利用大学物理实验平台培养学生实践创新能力

何永凡, 周　红, 周晓兵, 彭长宇

(成都大学 电子信息工程学院, 四川 成都　610000)



利用大学物理实验平台培养学生实践创新能力

何永凡, 周红, 周晓兵, 彭长宇

(成都大学 电子信息工程学院, 四川 成都610000)

以成都大学部分理工科专业学生的实践创新能力发展为例,结合大学物理实验的现状,分析抑制本科生创新意识和创新能力的形成因素,提出如何利用大学物理实验平台激发大学生的创新思维,推广研究性学习和个性化培养的创新教学方式,对培养学生实践创新能力,具有一定的战略意义和现实可行性。

创新教育； 创新能力； 大学物理实验平台

创新教育是促进国家兴旺发达、实现全民创新的重要举措,具有极其重要的战略意义[1]。大学物理实验教育平台为学生提供了创新机遇和条件,把创新教育贯穿于整个物理实验教学的全过程。在我们多年的教学实践过程中,摸索出了一套独特的突出物理实验技能的培养、提高学生实践创新能力的教育模式。

1　影响大学生创新意识和创新能力形成的因素

1.1实验项目偏重经典,专业特点不突出

大学物理实验是一门实验的基础课,涉及到不同专业以及不同学院的学生,就目前实际情况来看,全校各专业的学生通常选用偏重经典的实验课题,实验项目完全相同,没有专业特点,教师主要沿袭书本知识,学生思维被局限在教师所限定的框框内。学生学习的内容受到限制,其知识结构不能与专业知识进行很好的搭接,更谈不上适应专业的发展方向,培养的学生思维方式雷同,缺乏主动和积极探索的求知欲望,学生个性思维的发展难以开展,缺乏勇于创新的精神[2]。

1.2实验教学手段与科学技术发展脱节

首先是实验教学与科学和技术发展差距太大,教学内容不能适应现代科技发展的需求,教学方法和手段单一,物理实验教学很长一段时间来实施“填鸭式的教学”模式,往往是教师要把实验项目的原理、实验步骤和实验方法进行认真、详细、周密的讲解,甚至对实验中的注意事项、实验中可能遇到的问题及解决方案都得进行充分的估计,学生教学过程中极其被动,严重影响了学生发散性思维的发展,学习的主动性难以调动；其次是可供选择的综合设计性和创新设计性实验太少,陈旧的验证性实验居多,导致学生对大学物理实验缺乏兴趣、不够重视,这在一定程度上抑制了学生主动性的发挥和个性思维的发展,不利于学生的综合素质和实践创新能力的提高。

1.3实验教学体系缺乏创新平台

创新平台应以学生从事创新研究活动为目的,为学生创造展现和发挥自身才能的条件,包括实验设备和仪器、支撑创新研究活动运行的教研团队等。目前，存在一些问题：一方面,校内所能提供的创新空间和场所不足、设备陈旧,课外创新实践教育基地的建设也不足,缺乏科研实践氛围；另一方面,教师自身的教学工作考核压力过大,而科研考核没有强调学生的创新研究,加之经费不足,从而导致教师指导学生创新活动的动力不够、精力不足,所立研究项目经常草草收工,成果甚微。

1.4考核评价机制不利于调动学生创新

长期以来,考核主要采用以平时成绩为主,考勤和学习态度为辅,平时成绩由开设的各个实验项目的预习、操作和实验报告成绩综合得到,一般占总成绩的80%,余下的20%结合考勤和实验过程中的实验态度进行考查,对学生的评价片面追求实验报告的考试分数,忽视了包括其科研能力在内的创造性学习能力的考查,侧重于终结性评价,而不注重过程性评价。

2　发挥实验教育优势,培养学生创新能力

2.1大学物理实验是学生系统实验技能训练的开端

大学物理实验是在长期实践和大量科学实验的基础上产生、发展和逐渐完善起来的一门实验科学[3]。在科学技术高速发展的今天,社会对学生的创新实践能力和工程技术应用能力的要求日益增强,大学物理实验课作为一门应用学科,是学生系统的实验技能训练的开端,在此方面起着其他课程不能取代的作用,其实验教学的目标主要涉及以下几点:

