广州大学物理实验教学模式改革的研究与实践

樊军辉, 徐 伟, 皮飞鹏, 马 颖, 张靖仪, 王洪光, 覃一平

(广州大学 物理与电子工程学院, 广东 广州, 510006)

广州大学物理实验教学模式改革的研究与实践

樊军辉, 徐 伟, 皮飞鹏, 马 颖, 张靖仪, 王洪光, 覃一平

(广州大学 物理与电子工程学院, 广东 广州, 510006)

总结了广州大学物理实验教学模式改革的思路及方案, 实验教学体系建设, 实验教学方法和手段, 教学过程、内容和考核方式等实践过程中的经验和体会. 阐述了实验课程定位与建设理念, 探讨了实验教学方法的创新, 介绍了教学改革所取得成果.

物理实验; 教学模式; 教学理念; 教改成果

基础物理实验是大学生进入大学后首先面对的实验, 对大学生的培养有着非常重要的作用. 随着现代科技的发展, 现代社会对人才的需求, 物理实验在人才培养中肩负着重要历史使命. 物理实验课程改革引起众多学者关注[1-4]. 广州大学物理实验课程始于1958年广东师范学院, 有着悠久的开课历史, 经过多年来的摸索与探讨, 该课程已经取得了一定的教学改革经验与成绩. 主要体现在教学模式、教学体系、教学方法、教学过程、教学成果及其应用等方面[5]. 广州大学物理实验中心是广东省物理实验教学示范中心, 下设5个分室: 大学物理、近代物理、演示开放实验室、综合开放实验以及现代天文观测与技术实验室. 实验室面积达6 000 m2, 可开设实验项目130余项. 其中综合型实验30项, 设计型实验20项. 与实际应用相结合的创新型、应用型实验30个, 综合型、设计型实验占38%, 创新型实验占23%.

物理实验中心面向全校28个专业, 每年完成学生实验的人时数达9.8万. 中心实行全天候开放, 为学生毕业论文(设计)、科研立项、科技创新活动及学生参加各种级别的赛事, 如物理实验大赛、电子设计大赛、挑战杯等各种竞赛活动提供实验活动场所. 近年来培养了一大批在省、国家级实验大赛中获奖的学生.

1 实验教学定位

以培养学生的动手能力、解决问题能力和创新能力为目的, 建设能满足多层次物理实验教学需要, 面向校内外全面开放, 具有鲜明特色的基础物理实验示范中心.

a. 以“加强基础、重视应用、开拓思维、培养能力、提高素质”为指导.

b. 以深化课程体系、教学模式、教学内容、教学方法和教学手段改革为核心.

c. 以建立一支观念新、素质高、能力强、甘于奉献的教师队伍为保障.

d. 以实施科研成果转化为实验教学的可持续发展战略为向导.

2 实验室建设与实验教学改革目标

实验室建设总体目标是: 环境优美, 设备先进, 管理规范, 保障得力, 运行高效、全面开放的物理实验中心. 教学改革的总体目标是: 以演示实验为先导, 激发学生学习兴趣, 以必要的基础性实验为基础, 辅以逐步提高的综合性、设计性、创新性实验, 以多元化的教学模式为途径, 逐步提高综合性、设计性、创新性实验比例, 培养学生的动手能力、科学精神和创新思维.

3 实验教学改革思路及方案

3.1 深化课程体系改革

物理实验中心以“加强基础、重视应用、开拓思维、培养能力、提高素质”为指导思想, 以培养与提高学生的科学实验素质和创新能力为目标, 构建面向全校理工科专业, 模块式、层次推进式、开放式的物理实验教学体系. 新的课程体系使物理实验课设置由浅入深、由简单到复杂、由模仿到设计, 逐渐加深学习内容、增大实验的深度、广度和难度, 以及综合运用学习技能的能力, 符合认识规律和教学规律.

3.2 优化实验教学内容

在实验教学内容改革中, 强调教学内容更新和实验时间的开放性, 加强必修课, 引入选修机制, 以满足不同专业和不同层次学生的需求. 增加综合性、设计性和课题性实验比例. 现代科技的发展推动了知识的更新, 对人才培养提出了新的要求, 也对物理实验课提出了新的要求[6]. 所以, 在原有基础上补充一些代表现代物理学发展的实验内容、实验方法和技术, 如: 扫描隧道显微(STM)原理与应用, CCD原理及应用等.

