基于课题型的研究性实验教学模式探索与实践

陈 森，张师平，吴 平

(北京科技大学 数理学院，北京100083)

0 引 言

科学实验是科学理论的源泉，是自然科学的根本，也是工程技术的基础，物理实验课是高等院校对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程［1-2］。在实验教学中，如何培养学生的科学实验素养形成、我们进行了许多教学改革尝试与实践。在一二年级本科教学阶段，一直坚持在大学物理实验中推行自主性、研究性实验教学，总结出了一套操作性较强的可以在面向几千名本科生大面教学上实施的贯穿研究性思想的教学新体系，在实验教学过程中取得了显著成果，并积累了丰富的教学经验［3-12］。随着学生知识、实验技能的提高，对科学实验能力的培养提出了更高的要求，为了探索适合于具有一定实验训练基础的高年级本科生研究性物理实验教学新模式，结合北京科技大学应用物理系的学科优势和物理实验课程组教师多为教学与科研双肩挑的师资优势，在物理实验教学中，提出了基于课题型的研究性实验教学新模式，从课题选择、教学组织、成绩评定等方面入手进行了一系列改革尝试。模拟科研环境，以更贴合现代科学研究和高新技术的研究性实验，激发学生主动学习和主动探索的积极性，培养和锻炼学生的科研能力与创新意识，使学生掌握以后从事科学研究的基本方法和思路，对于拔尖创新人才培养具有重要意义。

1 课题型实验教学的特点

课题型实验教学是为学生搭建一个开放的实验平台，模拟科研环境，在教师指导下，以课题小组为单位，综合应用已经学习过的实验知识、方法、技能以及所用过的实验仪器和设备，完成综合性的研究课题，把学习过程更多的成为学生发现问题、提出问题、思考问题、分析问题、解决问题的训练过程。重在培养学生的研究型科研思维和对学术规范的掌握，同时强调对学生个性化的尊重，注重学生的自由发展，学生成为知识的主动建构者，教师成为教学过程的组织者、指导者，能力的培养贯穿于教学的各个环节［13-15］。每一个课题型实验都可以让学生经历一个从文献阅读、具体研究问题的提出、研究方案设计、实验、分析讨论与总结的完整的研究过程，并在这个过程中掌握各种相关的仪器设备与测试方法的原理与使用。这样，既培养了创新精神和团队精神，又能够使其系统地整合所学的实验、理论知识，提高知识应用能力。

2 课题型实验的选题

研究性课题的恰当选择是达到预期教学目标的关键，课题的选择必须注重实验的科学性、先进性、前沿性、可行性，要处理好几种关系:①以学科建设和发展为基础;②充分利用教师科研优势;③结合科研前沿，对当前科学研究技术发展的前沿课题进行调研，提炼出反映学科发展和热点的研究性课题，以极大地激发学生主动探索与发挥的兴趣和积极性;④实验教学内容与科研、工程、社会应用实践紧密联系起来，形成良性互动;⑤考虑高年级本科生的知识水平和实验技能，每一课题的研究目标和内容，既要给学生留下大的发挥空间，课题难度又要恰当不至于使学生难于上手;⑥实验中所涉及的内容、实验方法、测量仪器的原理与使用、实验测量数据的分析以及相关技能等与学生未来的工作和就业适当接轨，有助于学生未来的研究工作和就业;⑦课题内容也可以由学生根据自己的兴趣阅读大量文献资料与指导老师讨论后确定。例如，我们从长期所做的科研课题中提炼出的一些研究性实验课题:磁电阻薄膜制备与磁电阻特性研究、梯度薄膜的制备与应力研究、透明电极材料电学性质的研究、高K 介电薄膜材料介电特性研究、陶瓷薄膜材料的制备及电绝缘特性研究等等，这些选题也是近年来物理、材料研究领域倍受人们关注的问题。每个课题要求学生完成从薄膜样品制备到一系列物性分析，最终完成一篇科研小论文。课题内容具有前沿性、综合性、开放性、复杂性。①前沿性:有很多可以进一步研究的内容，学生体会科研进展，尝试查询科技文献。②综合性:设计到多个方面的物理内容，学生要对物理概念、物理因素进行选择、比较。③开放性:自己搭建系统、寻找关注点，学生需要尝试多种实验设备、技术、方案。④复杂性:实验结果存在差异，影响因素较多，迫使学生对实验结果进行分析和探讨。

