以物理实验仪器研究促进学生创新能力的培养

罗　乐，仇冀宏，孙　伟，李建设，张　霆

(合肥工业大学　电子科学与应用物理学院，合肥　230009)



以物理实验仪器研究促进学生创新能力的培养

罗乐，仇冀宏，孙伟，李建设，张霆

(合肥工业大学电子科学与应用物理学院，合肥230009)

摘要该文从创新能力的培养和物理实验课程的教学目标出发，指出了物理实验仪器存在的问题。基于CDIO培养模式，论述了组织学生开展物理实验仪器研究对创新能力培养的作用与意义，以及对实验室建设的积极意义；总结了组织学生开展物理实验仪器研究的经验，为物理实验教学改革和创新人才培养工作提供参考。

关键词大学物理实验；创新能力；CDIO培养模式；实验仪器

2007年，教育部、财政部联合开展了“大学生创新性实验计划”项目，作为质量工程的一个子项目在全国百所高校实施[1-2]。2010年6月，教育部又开始实施“卓越工程师教育培养计划”[3-4]，以加快培养创新能力强、具有现代工程意识与工程精神、适应现代经济社会发展需要的工程技术人才。这标志着以学生创新能力培养为中心的高等教育改革的开始。为此各高等学校都开展了丰富多彩、形式多样的大学生课外科技创新实践活动，以加强学生的科技创新能力与实践能力的培养[5-6]。在这种形势下，作为理工科学生必修的基础性实践课程——大学物理实验如何改革，以适应卓越工程师教育培养的需要，是一个值得研究的课题。为了更好地发挥物理实验课程在卓越工程师教育培养过程中的作用，我们以物理实验仪器研究为切入点，改进物理实验教学，加强学生科技创新能力与实践能力培养。

1物理实验仪器存在的问题

大学物理实验课程是学生进入大学后系统接受实验方法和实验技能训练的开始。它包含丰富的实验思想、实验方法和实验手段，提供综合性很强的实验技能的训练，是培养学生科技创新能力与实践能力，提高学生综合素质的重要课程。和理论课相比，它具有很强的实践性和应用性，在科技创新能力与实践能力培养方面具有明显优势；和专业实验课相比，它涉及的知识面更广，学习的人数更多，是卓越工程师教育培养过程中的重要环节。

大学物理实验课程的教学目的是，通过物理实验教学使学生在实验思想、实验方法和手段、实验技能等方面得到系统地培养，从而具备科技创新能力与实践能力。从教学目的来看，在教学过程中使用的物理实验仪器还存在以下5个方面问题。

1)实验仪器商品化，不利于学生学习实验知识及创新能力与实践能力的培养。目前，用于物理实验教学的仪器大多数是从企业直接购买的，而企业在研制物理实验仪器时往往忽视实验仪器的教学功能，把教学仪器当成商品进行设计生产，给仪器包装上又大又美观的外壳，使学生在实验过程中很难了解仪器的构造和工作原理，并且功能单一，一台仪器只能完成一个实验单元的内容。例如，用模拟法测绘静电场的实验，用一个直流稳压电源和一个电压表就能完成实验，企业生产的静电场测绘仪则把稳压电源和电压表组装在一个不透明的大外壳中，致使许多学生做完实验后都不了解仪器的构造与工作原理。同时，静电场测绘仪也只能用于静电场实验。

3)部分仪器设计缺乏科学性。例如，在磁偏转实验中，实验仪器采用并联法测通过螺线管的电流，受到学生的质疑。

4)仪器难以体现现代科学技术发展的水平，难以激发学生的学习兴趣，调动学生学习的积极性与主动性。

5)实验仪器缺乏与工程应用的联系，无法开展科技创新实验和工程应用实验，不利于学生工程素质和应用能力的培养。

2以物理实验仪器研究促进学生创新能力的培养

工程师是应用科学知识来设计和开发新的工具和系统，以解决人类社会所面临的工程技术问题的人才[7]。工程师必须掌握现代科学技术知识、技术标准和政策法规；具有分析问题、解决问题和处理危机的能力；具有开发设计和工程管理的能力；具有现代工程意识；具有团队协作精神[8-9]。从欧美等发达国家的成功经验来看，CDIO是培养卓越工程师的有效方法之一。CDIO是构思(conceive)、设计(design)、实施(implement)和运行(operate)4个环节的有机结合。它以真实产品从构思、设计、实施到运行的整个研制周期为平台，让学生通过参与真实产品研制的完整过程把各种知识有机联系起来，培养学生从构思、设计、实现到运行全过程所必须具备的实践能力、创新能力、协作能力和管理能力[10-12]。

从CDIO培养模式来看，针对物理实验教学过程中实验仪器存在的问题与不足，组织学生结合“大学生创新性实验计划”项目开展物理实验仪器的研究是提高物理实验教学质量，促进学生科技创新能力与实践能力培养的一种行之有效的方法。由于物理实验仪器的研究不仅涉及物理实验知识，而且涉及微电子技术、光电子技术、计算机软件编程、传感器技术、机械制造与仪器仪表等多学科知识，因此有助于学生获取综合知识，改善知识结构。由于物理实验仪器的研究要求学生在了解和掌握物理实验知识的基础上，构思、设计、制作和试用实验仪器，因此可以使学生亲身经历一个实验仪器的研究开发项目从构思、设计、实施到运行的全部过程，有助于学生理论联系实际，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力；有助于培养学生的工程意识；有助于培养学生的组织协调能力。由于申请“大学生创新性实验计划”项目必须完成从组建团队、查阅文献资料和实际调研、设计实验方案、撰写项目申请书和任务书、开展研究到最后的结题答辩的全过程，因此它对学生综合素质的培养作用是任何一门课程都无法替代的。与此同时，研究工作取得的成果可以提高物理实验仪器的质量和现代化水平，从而提高物理实验室的建设水平。

