物理实验创新平台环境协同体系建设与实践

张亚萍, 张令坦, 马红章, 朱海丰, 刘彦民, 李书光

(中国石油大学(华东) 理学院, 山东青岛 266580)

中国石油大学(华东)理学院物理实验中心,是2006年获首批山东省省级物理实验教学示范中心,1998年,在“大学物理实验”课程教学改革中,率先全面实施开放式实验教学模式,在之后几年的建设和实践中,构建了“一体化、多层次、分级教学、全面开放”的实验教学体系,实现了辅助教学信息化和教学管理现代化。2007年，“大学物理实验”被评为省级精品课程[1-2]。经过不断的建设和完善,近年来,在课程建设、实验室建设、师资队伍建设以及依托物理实验教学开展学生科技创新等方面进行了积极的探索和实践,并形成了自身的特色和优势,取得了较丰硕的建设成果[1-8]。

本文根据当前国内外物理实验课程创新教育改革现状及发展趋势,结合我校理、工科各专业培养目标的要求及物理实验中心的实际,重点兼顾新时期学校建设高水平研究型大学目标对基础性实验教学示范中心提出更高标准要求的需要,充分发挥实验教学的优势,认真贯彻学校“三三三”本科教育培养体系[9],拟从物理实验课程建设、实验室建设、师资队伍建设、依托物理实验教学引导科技创新4个协同体系综合建设方面进行综合论述,努力打造物理实验创新环境良性运行的立体化协同体系,为物理实验创新教育实施提供全方位的支撑和保障。

1 物理实验教学改革发展趋势

目前,物理实验教学改革主要呈现以下特点。

1.1 教学理念体现自主学习和能力培养的功能

高校的物理实验教学非常重视学生自主学习和能力培养的功能,体现研究性教学的理念。研究性教学理念的核心就是以学生为中心,教师按照科学探索的一般规律,创设学生自主学习的情境,引导学生通过资料收集、设计并操作实验、调查和观察等自主学习活动进行研究,从而得出结论。其主要目的是使学生在整个学习活动中成为知识的探索者、发现者,从而达到培养学生创新意识、创新能力的目的[10]。作为世界近现代2大著名的科研实验室,英国的卡文迪许实验室和美国的贝尔实验室,在优秀人才选拔中特别重视人才的原创性和开拓性素质和能力。其中卡文迪许实验室人才选拔关键性的2个条件：一是原创性的能力、素质和水平,开拓新领域和创造性的大小；二是具有独特的创造性意识、见解和能力[11]。

近年来,我国高校物理实验教学越来越重视讨论，鼓励学生发表自己的见解,努力营造双向交流的氛围。物理实验的严谨与科学性,从细微入手,认真踏实地做好物理实验的每个环节,是科学素养养成、培养学生实践能力和创新能力的最好实践锻炼[12]。国内的许多高校，如复旦大学、中国科技大学、东南大学、中国石油大学(华东)等相继开展了物理实验课题研究性实践教学活动,将物理实验教学与科学研究紧密结合,增加学生自由发展的空间,有利于学生自主学习、创新能力的培养,并取得一些比较显著的成果。

1.2 课程设置及教学内容向多元化和综合化发展

目前,我国大部分以工科为主高校的物理实验课学时普遍比理论课学时少很多,而国外物理实验课学时相对比较富裕,比如日本东京大学的大学物理实验课学时为2个下午/周、早稻田大学的大学物理实验学时为1个下午/周,在时间和学时比较充裕的情况下,学生就有条件讨论和探究实验。

美国高校物理实验选修课内容比较丰富,类型变化比较多,涉及面比较宽,课程的难度级差也比较大,为学生提供了许多可选择的学习和锻炼机会[10]。

近几年,国内高校物理实验课程正朝着课程类型多样、课程体系层次性方向发展。另外,优化课程体系、加强实验课与专业知识的联系、提升基础实验课解决专业问题的功能也是当前物理实验课程改革的重点之一。我校物理实验课程非物理专业与物理专业学时差异较大,目前非物理工科专业大学物理实验课程主要分为24、48、60学时3类课程体系,理科实验班基础物理实验和应用物理学专业普通物理实验课程分别为72、108学时和为期4～6周1个学分的物理创新实验课题训练等不同类型的课程体系,另外还开设有面向全校理工科各专业的综合物理实验选修课程。

1.3 实验室功能齐全与信息化含量增加

近年来,随着高等教育对实验教学重视度的提高,国内高校物理实验中心和实验室建设发展迅猛,硬件设施日趋完善,功能更加强大。国家级虚拟仿真实验教学中心建设激励着各高校的物理实验教学示范中心不断提升自身实验室建设的信息化含量。