3 课题型实验教学组织

为了保证课题型教学模式更好地实施，必须精心策划教学组织过程，注重对学生科学研究方法和科研能力的训练和创新意识的培养。

以小组团队协作方式进行，充分发挥学生的自我管理、自我完善能力。课题由组长负责组织实施，小组分阶段与教师进行研讨，明确各阶段课题所要掌握的理论知识和结合课题所要完成的实际内容及要求，组员分工协作，发挥每个人在小组中的特长，既独立完成各自的任务，又要共同协调相关问题，培养他们的独立性与责任心、交流与合作能力。

实验室每周定时开放，给学生提供最好的科学实验环境，利用实验室现有通用、开放实验平台搭建实验系统，完成数据测量，实验分析。

教师分阶段指导、检查课题完成质量和进行综合讲评，在每周规定的时间内各协作小组作交流报告，讨论解决实验中遇到的难点问题，最后按照时间要求完成报告论文和答辩。

我们在实验教学中，引入一种基本思维方式。即“文献观点—相关条件—现实条件—新的观点”思维方法。学生根据课程要求、拟研究课题内容、日程安排，查找文献、确定实验方案、完成实验、分析总结、成果展示。表1 给出了一个具体案例［16］。在这一过程中注重培养学生文献收集能力，提出和分析问题的能力，成果展示能力，形成批判性、创造性的学习习惯。同时，在教学过程中还有助于潜移默化地进行人格培养，包括求真务实的态度、坚韧不拔的毅力和团结合作的精神。

这样的教学组织形式使教学活动始终围绕着学生进行，使学生由知识的被动灌输者成为知识的主动建构者。让学生经历一个课题研究全过程，包括选题，开题，准备，研究过程实施，数据处理分析，总结，报告论文，答辩等环节。学生在一个较长时间段内处于一种专业科研的氛围之中，在学生满怀兴趣的探索过程中，学习了科研的方法，经历了科研的训练，培养了科学的精神，具备了基本的科研实验能力。

表1 课题型教学具体案例

4 课题型实验考核评价方式

传统的考核模式是以“单一试卷+实验报告”的考核方式，只能在认知方面考查学生学习到的书本知识及运用这些知识解决书面问题的能力，而不是分析解决实际问题的能力，缺乏对学生的多元化、个性化和动态化的全过程评价［17］。课题型实验教学要求对传统的评价方式进行改革，建立一种“全过程—多方式—立体化”评价体系，更确切、客观、全面地评定学生的学习能力。我们在建立新的评价体系时考虑以下原则:①强调能力，主要考核学生发现问题、分析解决问题的能力、科研思维的能力、团队协作能力、成果展示的能力;②强调创新，考查学生在实验过程中的发散性思维;③强调新思路、新观点、新方法。具体操作层面就是从学生选择课题难易、文献总结、实验方案、仪器搭建、实验操作、数据处理分析、报告论文、答辩等各个环节开展“全过程—多方式—立体化”评价给定实验总成绩。每协作小组学生采取自评和互评相结合的方式，每位学生对自己和小组其他成员根据在完成课题时的贡献大小分别排序。最后，指导教师综合每个学生排序情况、平常表现等各个方面确定个人成绩。

5 课题型实验教学实践

基于课题型的研究性实验教学，已在我校三年级学生物理实验教学中实施多年，每年大约有50 多名本科生参与，实践结果表明，所提出的教学模式大大提高了学生的综合能力，尤其是学生的学习主动性、科学研究意识、社会能力得以提高。转变了教师的教学方式和思维方式，并促使师生关系进入良性互动状态。同时，要求教师本身必须具有较高的职业能力和渊博的学识。另外，在这种教学模式中，师生接触多，需要教师付出更多的时间，教师的职业道德和工作作风等都将直接影响到学生的做事态度。

