原理、步骤,甚至某些实验现象都写得一清二楚.实验时学生只需按规定的步骤机械地操作即可.实验内容还具有理论验证性和单一性的特征,使学生失去了想象空间和思维的空间.学生在规定的时间内,只需动手完成实验讲义上的步骤,记录实验测量数据,然后下课.这种教学模式严重阻碍了学生学习的积极性、主动性、创造力,已经不能适应培养高素质人才的要求.

因此,必须对当前的实验教学进行彻底改革,使之适应我国教育事业的发展和高素质人才培养的需要.素质教育是一种理念,是一种教育思想,它本身不能直接作用于教学活动,必须依托有效的载体,只有把素质教育这一理念贯穿于教学活动中,才能真正有效地实施素质教育[2].在实验教学中实施素质教育的一个重要措施就是开放实验室,开放实验室可以为学生提供一个自由发展的空间,充分发挥学生之间协作攻关的潜能,使他们在知识、能力、情感和价值观等方面得到全面的发展,特别是对于纠正传统教育对人的发展所带来的一些弊端,适应现代社会对人才综合素质的需求具有重要作用.

1.2 实验室开放能体现“以学生为本”的教育理念

传统的实验教学根据统一的大纲要求,用统一的教材、统一的进度和同一的教学方法,很难体现“以学生为本”的教育理念.这一问题反映在两个方面:从时间安排上来看,全班同学在同一时间段内,在同一地点,进行同样的实验,这样对于基础较好的学生可能会有比较富余的时间,而对于原有基础薄弱或动手能力差的学生就可能无法按时完成任务.从实验内容安排上来看,存在同样的问题,基础好的学生“吃不饱”,而基础差的学生却“吃不了”.学生在规定的时间内完成规定的实验任务,没有给学生留有完成其他感兴趣环节的时间.另外学生突发灵感,或对某件事很有兴趣时,没有给他们提供施展的场所.这种规定内容、规定时间的教学模式就很难培养出新时代所需的人才,而实验室开放后,学生进入开放实验室,就可以根据自己的实际情况自愿、自由、自主地进行不同层次的实验,从而使每个学生在各自的小天地里获得成功.

1.3 能够变学生的“被动学习”为“主动学习”

大学生思维活跃,容易对某些传统理论提出质疑,特别愿意多做一些有自主思考价值的实验.开放实验室可以最大限度地满足学生这种需求,给学生创造自主地进行实验活动的环境,可以将学生的“要我做实验”转变为“我要做实验”.在开放的实验室中学生的主体性得到了充分的尊重,学生的主体地位体现在他们不是被动地接受知识,而是主动地学习和运用知识;学生可以参与从活动设计到评价的全过程,既是学习者也是活动的组织者.教师的作用主要是向学生提供必要的指导和建议,师生之间指导与被指导的纵向的单向交流,为学生与学生之间的互相促进的多向交流关系所取代.学生可以运用所学的知识,自己设计实验题目,实验内容、实验条件、实验步骤,进行创新研究和探索.因此,学生不会感到枯燥无味,而感到探索的奇境其乐无穷.

1.4 实验室开放是培养学生创新能力的重要举措

创新教育是现代教育的根本要求,每一个大学生都有创新的潜能,关键是要开发和培养.事实表明:只有在一个宽松、积极主动的条件下,学生才能迸发出智慧的火花,被动式的教学方式只能使学生机械地接受知识[3].开放实验室,开展课外创新活动,能为学生提供一个发挥个人潜能的广阔空间,不仅有利于学生将理论知识与实际应用结合起来,而且也使学生在实验与制作的过程中对生产过程有更深的了解,对现代工程师应具有的能力与素质有了更深的认识.在这些活动中,学生必然会碰到许多新情况、新信息、新问题,使思维处于非平衡状态,这就要求学生必须进行创造性加工,即在新情况、新信息、新问题的冲击下,对旧的知识经验进行选择、重组、改造,从而产生新思想、新行动,使思维从旧的有序到新的无序再进入到新的有序状态,这时的思维过程体现出很强的独立性、综合性、新颖性和灵活性,而这些正是创造力所具有的特性.