“十三五”期间,我校物理实验中心和实验室建设将体现“重应用、宽物理、融现代、促创新”等几方面。物理实验教学将主要向教学内容层次化与先进性、教学方法与手段多样性、实验教学开放的有效性、物理实验的设计性与研究性、实验室管理的规范性、仪器设备先进性等方面发展。信息化实验教学平台建设功能齐全、资源丰富、虚实结合,涵盖课程准备、课前预习、课后辅导、考核评价及教学管理等多项功能,与课程教学体系紧密结合,确保对实验教学各个环节辅助作用最大化,为学生物理实验学习搭建信息丰富、方便快捷的信息化实验平台。

2 建设目标

坚持以“课程体系建设为重点、实验室建设为保障、师资队伍建设为基础、创新研究训练为引导”的总体指导原则,构建物理实验创新环境建设完整的协同体系结构,如图1所示。努力建设支撑物理实验教学4个立体化协同体系,依托物理实验教学,有效引导学生开展科技创新,形成良性运行机制。

图1 物理实验创新环境协同体系结构

3 主要建设内容

根据当前国内外物理实验课程创新教育改革现状及发展趋势,结合我校理、工科各专业培养目标的要求,充分发挥实验教学的优势,从课程体系结构、实验室建设、师资队伍建设、实验创新教育实施等方面,建设物理实验创新教育实施协调的环境机制,需主要从以下几方面进行建设和完善。

3.1 课程体系结构与教学模式构建设计

以教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会最新制定的《理工科类物理实验教学基本要求》为指导,根据我校物理及非物理类理工科各类专业培养目标和对基础实验教学的需求,确定各类物理实验课程的目标和定位,构建物理实验系列课程体系结构；以研究性教学为指导、以学生为中心,构建“做中学、学中研、研中创”连动式物理实验课程研究性教学模式。

3.2 创新环境保障体系建设

从实验室建设、网络教学资源、实验教学评价、信息化教学管理等方面,完善物理实验创新环境保障体系,确保实验项目多样、测量技术齐全、信息化功能完善、资源丰富。探索解决创新实验室、理科实验室有效利用和规范化管理的问题及目前实验教学评教缺失的问题。努力实现软硬件设施完善、技术先进、功能齐全的实验创新环境保障体系。

3.3 师资队伍建设

实施创新教育对师资队伍提出更高的要求。采取培养、引进相结合的原则,进行师资队伍结构的优化,不断提高实验教学队伍的业务水平和教学能力。建立规范的管理制度、配套措施和有效的教学激励机制,吸引高水平教师投身实验教学。引导教师和实验技术人员加大对实验教学、实验技术改革的投入,积极开展各类教学改革、实验技术改革、精品实验项目建设等。

3.4 实验创新教育实施

以基础性物理实验为依托开展系列化多测试手段、多测量方法的探究教学；以源于诺贝尔奖物理实验进行物理思想、精巧完美的实验构思设计和精湛的实验技术感悟教学,通过感悟研究者的思想、语言和方法,集中传递科学思想,进行创新灵感教学训练；以综合性实验和现代物理测量技术实验为基础,开展设计性实验教学；以实验综合设计和课题训练方式开展创新研究性实验教学。形成完整的“递进式”物理实验教学创新培养模式,通过基于问题的学习、基于研究的学习和基于项目的训练培养学生的自主实践能力、创新意识与创新能力,依托物理实验教学,有效引导学生开展科技创新。

4 协同体系建设具体规划及实施措施

遵循物理实验创新环境4个协同体系共同建设的原则,按照学习借鉴与发挥自身优势结合,遵循边探索、边实践、边建设、边总结、边完善的方式开展工作,结合当前物理实验课程创新教学的现状、改革及发展趋势,在学校相关职能部门的配合下,建立完善的物理实验课程创新环境建设协同体系。

4.1 课程体系结构与实验项目模块化设计

以“注重物理思想、强调实验过程、突出能力培养、体现自主学习、石油特色和工程应用”为指导思想,课程体系结构按照理工科分明、必修选修兼顾、课内与课外结合的原则进行设计。根据物理学科和实验课程的特点,经过几年的建设和完善,在原有“一体化、多层次、分级教学、全面开放”课程教学体系基础上构建了4个层次课程体系和8个实验教学模块。以研究性教学为主线,注重“夯实基础、提高兴趣、石油特色、知识转移、综合交叉、反映现代、实现创新”教学目标的实现,提高物理实验系列课程的教学效果和水平,如图2所示。