为了更好地发挥物理实验课程在卓越工程师教育培养过程中的作用，借鉴欧美等发达国家的成功经验，针对目前物理实验教学过程中仪器存在的问题，我们开展了组织学生自制物理实验仪器的探索，具体做法有以下3个方面。

1)在物理实验课的教学过程中，注意向学生介绍物理实验仪器的结构与工作原理，让学生注意观察仪器是否出现异常现象，如果出现异常就分析原因，提出改进措施。例如，在霍尔效应测螺线管磁场的实验中，有的学生发现当霍尔片移到螺线管外部时会出现负电压现象，和理论相矛盾。为了培养学生观察问题、分析问题和解决问题的能力，我们让学生自己在每台仪器上进行实验并仔细观察，逐一分析可能的原因，不仅使学生加深了对实验知识的理解，而且还开发出测量霍尔片不等位电动势的新实验内容。

2)组织学生开展物理实验仪器的研制工作。首先，在课余时间组织有兴趣的学生学习嵌入式系统与应用、模电与数电和传感器技术等相关知识，并进行电路设计制作，软件编程和加工制作等相关

技能的培训。在此基础上组织学生针对物理实验仪器存在的问题开展研究，并申报“大学生创新性实验计划”项目。例如，针对静电场的测量与描绘实验，研制出一套由稳压块、电容、电阻、变压器和表头组成的稳压电源和电压表的设计与组装实验仪，让学生自己设计组装一个静电场测绘仪；针对惠斯通电桥测电阻实验，研制出基于惠斯通电桥的差动式电容和差动式变压器测量微小位移实验仪，在此基础上研制出基于差动式变压器的杨氏模量测量仪，不仅提高了惠斯通电桥实验内容的难度与水平，而且使学生学习到差动式传感器的知识与应用；针对导热系数测量实验，研制出基于瑞萨嵌入式M16C/62P的智能型导热系数测量仪，不仅能把温度随时间的变化曲线显示在液晶屏上，而且能自动处理实验数据；针对迈克耳逊干涉仪的调整与使用的实验中用眼睛观察计数干涉条纹困难的问题，研制出基于瑞萨嵌入式M16C/62P的智能型迈克尔逊干涉仪测量仪，能够实现波长的自动测量。

3)开展物理实验创新设计制作大赛。为激发学生学习物理实验知识与技能的兴趣，推动物理实验教学改革，加强学生科研创新能力和实践能力的培养，我们联合创新学院、校团委与学生会共同举办物理实验创新设计制作大赛，让学生针对物理实验教学中实验仪器存在的问题提出改进方案；针对难以理解的物理实验原理制作演示仪器；在原有实验的基础上提出新的实验内容以及针对物理实验内容的制作等。

3结束语

通过组织学生开展物理实验仪器的研究，不仅加深了学生对物理实验知识、嵌入式系统与应用、传感器技术和电子科学与技术的理解，使学生的科技创新能力与实践能力得到有效提高，而且使许多学生成为大学生课外科技创新实践活动和各种大学生课外科技创新实践竞赛的骨干，并取得了优异成绩。

参 考 文 献

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[2]高菲菲，翟从鸿，喻其山.大学生创新性实验指导方法研究[J].赤峰学院学报(自然科学版)，2012，28(11):194-195.

[3]王会峰，周熙伟，关丽敏.基于“卓越计划”的低年级学生工程能力培养[J].实验室研究与探索，2011，30(8)：304-306.

[4]扶慧娟，辛勇.推行“卓越工程师计划”培养实践型工程人才[J].实验技术与管理，2011，28(11):155-158.

[5]宋之帅，赵金华.探索大学生科技创新能力培养的有效途径[J].合肥工业大学学报，2010，24(5):142-145.

[6]温喜宝.大学生创新性实验计划的开展与研究[J].实验室研究与探索，2009，28(4)：5-7.

[7]廖娟，李小忠.美国工程师培养模式研究[J].中国高教研究，2011(2):52-55.

[8]赵婷婷.适应科学综合化发展的国外高等工程教育改革[J].复旦教育论坛，2005,3(2)：40-44.

[9]李茂国.中国工程教育全球战略研究[J].高等工程教育研究，2008(6):1-11.

[10]王伟，孟祥贵，王光明，等.CDIO 模式下高校实验室建设与管理的思考[J].实验室研究与探索，2013，32(12)：216-218.

[11]陈冬松.国际创新型工程教育模式中国化研究述评[J].长春理工大学学报，2010，23(5):106-109.

[12]曾丽娟.工科大学生工程精神与工程意识的培养[J].中国石油大学学报(社会科学版)，2013，29(3):110-113.

收稿日期:2015-02-21

基金项目：安徽省重大教学改革研究项目(2013zdjy018)；合肥工业大学创新基地建设计划项目(2010-1)。

作者简介：罗乐(1963-)，男，博士，副教授，主要从事实验教学与研究方面的工作。

中图分类号G642.0；O4-33

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.037

Cultivation of Student Innovation Ability Based on the Research of Physics Experiment Instrument

LUO Le，QIU Jihong，SUN Wei，LI Jianshe，ZHANG Ting

(School of Electronics and Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

AbstractThe problems of physics experiment instrument were indicated according to innovation ability train and goals of physics experiment teaching.The significances were indicated according to CDIO train theory that guiding students to study physics experiment instrument should promote innovation ability train and physics lab development.The successful experience was summarized that students were guided to study physics experiment instrument.The valuable references were provided to reform of physics experiment teaching and person with innovation ability training.

Key wordsuniversity physics experiment;innovation ability;CDIO train model;experiment instrument