2 基于实验室开放平台,培养学生创新能力的实践

开放实验室,并不是简单地将实验室的门打开,将实验时间延长,而是应该有利于培养学生创新意识和实践能力,这是实验室开放的本质要求.即实验室开放不能仅作为一种形式,除了按规定的开放时间安排指导老师、提供设备外,还应将实验室开放工作与学生科技活动相结合.学生科技活动开展存在制作场地、仪器设备、指导老师等方面问题,而实验室的开放就可以解决这些问题;同时学生科技活动的开展又解决了实验室开放期间冷冷清清、学生寥寥无几的现象.因此实验室开放与学生科技活动相结合,弥补了各自的不足,形成了优势互补[4].为了充分发挥实验室的育人作用,满足不同层次学生的需要,我们在开放实验室中采取了以下多种形式:

2.1 设置预备性实验

笔者曾对我校新生的物理实验基础进行过抽样调查,在回答“在中学阶段,物理教材上的学生分组实验你都亲自动手做了吗”这一问题时,仅有34%的学生反映全部或多数实验都做了,有59%的学生反映较少做实验,还有7%的学生反映一个实验都没做.可见来自于不同地区和学校的新生物理实验基础严重参差不齐!为了给中学物理实验基础较差的学生提供补课的机会,我们在开放实验室中设置了预备性实验,实验项目由一些在中学物理知识基础上可进行的部分传统实验改造而成,如薄透镜焦距的测定、电表的改装等,内容源于高中物理,但又高于高中物理,很受学生们的欢迎.

2.2 开放基础性实验

基础性实验是培养学生实验技能的重要一环,通过这一环节的训练,可以使学生牢固掌握实验的基本理论和方法,培养学生严肃认真、实事求是的科学态度,形成良好的实验操作技能和心智技能,是培养学生创新能力的基础.为了加强学生们的基础实验训练,我们将教学大纲规定的全部实验项目都面向学生开放,并安排教师或实验技术人员到场进行指导,每天10小时,学生可随时进入开放实验室,为他们的实验预习、复习、实验技能训练提供良好的条件.

2.3 完成真正意义上的设计性和研究性实验

设计性实验是指根据给定的实验题目和要求,由学生自己设计实验方案、选配实验仪器、拟定实验步骤,并独立完成全过程的实验,是对今后进行工程设计的模拟训练过程;研究性实验从查阅资料、确定研究课题、制定实验方案、实施实验过程、记录实验结果、分析实验数据,一直到按照研究论文的形式撰写实验报告等整个实验过程中,都是在教师的指导下由学生按照科学研究的方式进行的,一个研究性实验就是一个微型科研项目.

近年来,国内在实验教学改革方面进行了许多有益的尝试,包括我校在内的一些高等学校在实验教学中也设置了一些设计性或研究性实验项目,但由于受到每个实验的教学时数太少(仅3学时)和教学模式单一(仅为课堂教学)的限制,最终效果还是不够理想,甚至仍将这些实验开成了验证性的或测定性的.而在开放的实验室中进行实验设计和实验研究,学生就会有足够的时间进行查阅资料,设计方案、实验操作、互相启发和讨论,才能完成真正意义上的设计性和研究性实验.例如,“金割效应物理摆”是我校物理实验室的自制仪器设备,是应用黄金分割法对物理摆进行设计和研究的国家专利产品,曾作为研究性实验对学生开出.但由于前面所述的原因,仅仅在课堂教学3学时内,学生只能完成一些基本测量,大量的研究性工作根本无法进行,实验开设的效果只能相当于一个测定性实验.然而在开放实验室的情况下,由学生组成的研究小组就可以对该实验进行深入细致的研究,他们不仅应用黄金分割法优选出物理摆周期的极值,而且还深入研究了物理摆的多项特性,设计并完成了许多实验研究方案,如利用该物理摆探究系统的质量分布与周期的变化关系、验证转动定律与平行轴定理、测量转动惯量和重力加速度等.学生们的一些研究成果也陆续发表在相关学术刊物上.

2.4 设计和制作新的实验仪器设备

自制教学仪器设备是教学活动中永恒的课题.同时,自制教学仪器本身就是一项创新活动.在开放的实验室中组织学生参加新的实验仪器设备的制作,能够为学生提供一个很好的创新情境.例如为了解决大学物理实验中激光光源不稳定的现象,学生在教师的指导下自行设计制作了“激光精密测试平台”,从一开始的电源部分,模拟、数字电路部分,到激光管部分等每一步都由学生进行精密的模拟设计和测试.为了做好平台的电源部分,学生们还去了有关变压器公司亲自绕线生产,一次次地进行试验,亲自去电子产品公司购置各种元器件,测试各自的性能.通过自制教学仪器设备的活动,有效地提高了学生的创新能力和实践能力.

2.5 制作计算机辅助实验教学课件

随着信息技术的飞速发展,以计算机技术和网络技术为核心的现代多媒体技术已开始在教育领域中广泛应用,为实验教学提供了丰富的课程资源.但是从外面购买来的计算机辅助实验教学课件往往并不适合本校实验仪器和学生的特点,而自己编制则需要花费较多的人力和精力.在开放实验室的情况下,学生就可以在教师的指导下,根据本校实验教学和仪器设备的具体情况,参与编制各种计算机辅助实验教学课件,如各种数据处理软件、模拟实验软件、仿真实验软件、计算机实时数据采集和处理系统等.通过这些活动,既巩固了学生的理论知识、操作技能和计算机应用能力,又有效地推动和改善了实验教学.