(1) 常用仪器设备的操控能力和实验常用实验方法的运用能力的基本训练；

(2) 培养实事求是的严谨的科学素养；

(3) 提升学生创新思维和创新能力。

2.2大学物理实验是培养学生实践创新能力的载体

大学物理实验具有教学内容基础性、教学过程实践性、教学方法研究性以及教学对象广泛性等特点,既是科学知识的载体,又是技术与方法的载体,就具体过程而言,它是实践操作与方法训练的统一； 就内容层次而言,它是技能训练与研究探索的统一[4]。怎样实现基本技能和方法与现代技术的统一已成为基础物理实验教学改革的重要内容。通过多年的教学实践观察发现，要实现学生从单一的重复照搬实验过渡到主动探索,就必须利用好大学物理实验的良好载体,减少单一的验证性实验,适度增加应用性实验,同时在应用现代技术改造基础实验的过程中,必须防止过度的智能化和自动化,结合大学物理实验课程设置的优势,在训练基本技能的同时不断丰富教学内容,实现基础训练与研究探索的统一。

2.3改进大学物理实验教学模式

根据教学大纲的要求,将大学物理实验内容划分为基础性实验、综合性实验、研究性实验3个层次[5]。

2.3.1突破基础性实验

基础性实验属于验证性的性能测试实验,主要帮助学生掌握大学物理实验的基本概念、原理和方法,巩固加深物理基础理论,学习基本的实验方法和基本实验技能；基础性物理实验要求完成基本实验知识的掌握和基本实验技能的训练,该层次安排8项基本实验项目,教师按学生的具体需求,从中选出4个项目要求学生完成,共计12学时。

教师在选题时尽可能开设典型的经典实验,例如“杨氏弹性模量的测量”、“迈克尔逊干涉仪”等,本层次实验是学生系统接受实验训练的开端和切入点,是要求学生必做的实验项目,强调的是实验的基本技能和方法的掌握，以及实验素质的培养。教师对实验可做系统、详细的讲解,包含实验的基本理论方法、实验步骤及注意事项[6],在实验过程中认真观察学生的具体行为,如操作的合理性,认真指导学生完成每个实验环节,控制实验的进程,观察实验过程中学生的态度,检查学生的第一手实验数据及实验结果。完成实验后教师要及时批改学生的实验报告,检查学生对实验数据的分析和处理能力,并对实验报告的结果和实验报告书写是否规范做出评价,为下一层次的综合性物理实验操作奠定好基础[7]。

2.3.2增大综合设计性实验比重

综合设计性实验主要强调“专业特色”和“创新”,在不增加学时的前提下增加了实验内容,开设24项综合实验项目。实验内容主要关注一些理论知识的综合应用,其目的是学习理论及实验方法、技能的综合应用,提高解决较复杂的实际问题的综合能力。

教师选题时应该尽可能在保留原始实验项目的基础上扩展在工程技术中的应用,以达到适应专业的技术特点,如:电气、自动化学生多做电磁学综合性实验,如“用示波器测多种电信号”、“磁场测量”、“声速的测定”等；通信类学生开设“光纤传输”、“CCD图像传感器”；对测控专业的学生强调电桥实验在工业检测中的应用、传感器类型的了解和使用方法、干涉实验在检验表面光洁度和测定薄膜厚度和液体的折射率等方面的应用。让学生有较充分的自主选择权,根据所提供的选项结合专业特点和爱好从设定的24个项目中选出8项,共计24学时。

这一层次要求教师对综合设计性实验的实验原理、应用前景和现状进行简要的讲解,从而使学生领悟到物理学原理在工程技术中的应用价值,使学生摆脱“被动”学习的桎梏[8],为实验教学提供创新的环境和氛围。此阶段教师主要负责实验目的设定并引导学生结合专业特点选好课题,学生负责设计实验方案,教师不做详细介绍。教师在实验过程需要注意的是对实验过程引导监督以及对实验结果的检查和评定。通过这样的实验教学,克服了多年来所做实验项目针对性差的缺陷,也为研究性实验打下了基础[9]。

2.3.3增大研究性实验比重

研究性实验既有综合性又有探索性,在第3 学期开设,主要针对实验能力强、对实验与工程技术应用有兴趣并学有余力的学生。实验室全天开放。

教学实践中,学生可以在实验室提供的条件下选择项目,也可以另外寻找自己感兴趣的研究项目,如教师对牛顿环实验进行选题策略引导时,可以将反射式干涉系统变成透射式的干涉系统，或改变牛顿环仪的结构(牛顿环仪中透镜位置颠倒、平凸透镜替代成球缺透镜),通过学生对牛顿环干涉条纹影响的深入研究,使学生学会如何选题,给予学生在选题设计和完成过程中的自主性、独立性。通过多种渠道(图书馆、网络、实验室提供资料)搜集与选题相关资料、整理收集课题的资料、拟定实验原理和方法并对选题充分论证,确定实验计划或方案；自行设计完善实验方案并加以实现,分析实验结果,得出实验结论。