3.3 重视实验课对学生能力的培养

实验室是学生创新精神培养的重要基地之一. 我们建立了内容丰富、实用性强的物理实验中心教学网站, 在完成实验教学大纲规定的实验教学的前提下, 改革实验教材、教学内容和实验教学方法, 增设了一系列带研究性的小课题实验和综合性实验, 鼓励学生申报学生科研课题; 成立指导老师小组, 学生可以及时得到专业指点; 要求学生利用计算机处理实验数据, 既提高实验数据处理精度, 也提高了学生计算机的应用能力; 提倡和鼓励学生了解最新的成果, 勇于面对科学问题, 勇于探索和创新.

3.4 鼓励教师将科研成果转化到实验教学中去

近年来物理实验中心坚持培养与引进相结合、专业与基础相结合、教学与科研相结合的做法, 形成了一支稳定的、结构合理的实验教学和实验技术核心队伍. 鼓励教师将科研成果制作成教学软件, 成为教学内容的一部分, 也鼓励教师指导学生编写辅助教学软件, 鼓励教师将研究成果应用于实验教学. 如“氢原子光谱中的线形分析”这一研究成果应用于了实验教学[7], 既深化和扩充了教学内容, 也提高了学生对原子发光和原子光谱的认识. 应用我们在天文观测和数据处理方面一些成果, 指导学生利用光谱对大气二氧化碳浓度进行分析, 让学生利用国际上天文数据库对天体光谱进行分析处理等等.

3.5 建立适合本校特点的、开放的实验室管理体系

实现实验室由封闭型向开放型转变, 做到实验全天候开放, 学生自选实验项目或课题, 也可以将自己的科研课题带入实验室. 学生可以自由组合实验(科研)小组, 通过网上预约、选课系统自主选择实验时间.扩大了实验的容量; 促进了学生团队精神的培养; 满足了不同学科、不同专业学生对物理实验的要求; 提高了仪器设备和实验室的利用率; 推动了实验管理水平和教师工作积极性和主动性的提高.

4 实验教学体系建设

传统物理实验课程体系是按普通物理(力、热、电、光)和近代物理实验分别安排的封闭体系, 我们忙改革了传统教学体系, 建立了实验课程独立发展的新体系. 新体系的中心思想是: 建立以学生为主体, 教师为主导, 分层次、模块化、点面结合、全面开放的物理实验教学体系. 将物理实验课程分为5级, 分别为:基础物理预备实验, 基础物理实验, 综合性、设计性物理实验, 近代物理实验, 创新实验.

a. 基础物理预备实验: 4～10个实验项目, 理工学生必做. 强调基本仪器使用, 基本物理量的测量,学生自己选择项目, 且独立根据教材完成实验.

b. 基础性物理实验: 10～20个实验, 理工学生必做. 强调基本实验技能的训练、基本测量方法的应用、实验数据处理和误差分析能力的培养等. 涉及普通物理和近代物理的各知识点实验, 为普及性实验.

c. 综合性、设计性物理实验: 5～10个实验. 理科学生必做, 工科学生选做. 逐步加大综合性和设计性实验的比例和难度, 学生需通过一定的努力方可完成实验. 这样可增强学生的自信心, 激发学习主动性,达到在主动学习中提高学生的思维和创造能力的目的.

d. 近代物理实验(研究性实验): 物理师范专业学生必做, 其它专业学生选做. 面向物理学各专业和全校非物理类理科学生开放. 实验分为近代物理实验和高等物理实验两部分, 以适应21世纪实验教学的需要. 如, 扫描隧道显微镜实验、稳态核磁共振实验等. 应用物理实验技术与方法课程作为对物理实验有浓厚兴趣、学有余力的优秀本科生选修课程, 有利于因材施教.

e. 创新实验项目: 理工科学生选做. 面向全校各专业开放, 培养优秀学生, 为各种课外科技大赛储备力量, 这部分实验为选修, 纳入开放实验管理, 同时进入电子创新基地培训(这方面也是我们实验中心的特色). 实验内容以科研项目为主题, 组织若干个围绕物理实验的小课题, 以提升学生研究能力和培养创新精神为目的. 目前固定研究方向涉及 4个方面: 微波等离子体制备纳米材料及光谱特性研究; 气敏传感器制备; 激光和光电子技术及应用; 天文观测研究.