图2 物理实验课程及实验模块结构

4.2 创新环境协同保障体系建设实施

物理实验课程创新协同保障体系建设主要包括实验教学平台建设和信息化平台建设,重点从实验室建设、网络教学资源、实验教学评价体系、信息化教学管理系统等方面协同建设,确保创新环境保障体系软硬件设施完善、功能齐全。总体建设思路为:构建物理创新实验基础框架,具备开展基础性、综合性、设计研究性、系列化和部分现代物理测量技术等创新实验的基础条件；升级改造现有的信息化物理实验教学平台,完善虚拟仿真实验、实验教学评价系统、信息化考核系统,建设功能齐全,资源丰富,虚实结合,涵盖课程准备、课前预习、课后辅导、考核评价及教学管理等多项功能,与课程教学体系紧密结合,确保对实验教学各个环节辅助作用最大化,为学生获取相关物理实验学习信息创造丰富、方便快捷的实验信息化平台。

具体建设规划:完善挖掘现有实验条件,提供创新实验基础平台,营造创新性实验与研究性学习环境；突出物理思想、融入学科交叉渗透、反映应用技术与现代物理测量技术等内容；建立全面开放、资源共享、学科交叉、信息化含量较高的创新性和研究性实验平台环境。实施“自主、自由、自创、自理”开放模式和柔性培养模式。

4.3 师资队伍建设策略

师资队伍建设着重于青年教师的培养,主要从教学研讨、教学资料展评,示范课堂,以实验室为单位成立教学小组,从教学研究、申请课题、指导创新等几方面进行建设和管理。

(1) 以实验室为单位,成立教学小组,老中青结合,促进青年教师不断提高教学水平。

(2) 加强理工科物理实验教学团队建设。以课程为单位,加强物理实验教学团队建设,采取有效激励机制,吸引高水平教师投身实验教学。

(3) 教学科研两手抓,相互促进上水平。通过定期组织教学研讨、内部教学资料展评和学术报告交流会等形式,鼓励更多的教师,尤其是青年教师积极主动开展教学研究和科研工作,不断提升自身的专业知识结构和水平。

(4) 采取多种有效措施不断提升实验技术人员业务和管理素质。通过定期实验室管理轮换、内部业务培训、不定期实验室检查、外部交流等措施,不断提高团队实验技术人员的业务水平。

4.4 创新实验教学模式

实施创新性物理实验教学模式,在实验教学中引导学生开展科技创新,并制定出各环节具体的规范要求及考核标准,有效满足不同层次学生对基础实验课程的自主学习需求。以基础性实验开展系列化多测试手段、多测量方法的探究教学。以石油特色物理实验为切入进行油品及岩石物性的物理方法研究,以综合性实验和现代物理测量技术实验为基础开展设计性实验教学,以实验综合设计和课题训练方式开展创新研究性实验教学等,形成完整的“递进式”物理实验创新教育培养模式,培养学生的创新能力、创新思维与实践能力[13]。

5 建设成效

自2012年至今,我校物理实验中心实验室建设得到了学校在经费上的大力支持,仪器设备总资产超过1 100多万元,实验室净使用面积为2 240 m2。在依托物理实验教学培养学生科技创新方面,已经形成我校物理实验教学团队的优势和特色,实现了教学科研双促进共提升。使全校每年有各专业的4200多名学生受益。培育出许多高水平的学生创新成果。近3年,物理实验教学团队指导大学生创新训练计划项目65项,其中国家级项目13项；指导本科生多项作品获得省级及以上大赛奖31项,指导本科生以第1作者发表研究论文25篇；团队获得省部级及以上大赛优秀指导教师20多人次；荣获青岛市三八红旗手1人、校级教学名师1人、校级劳动模范1人、校级师德标兵1人、先后3人获得校级大学生创新创业优秀指导教师(校十佳)等荣誉称号；教学团队以第1作者发表教学研究论文19篇,其中核心期刊论文9篇；获校级实践艺术类青年教师讲课比赛一等奖1项、二等奖1项；获山东省青年教师微课比赛二等奖1项；2017年度团队中有1名教师先后获得第三届全国高校物理基础课程青年教师讲课比赛山东省赛区一等奖、华东赛区复赛一等奖、全国总决赛二等奖。青年教师凭借扎实的理论功底和专业素养、精湛的教学技艺和丰富的实验教学实践经验,赢得国内同行专家的一致好评,充分展示了我校大学物理实验教师扎实的教学基本功、良好的精神风貌和职业素养。与国内3家企业合作共建物理创新实验室,物理实验中心作为先进集体被《中国石油大学报》给予全面报道,在校内外产生了广泛影响。

6 结语

在教育部支持推动我国高校加快“双一流”建设的大好形势下,需要更积极推进实验教学内容与方法改革，加强课程建设,强化实验室硬件建设,加强师资队伍建设,大力加强开放实验,突出对学生工程意识、创新精神、研究能力的培养,着力强化物理实验课程综合设计和创新训练,更有效推进物理实验教学再上新水平,迈向更高台阶,力争取得更多高水平的创新成果。

参考文献(References)

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