教师在指导教学过程中注意启发式教学和因材施教,掌握好实验方向,控制实验的整个过程,不放任自流,重点考查设计方案的物理思想及可行性,及时评价实验结果,实现把部分综合性实验课题升级转化为设计性、研究性实验,拓展学生的创作思路[10]。

2.4加强学生创新实践实训基地建设

开放实验室,为学生提供实验和实践的场所。学校整合各专业实验室和基础实验室,实现了资源共享、交叉结合,构建实验大平台。我院结合实验设备与管理处的统一部署,充分发挥实验设备的功效和作用,把教学延伸到课外，对那些对实验有浓厚兴趣、动手能力强、学有余力的学生,开放实验室。

通过选课系统,学生根据自己的兴趣和专业特点在网上选择开放的实验项目和实验时间,自己拟定实验实施方案、自行选择仪器设备、把控时间,完成实验。例如做“超声声速测量”实验时,可以将空气中声速引入到液体、固体中的声速测量,用实验室现有的仪器自己组合实验,又如牛顿环干涉仪测薄膜的厚度、检查镀膜的光洁度。这样不仅可以利用现有资源完成基础实验,同时还可以在此基础上拓展为研究性实验,拓宽应用范围,提高学生的发散思维,学会自己发现问题、设立研究题目,在解决问题的过程中将自己的创新想法付诸实施[10]。

设立大学生科创制作室,开展各种科技活动。专门为学生提供了一个模型加工间,提供各种散件和工具,包括电路板、常用加工设备,供学生亲自动手将其创新设计制作成模型或实物,将自己的创新构思模型化,如智能飞行器、水火箭等,也可以在理解原仪器的实验原理的基础上重新制作实验装置,学生可以参加教师的科研课题,也可以由学生自拟题目,并选派优秀特长教师指导,通过教师的“传帮带”培养学生的创新意识和责任心,使学生在创作中寻找乐趣,逐步提升自己的创作技能。

积极引导和鼓励学生参与学科竞赛,锻炼自己的实践能力和创新意识。 在进行综合设计性物理实验的同时,动员有兴趣的学生组队申报大学生创新性实验计划项目。目前适合于我院专业学生参加的具有创新性的学科竞赛,主要有全国大学生电子设计竞赛、飞思卡尔杯全国大学生智能车比赛、“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛、物理实验技能竞赛等，2015年“飞思卡尔杯”作品竞赛中获得一等奖1项(光电组)、二等奖2项(电磁,摄像),全国大学生电子设计大赛获得多项奖项,校级课题及实验室开放项目共11项,发表论文20多篇。大学生物理实验竞赛是提高学生创新能力的一种途径,是学生开展和展示创新的大舞台,竞赛激励了学生参与实验研究的兴趣和爱好,激发了学生独立思考和研究的热情,使得研究性学习和个性化培养的创新教学方式得到了贯彻。通过参赛培养学生运用物理思想和方法解决实验研究学习中遇到的问题,对自己的研究工作充分理解,并能够完整表达,独立自主地完成论文[11]。

2.5充分利用网络空间开展创新型实验教学

随着网络的普及,许多高校正积极加强网络的空间建设,充分利用网络教学平台、在网络环境下进行研究性学习已成为实施物理实验教学的必要教学手段之一,也是学生获取知识的一个有效途径。在网络环境下将物理实验课程由课内拓展到课外,使学生开展自主、开放、探究式的学习成为可能。教师可以将大学物理实验教学资源和信息上传到物理实验教学平台的主页上,学生通过网络进行选课,确定课题项目、上课时间、地点等,为开放实验室提供了必要的条件,同时学生可以在课前模拟实验全过程,进行实验仿真。网上充足的信息让学生开阔了眼界、拓宽了思路,方便学生的课前预习。通过学生在网络上信息捕获,逐步提高学生加工信息、处理信息、利用信息的能力,充分挖掘网络教学平台资源,推进物理实验课程向研究性学习方向上发展。

