教学与科学研究交融的物理实验创新设计*

汪 静，迟建卫，曲 冰，潘超，白亚乡，胡玉才

(大连海洋大学，辽宁 大连 116023)

教学与科学研究交融的物理实验创新设计*

汪 静，迟建卫，曲 冰，潘超，白亚乡，胡玉才

(大连海洋大学，辽宁 大连 116023)

以应用复合型人才为培养目标，以教学与科学研究交融的育人观为指导，通过科研内容提取移植、由企业生产和日常生活实际提升、由已有教学研究成果固化等多种渠道，在较高层次物理实验课程与实践教学中创新设计出一批物理与社会应用、物理与海洋、物理与生物、物理与环境等多学科交叉的具有海洋特色的实验项目，使实验教学内容与科研、工程、社会应用实践密切联系。通过这样的实验项目开设，培养学生学习兴趣，提高学生学习能力、实践应用能力、研究创新能力。

物理实验，科教融合，创新能力，实践应用能力

培养大学生的创新能力是提高高等教育质量的核心问题。学生创新能力的培养的重要核心内容是将知识转化为解决实际问题的能力。创新源于问题,基于实践。物理实验教学作为大学实践教学工作的重要组成部分，对培养学生的分析解决问题的能力起着重要的作用。创新教育是单一的课堂教学所不能承载的，根据现代高等教育人才培养的个性化和我校复合性应用型人才培养的需求，构建了分层次递进式的课内与课外相结合的物理实验课程体系和实践教学体系[1,2]。第一个层次为基础性实验，通过大学物理实验课程着重对学生进行基本实验技能、基础实验方法和基本实验仪器使用的学习和训练。第二个层次为综合应用性实验，在大学物理实验课程中利用基础阶段已掌握的基本知识和技能，学习和掌握一些高一层次的物理思想、物理模型、物理方法和物理实验；此外，增设物理与科学、工程、社会应用实践等密切联系的实验项目，重点培养学生利用物理实验技术与方法，解决日常生活与生产等实际问题能力。第三个层次为创新研究性实验，这些实验项目带有科学研究的性质，采用选修与大学生创业大赛、学生科研小组、兴趣小组等课外科技活动、毕业论文相结合的方式，要求学生完成一个有创新意义的研究课题，培养学生独立从事科学研究能力。

近年来，我校兼顾探索客观规律的研究型人才和运用专业知识和客观规律到实际生产中的应用型人才的复合型人才培养目标，以科教融合的育人观为指导，在较高层次物理实验课程与实践教学中创新性地研究开发出一批物理与社会应用、物理与海洋、物理与生物、物理与环境等多学科交叉的具有我校特色的综合应用性、创新研究性实验项目，培养学生将知识与技能转化为解决实际问题的能力，取得了较好效果。

1 以应用为导向，设计与现实生产生活联系紧密的实验项目

学生创新能力的培养的重要核心内容是将知识转化为解决实际问题的能力。为了让学生学会从生活中发现问题、解决问题和将已有知识运用到实际中去，开设了利用物理实验中常见的实验仪器与实验方法解决现实生产生活联系紧密问题的应用型实验项目。如“人耳听觉听阈的测量”、“电子温度计的设计及人体温度测量”、“压力传感器设计及心律与血压测量”、“人体反应时间测试”、“A类超声诊断与探伤”等物理实验方法与技术在生理、医学中应用的实验项目，以及“磁阻传感器与地磁场测量”、“可控硅调光灯设计”、“太阳镜的设计与应用”、“海水折射率测量”、“燃料电池特性的测量与分析太阳能电池组装与光伏特性研究”等由企业生产与日常生活提升的实验项目[13-14]。