5 实验教学方法和手段

改变以实验课程为主的管理和教学的方式, 实行以实验项目为主的管理和教学方式. 实行项目管理和教学, 主要有如下几个方面优点:

a. 能让更多高水平教师参与实验教学. 教师承担自己所熟悉领域的几个实验项目的教学, 甚至将学生纳入到自己的研究项目中实施实验教学, 实验教师的整体素质得到了极大地提高.

b. 能让实验教师有更多精力从事实验教学的研究. 实验教师主要专注几个实验项目, 教学过程即是对实验项目的研究, 因此, 会产生更多的实验教学成果.

c. 能将先进技术和方法应用于实验教学: 将科学研究和工程技术中的先进方法和技术手段即时渗透到物理实验课程中去, 使物理实验教学更贴近科技研究前沿. 引入先进的实验方法和技术手段深入探究物理现象和规律, 提高学生科学精神、实验素养和创新能力. 另外, 新技术的应用, 也大大提高了学生对物理实验的兴趣, 并对后继专业实验课的学习有很大帮助.

d. 能满足不同专业和不同年级学生的需求. 学生可以根据自己的实验基础, 自己的兴趣、爱好和专业特点, 自由组合, 选做一些不同难度的实验项目或课题, 使学生的专业特点、个人兴趣爱好得到发挥, 充分体现因材施教的教学原则. 使实验教学变“要我做实验”为“我要做实验”[8].

e. 能充分利用网络资源. 学生首先通过网络在实验中心网站选择实验项目, 了解网络资源, 通过虚拟实验室预习要做的实验项目, 并可以通过网络实现在线交流和提交实验报告.

6 教学过程、内容和考核方式

物理实验是大学生进入大学后的一门重要实验课, 对后续实验课程影响很大. 因此, 教学过程和内容必须规范, 明确学生要掌握的内容, 强调基本实验仪器的使用, 基本实验技巧的运用, 掌握实验数据处理的基本方法及实验报告的书写.

实验教学讲解的重点是实验基本原理, 可能用到的基本技术等, 而不应将过多时间用于教学生怎样使用仪器, 学生可通过预习或示教设备熟悉仪器使用.

教学过程中遇到学生质疑实验数据偏差, 教师应正确引导学生寻求原因, 培养学生分析和解决问题的能力. 让学生知道许多重大发现正是从这些看似“偏差”的实验结果中得到的.

大学物理实验是选修课, 有的学生对该门课程重视度不够高, 必须建立考核制度. 大学物理实验涉及班级和学生人数众多, 全面实操考核有困难, 因此, 我们采用了中国科技大学大学物理实验考试系统, 对获得良好以上成绩的学生再进行实操考核, 实操考核成绩作为推荐参加校及省实验大赛的依据.

7 取得的成绩

近年来, 我们的实验课程改革和实践, 取得了一些可喜成绩.

a. 实验室建设新发展. 建成了物理实验省级示范中心, 加强了“天文观测与技术”实验分室的建设; 建立了广州市现代天文科普基地; 建成了广州市重点扶持实验室和广东省高校重点实验室, 该实验室将与国家天文台加强合作, 提升实验室建设的水平, 打造人才培养平台.

b. 学生课外活动成绩显著. 近3年来, 学生参加各级科技竞赛, 获国家级、省级奖60多项, 其中国家级一等奖3项, 省级一等奖11项.

c. 推动了教学改革. 《大学物理》为广州市精品课程, 物理学为广州市名牌专业;《基础教育新课程理念指导下的物理学专业教育实践环节的改革与实践》获得了广州市教学成果一等奖; 出版了《大学物理实验》, 《近代物理实验》, 《简明天文学教程》等教材, 发表教改论文12篇.