2.6组建具有创新意识的技术支撑团队

创新教育离不开成熟的教学科研团队,科技的发展和创新不仅仅在于具有先进的设备和实验室，更在于有从事教学科研的队伍,形成一个由学生、教师、学科带头人共同组建的合理的教学创新团队。优先邀请高年级学生做报告,介绍他们在大学生实践创新训练项目的体会,发挥高低年级学生之间的易交流、易接受的榜样作用,通过高年级学生的“传帮带”使低年级的学生初步理解实验创新的技巧和方法,鼓励和激发学生从事科学研究的热情。

教师是实施创新教育的主体,优秀的大学教师不但应该具有本专业丰富的知识,而且也应该具有教会学生怎样探索创新的实践能力和从事本专业前沿科技研究的能力,而不是单纯的“教书匠”,通过教与研的结合,实现实验教学活动由“教”向“学”的转变,教师地位,由“教”向“导”的转变,使实验教学活动真正建立在学生自主活动、主动探索的基础上。

教师可以多种形式引导学生创新,如开展科研讲座和专题讲座,介绍实验知识在科研中的应用,列举一些与学生的专业或专业知识相联系的物理原理和实验技术,让学生提前接触到与自己专业相关的物理原理和技术,以提高测量精度和拓宽应用范围,同时还可以组织各样的科创兴趣小组,例如可以对废旧仪器拆装、修理或组合成新的实验器具,也可以对原有的陈旧仪器进行分析和改进,促进学生进一步理解和了解仪器的设计和工作原理,加深学生对物理理论的深入理解,提高学生的动手能力和操作能力。

3　改革实验教学考核评价机制,促进创新教育

大学物理实验评价的目标应包括知识与技能,过程与方法,情感、态度和价值观。在具体的实验课的成绩考核中,我们改变原来重报告、轻操作的现象,进行了对学生的综合评价,将成绩分为基础性实验和综合性实验(70%)与研究综合性实验(30%)两部分。

在基础部分考核上主要从实验预习30%、实验操作40%、实验报告30%等实验环节按比例进行考评,强调学生实验过程及对实验方法的应用能力、对数据和实验结果进行实事求是分析和处理的能力,提倡学生对实验原理、方法,步骤、数据处理进行改进和创新,特别鼓励学生对实验结果提出的自己的独特见解,结果分析有创意，报告与考核加分[12]。

综合设计性实验主要从实验选题(15%)、实验方案(25%)、实验过程(25%)、实验结果(15%)、实验结题(20%)等几个方面按比例进行考核。着重考查综合设计性实验中选题的新颖性，评价实验项目或实验目的的意义；实验方案主要评价学生制订具体综合设计性实验方案的能力,以及实验方案本身的物理思想合理性、实验实施的正确性与可行性；实验过程主要评价学生在实验过程中的具体行为,如操作的规范性、合理性和多样性,参与活动的主动性、积极性和创造性,在实验过程中的合作精神以及实验环境的融入度等；实验结果主要评价学生的实验报告或实验论文的规范性和完整性；实验的成果要考查产品的前瞻性和创新性；结题主要以学术小论文为主,也可采用多种形式,如撰写实验报告或实验体会、科普文章、研发或制作的产品等。

4　结语

通过对大学物理实验教学中创新教育的不懈研究与探索,实现了从单一的实验教学向创新教育的迈进,对创新型人才的培养模式展开了积极的探研,促进了实验室平台的建设和发展,提升了大学物理实验的教学水平,激发了学生的创新思维,培养了学生善于思考、主动探究、勇于创新的精神,为学生今后的可持续发展打下了坚实的基础。

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Training students’ practical and innovative ability by using experimental platform of university physics

He Yongfan， Zhou Hong， Zhou Xiaobing，Peng Changyu

(School of Electronic Information Engineering, Chengdu University, Chengdu 610000, China)

Taking development of the students’ practical innovation ability in science and engineering as an example,combining the current situation of the university physics experiment, this article analyses the factors that inhibit the formation of undergraduates’ innovative consciousness and innovative ability,and puts forward how to make use of the experimental platform of university physics to inspire the students’ innovative thinking,promote the research-oriented learning and individualized training mode of innovative teaching, and to train students’ practical innovative ability, which has certain strategic significance and realistic feasibility.

innovative educative; innovation ability; experimental platform of university physics

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.046

2016-01-21修改日期：2016-01-28

何永凡(1960—),男,四川南充,学士,副教授,主要研究大学物理实验与创新教育.

E-mail：503438943@qq.com

G642.0

B

1002-4956(2016)6-0180-04