2 通过教学研究与实践，不断创新实验项目

设计性研究性实验不像测量性验证性实验那样稳定，可以“数年如一日”地进行。有些实验经过几届学生做过后，已没有多少内容可供自己独立设计和研究了，这就要求我们不断创新实验项目，使实验内容始终处于动态的变化过程之中，保持设计性研究性实验的趣味性、先进性、创新性和有效性。我校教师在拥有精深的物理实验基础知识和实验技能基础上，不断地学习新知识，掌握科技发展与生产生活新动向，积极将这些内容融会到物理实验的教学实践中。通过指导大学生完成学位论文或参与挑战杯等各种科技活动，开展一些利用物理实验技术与方法，深入研究解决日常生活实际问题的课题研究，并将成功的研究成果固化于实验项目中，使教学实践进入良性循环。例如指导本科生完成“鱼鳞片表面的微观结构与表面特性研究”毕业论文，将其中利用移测显微镜观测鱼鳞片表面的微观结构，对比分析大黄鱼和鲈鱼鱼鳞片不同区域的鳞嵴间距部分开发出“鱼鳞片表面微观拓扑结构的测量与分析”这一具有水产特色的研究性实验项目引入本科大学物理实验教学[3],使学生在学习中体会到将所学物理实验技术应用于海洋科学研究中的乐趣，有助于提高学生分析问题、解决问题的能力。再如通过指导学生论文开发的 “毛发形态结构及拉伸性能分析”项目[4]，是利用常见的生物显微镜、读数显微镜、钠光灯、读数望远镜等常见实验仪器和自制的毛发拉伸装置，采用等厚干涉法测量毛发直径，运用光杆杆放大原理测量毛发伸长率，研究人、马、猫、狗、兔、羊、狐狸等毛发形态结构对其拉伸性能的影响，使学生在学习中体会到将所学大学物理技术与知识应用于生活中的乐趣，激发了学生学习积极性,提高学生分析问题、解决问题的能力。在这个实验的基础上，又开放了“染发及护发对人发结构特性的影响研究”实验项目[5]，研究染发及护发对人发形态结构、直径、弹性模量、断裂力、pH值的影响，极大地调动了学生的学习兴趣。此外，采用静滴接触角法测量CD光盘或DVD光盘的表面润湿性，采用激光衍射法测量光盘的沟槽间距开发了“光盘表面沟槽结构润湿性研究”实验项目，在此基础上，以CD或DVD光盘为母光栅，利用PDMS模板技术制作复制光栅，用分光计法或激光光栅衍射法测量光栅常数，设计了“复制光栅的制作及光栅常数的测量”实验项目[6-8]。

3 将科学研究成果移植，开发创新性实验项目

高校科研是一种有效的教学方式和学习方式[9]，对提高教师的素质水平、推动学科建设具有积极意义的同时，对促进学生发展、培养学生创新能力具有重要作用。我校物理实验教师同时为辽宁省物理实验教学示范中心、辽宁省海洋生物物理重点实验室成员，在承担物理理论与实验实践教学与研究任务的同时，开展了纳米材料与海洋仿生、海洋环境生物物理、海洋物理农业、海洋生物探测与环境监测等领域的科学研究，完成了国家自然科学基金、辽宁省科学计划等数十项科研项目。将科研项目成果提取移植，研发创新性实验项目，科教融合培养大学生科技创新能力[10]。例如将国家自然科学基金项目“表面微纳拓扑结构的调制与海洋防污性能的仿生研究”的部分研究成果进行移植，开创了“仿生荷叶效应设计与表面性能研究”、“ 仿生微纳米表面的制备与表征”等实验项目[11]；将辽宁省自然科学基金项目 “基于水产品的电流体动力学干燥模型及其在海参脱水中的应用研究”的研究成果进行整合，开创了“高压电场干燥特性研究”、“高压脉冲电场干燥预处理海参实验研究”、“高压静电场保鲜海虾的实验研究”等实验项目。将中国博士后科学基金“石墨烯基复合三维网状分级电极可控制备及电容特性研究”的研究成果进行移植，开创了“高压静电纺丝法制备纳米纤维的实验研究”、“ 纳米MnO2电极材料制备及电容性能研究”等实验项目[12-13]。

4 利用学科优势，研发交叉实验项目

现代科学技术的发展一方面使学科高度分离，另一方面又使学科高度融合，学科发展综合化已成为主要趋势。我校物理教师大多为校生物物理重点学科成员，开展面向海洋，主要以海水、海洋生物、海洋环境、海洋运输为研究对象，立足于生物学与物理学、物理学与水产养殖学和捕捞学、物理学与海洋环境等学科的交叉研究。物理实验课程与实践教学顺应这种发展趋势，利用辽宁省海洋生物物理重点实验室和辽宁省物理实验教学示范中心平台，将跨学科研究成果移植到教学实践中。将物理实验技术与方法应用于海洋、环境、生物、食品等领域，不断将教师的科研或者最新的科技前沿问题通过知识和学术转化，变成教学的资源，交叉融合到物理实验创新项目中。例如将高压电场应用于海产品干燥，创新性地设计出“高压电场干燥特性研究”、“高压脉冲电场干燥预处理海参实验研究”、“高压静电场保鲜海虾的实验研究”等物理与食品加工交叉的系列实验项目；将电磁场应用于水及水生生物，研发出“强电磁场环境对水体的理化特性的影响”、“水生生物的强电场环境生物效应研究”等物理学与环境交叉的实验项目；此外，还开发出物理与生物交叉的实验项目“光密度法测量微藻生物量的实验研究”、 “聚苯乙烯纳米纤维功能化及固定化生物酶的活性研究”、“仿生荷叶效应设计与表面性能研究”；物理与纳米材料交叉的实验项目“高压静电纺丝法制备纳米纤维的实验研究”、“胶体光子晶体的制备与光特性研究”、“仿生微纳米表面的制备与表征”、“纳米TiO2光触媒制备及抗菌特性研究”、“纳米MnO2电极材料制备及电容性能研究”。 这些具有研究性或创意性内容的实验项目，激发学生的学习主动性，逐步培养学生的创新能力。