2.6 维修实验室的仪器设备

实验室存放着许多年久失修、精度较差的各类仪器,例如:万用表、电流表、电压表、示波器等.为了培养学生的能力,我们有意识地让学生参与仪器设备的维修.在教师的指导下,学生首先在基础测试实验中发现这些仪器的问题故障所在,然后针对问题思考讨论、分析判断给予相应的解决方案,并在教师的指导下亲自动手排除故障.通过拆、修等实践环节,使学生对相应理论和原理有了更深的领悟与理解,更加熟悉了常用仪器的使用方法和操作技能,很好地培养了动手能力及独立解决问题的能力.例如:通过对示波器的维修,学生就能对示波器的基本原理、基本结构以及各项特性等都烂熟于心,做到了实践动手与理论知识的完美融合.

2.7 参加教师的科研项目

许多老师都主持一些需要进行实验研究的科研项目,期望得到助手的参与和帮助,而学生又迫切希望参加科学研究活动.开放实验室为他们提供了极好的机会.在开放的实验室中,老师可以将课题分成许多小块,学生成立几个研究小组,让学生投身科研第一线,在教师的指导下完成查阅资料,制定方案,实验研究,总结论证的全过程.学生们对这项内容的兴趣极为浓厚,实验室一位教师主持的单片机控制系统的研究项目,原准备吸纳几位同学参加,可报名的就有50多名.学生在实验室参加教师的科研项目,使实验室在培养学生创新能力上发挥了作用,为大学生提前进入科研领域提供了条件.而且学生在参与教师科研课题的同时,也申报并获批了一些自己主持的创新型实验研究课题,例如:应用于铁、铜等金属的金属探测传感器的研究;实验数据采样处理集成系统制作;研究性和设计性物理实验的探究;红外线传送与接收系统等,这些项目在老师的指导下,利用实验室提供的设备及场地进行研究,在很大程度上丰富了实验室开放的内容.

3 收获与体会

实验室的开放为学生提供更多进入实验室学习和实践的机会,开展课外创新活动更容易突出学生学习的主动性和张扬学生的个性,有利于发挥学生的潜能[5].这既是课堂教学的补充发展,又是学校培养创新型人才的重要渠道.我们深刻体会到:通过这些活动,学生不仅学会了实验研究的基本程序,更重要的是学会了科研工作严谨、求实、创新的精神以及观察事物、解决问题的科学方法,使学生的个性、特长、创造力等方面有了发展的空间,同时也提高了校园文化的品位,促进了学风、校风的建设.

总结开放实验室、开展大学生课外创新活动的经验,我们看到,这项活动的开展,不仅培养了学生的各种能力,而且在学生的科学态度、价值观念、学习兴趣和坚定的意志等方面的培养也起到了重要的作用,而这些对于学生来说,不管他们明天的职业如何,都是非常重要的,因为这意味者他们是在吸取科学研究中层次最高、最具迁移价值的那一部分财富,将会长久地影响着学生未来的事业和生活.

[1] 冯端.实验室是培养创新人才的摇篮[J].实验室研究与探索,2008,(10):1～5

[2] 刘华东,韩红江.开放实验室构建实验教学新体系[J].中国高等教育,2003,(13、14):30～31

[3] 付争兵.建立开放式实验室的必要性及其管理模式探讨[J].实验室研究与探索,2008,(3):126～127

[4] 刘红.实验室开放与学生科技活动相结合探讨[J].实验科学与技术,2008,(1):80～82

[5] 于文梅.大学生课外创新活动开展现状与对策探讨[J].黑龙江高教研究,2005,(1):115～117

INNOVATIVE ABILITY CULTIVATION OF STUDENTS BASED ON LABORATORY OPENING PLATFORM

Mei Zhongyi Shi Kai
(Department of Applied Physics,Hefei University of Technology,Hefei,Anhui 230009)

The combination between the laboratory opening and the extracurricular innovation activities of the students has made up the respective lacks and complemented the advantages by each other.The experimental teaching quality has been promoted by means of the physics laboratory opening,the organization of designed and investigated experiments,the instruments self-making,the facilities maintenance,the CAI courseware programming and the project participation.Additionally,the interests and specialties of college students have been developed.Abilities of the practice and innovation of students have been improved as well.

laboratory opening;college students;extracurricular innovation activity;cognition;practice

2010-01-25)

梅忠义(1956年出生),男,安徽宿州人,合肥工业大学应用物理系实验中心主任,副教授,硕士生导师.