d. 促进了学科建设. 近3年, 实验室老师积极开展科学研究, 完成国家自然科学基金重点项目1项, 主持国家自然科学基金 7项. 获得了天文学一级学科硕士点, 天体物理广东省珠江学者特聘岗位. 获得广州市科技进步一等奖和教育部自然科学二等奖各1项. 2010年天体物理团队被评为广东省“千百十工程”第四批先进团队.

e. 加强了人才培养. 为了培养学生的实验技巧和科研能力, 教师利用节假日辅导学生开展多种形式的探究活动, 并鼓励学生参加在省内召开的国际和国内学术会议. 以学生为第一作者的论文在国外 SCI刊物发表, 6名本科生获得中国科学院国家天文台奖学金, 多人考上中国科学院国家天文台、中山大学等科研院所硕士研究生. 教师获聘珠江学者1人, 羊城学者首席科学家1人, 全国五一劳动奖章获得者1人.

f. 扩大了对外交流. 2010年主办了“Multiwavelength Variability of Blazars”国际会议, 2011年承办了教育部“物理学与天文学教学指导委员会”会议和粤港澳物理研讨会. 近3年, 5人次在国际会议作邀请报告,接待了来自美国、英国、意大利和印度的访问学者, 并与意大利帕多瓦大学达成协议进行高层次人才培养.

8 结束语

物理实验系大学生进入高等教育后的第一门实验课, 其教学的好坏对学生后续课程影响较大. 我们团队一直致力于物理实验教学模式改革, 并通过这个改革和实践提高了学生参与实验的积极性、实验水平和创新能力, 促进了教学、科研、学科建设和实验室团队建设, 取得了一批教学、科研和学生活动的成果, 扩大了实验室的影响.

[1] 霍剑青, 王晓蒲, 杨旭.“大学物理实验”精品课程的建设思路与教学实践[J]. 中国大学教学, 2004(11): 19-21.

[2] 梅孝安, 苏卡林, 周菊林; 等. 大学物理实验教学创新改革研究[J]. 大众科技, 2009(4): 175-176.

[3] 刘小兵, 廖家欣, 任鹏. 关于基础物理实验教学改革的几点思考与建议[J]. 实验教学与仪器, 2004, 1: 5-7.

[4] 杨振萍, 罗晓琴, 邓先金. 工科基础物理实验课程教学改革与实践[J]. 大学物理实验, 2010, 23(2): 91-93.

[5] 徐伟, 梁铨廷, 吴智量. 物理实验教学改革探索[J]. 广州大学学报: 自然科学版, 2003, 2(3): 291-294.

[6] 高立模, 王玉芳, 李川勇, 等. 在实验物理建设中深化近代物理实验教学体系的改革[J]. 物理实验, 2002(7): 21-24.

[7] 徐伟. Ha线形分析[J]. 物理实验, 1997(7): 1360.

[8] 周岚, 王伟, 朱蜀梅. 物理实验开放式教学的探索与实践[J]. 大学物理, 2002, 10: 45-48.

(责任编校: 江 河)

The teaching model for physics experiment in Guangzhou University

FAN Jun-hui, XU Wei, PI Fei-peng, MA Ying, ZHANG Jing-yi, WANG Hong-guang, QIN Yi-ping
(School of Physics and Electronic Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

The ideas and programms for the evolution of teaching model was summarized in physics experiment, and the practical experience and feelings in the construction of the teaching system for experment, the methods of experment teaching, teaching process, treaching contents and the test methods. And the orientation and the construction ideas were elaborated for the experiment courses, the inovation was explored for the teaching methods of experiment, and the results in our reformation for teaching was discussed.

Physics experiment; teaching model; teaching idea; results in the reformation for education

G 642. 423

1672-6146(2012)02-0078-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2012.02.019

2012-04-28

广州大学“物理实验教学模式改革的研究与实践”教学成果培育项目; 广州市《大学物理》精品课程项目; “广州市现代天文科普基地”.

樊军辉(1965-), 男, 教授, 博士生导师, 研究方向为天体物理. E-mail: fjh@gzhu.edu.cn