5 物理实验项目的创新性应用

这些实验项目是为满足大学物理实验的较高层次的实验训练，培养学生运用物理实验知识和技能解决实际问题和独立从事科学研究工作而设计的。每个实验需要的学时数从3学时到1学期，实验的要求从初步学习如何设计实验到研究一个全新的课题。其中，综合应用性物理实验项目特别注重运用物理实验知识与技术的应用，激发学生学习兴趣，培养学生将知识与技能转化为解决实际问题的能力；创新研究性物理实验带有一些科学研究的性质，要求学生完成一个有创新意义的交叉性研究课题，培养学生独立从事科学研究能力。经过长期的研究与实践，近5年共开发出29个实验项目，固化于编著的由科学出版社出版的《创新性物理实验设计与应用》[12]。各实验项目与传统的“测量性验证性实验”不同，实验步骤粗略化，增加了实验背景及方法介绍、一系列的问题、实验要求和参考材料。每一实验项目先指出实验意义与目的以激发学生兴趣，列出实验仪器与物品清单以引导学生设计实验；标出参考文献与资料以开拓学生思路与视野；给出实验预习与要点以方便学生自学和准备实验；提出实验要求以督促学生完成实验，给出实验报告与思考以指导学生学会做科研论文，并拓展其创新思维。为了使学生更好的完成实验研究，还补充介绍了物理实验研究方法与论文写作。注重以学生为主体，引导学生通过查阅材料，以做研究的方式来完成实验项目。通过这样的实验实践教学训练，学生能深入理解物理原理，提高学习能力、实践应用能力、研究创新能力。初步的实践结果表明，学生对开设的以应用为导向的物理实验创新项目，实验热情增加，尤其是一些与生活密切相关的实验，更受学生欢迎，学生的自主创新能力得到了提高。近5年来课题组教师指导200多名本科生在各类科技竞赛中获奖50人次，其中国家级奖项1项，省级奖项30余项；指导学生主持大创项目18项，本科生参加教师科研项目6项；本科生优秀毕业论文10余篇，公开发表论文5篇、授权国家专利5项。

[1] 汪静，胡玉才，迟建卫.协同培养大学生实践创新能力的研究与实践[J]．实验技术与管理,2013,30(9): 19-21.

[2] 汪静，胡玉才，迟建卫.物理实验教学示范中心建设的研究与实践[J]．实验技术与管理,2013,30(2): 131-133.

[3] 汪静，李博，曲冰，等．鱼鳞片表面微观拓扑结构的测量与分析[J]．物理实验，2010，30(9)：:35-37．

[4] 周笑辉，汪静*，刘伟，等．毛发的形态结构及其拉伸性能[J]．物理实验,2011，331(6)36-39．

[5] 刘双，汪静，迟建卫，曲冰.染发及护发对人发结构特性的影响研究[J]．物理实验，2013，33(3)：24-27．

[6] 姜兰钰，汪静，潘超，等．聚二甲基硅氧烷润湿各向异性薄膜[J]．物理实验，2011，31(3)：4-7．

[7] 汪静，曲冰，迟建卫，等．周期可调光栅的制备[J]．实验室研究与探索，2012，31(3)：12-14．

[8] 汪静，曲冰，迟建卫．周期可调式弹性光栅制作的光栅装置：中国，201020010160.1[P]

[9] 周光礼.高校人才培养模式创新的深层次探索[J].中国高等教育，2012，(10):23-25.

[10] 牛庆玮，刘永红，黄保.以科教融合育人观为指导培养大学生科技创新能力[J]．实验技术与管理，2015,32(1):34-37.

[11] 廉盟,汪静,曲冰，等.马面鲀鱼皮复制及润湿性研究[J]．大学物理实验，2015，28(3)：62-65.

[12] 汪静，迟建卫.创新性物理实验设计与应用[M].北京：高等教育出版社，2015.

[13] 李颖.大学物理实验数字化教学改革的探索[J].大学物理实验，2016(4):62-67.

Research on the College Physics Experiments by the Integration of Science and Teaching

WANG Jing,CHI Jian-wei,QU Bing,PAN Chao,BAI Ya-xiang,HU Yu-cai

(Dalian Ocean University，Liaoning Dalian 116023)

To train compound talents with speciality,capability and knowledge，the interdiscipline experiments between physics and oceanography,biology,environtology were designed by the integration of science and teaching for the college physics experiment.The experiments are derived from scientific research,production and living and teaching practice.It is advantageous to improve the cultivation of practical capability and innovation capability of college students.

physics experiment；integration of science and teaching ；innovation ability；practical capability

2016-08-22

辽宁省物理学实验教学示范中心建设项目;2012年度辽宁省普通高等教育本科教学改革研究立项项目;大连海洋大学教育教学改革研究重点项目(JG2014ZD22)

1007-2934(2016)06-0127-04

G 642.0

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.035