在2010 年、2011 年北京市大学生物理实验竞赛中，有两组同学完成的实验研究论文荣获三等奖，在2011 年全国高校物理基础课程教育学术研讨会上，由本科生撰写的论文“薄膜厚度对Co90Fe10薄膜电特性影响的研究”获得“会议优秀论文奖”，他们的选题均来自于所做的课题型实验。2011 年学习过课题型实验的部分同学，在申请出国和保研以及参加北京大学夏令营、中科院研究生院暑假学校时，均介绍了他们在基于课题型的研究性实验中所做的工作和收获，他们的实验能力和科学素养得到相关老师的认可，有5 名同学获得北京大学研究生免试资格。同时，经过几年的实践探索，在原有的实验指导讲义基础上，编写了配套理科物理实验教程。

另外，在世界银行贷款、国家维修与购置项目及学校自筹资金大力支持下，经过多年的“211 工程”、“国家工科物理课程教学基地”和“北京市物理实验教学示范中心”建设，物理实验教学中心实验室现有环境、硬件设施满足课题型实验教学的条件，为我们进行基于课题型的研究性实验教学模式探索与实践提供了强有力的保障。

6 结 语

基于课题型的研究性教学尚处于探索阶段，在教学实践中还有一系列的问题需要深入研究。我们围绕物理实验教学进行了相关方面的一些探索与实践，希望找出一条更适合于创新能力培养的新途径，吸引更多的学生能够参与到这种实验教学中来，使更多的学生从中受益，力图在以下4 个方面有所创新:①在理念上，引入科研思维训练的教学理念;②在内容上，体现科学性、先进性、前沿性、可行性;③形成适合课题型实验教学的方法体系;④建立一种“全过程—多方式—立体化”评价体系。

［1］ 吴 平，刘 云，邱 宏，等. 以学科为依托，建设物理实验教学示范中心［J］.实验技术与管理，2006，23(3):5-7.

［2］ 陈汉军，姜向东，邱春蓉，等.个性化大学物理实验教学的探索与实践［J］.实验室研究与探索，2010，29(2):113-116.

［3］ 陈 森，吴 平，赵雪丹，等.普通物理实验研究性教学体系的构建［J］.大学物理实验，2012，25(6):109-111.

［4］ 刘 云，弓爱君，邱 宏. 自然科学基础实验中心建设与探索［J］.实验室研究与探索，2007，26(7):83-86.

［5］ 丁红胜，董军军，吴 平. 综合性设计性实验的教学思路探讨［J］.大学物理，2007，26(5):44-47.

［6］ 吴 平，邱 宏，赵云清，等.低真空条件下制备的银薄膜的电阻率特性及结构［J］.物理实验，2007，27(3):3-6.

［7］ 邱 宏，吴 平，李腾飞，等.透明电极薄膜的制备及其电阻率测量普通物理实验［J］.实验技术与管理，2007，24(2):25-28.

［8］ 吴 平，邱 宏，黄筱玲，等.金属薄膜制备及物性测量系列实验［J］.大学物理，2006，25(5):39-41.

［9］ 黄筱玲，田 跃，邱 宏，等.将溅射镀膜及薄膜生长动态监测技术引入普通物理实验［J］.物理实验，2005，25(5):28-30.

［10］ 邱 宏，吴 平，王凤平，等. 把“四探针测量金属薄膜电阻率”引入普通物理实验［J］.大学物理，2004，23(5):59-42.

［11］ 吴 平，邱 宏，孙旭贵，等.将科学研究的思维方式引进普通物理实验教学［J］.实验技术与管理，2003，20(1):73-75.

［12］ 邱 宏，惠晓薇.在普通物理实验中培养学生的学习兴趣和科研开发能力［J］.实验技术与管理，2003，20(3):96-98.

［13］ 赵韩强，赵树凯，余沛明. 浅谈研究型大学的研究型教学模式［J］.高等理科教育，2007，73(3):101-104.

［14］ 辛继湘. 自由是研究性教学的基本精神［J］. 高等教育研究，2009，30(9):63-67.

［15］ 李培根.让学生自由发展-也谈教育的目的［J］.高等教育研究，2010，31(11):1-3.

［16］ 吴 平.理科物理实验教程［M］.北京:冶金工业出版社，2010.

［17］ 程金林，吴 斌，靳晓枝，等.高校实验教学考核模式的改革与实践［J］.实验室研究与探索，2005，24(4):76-78.