建立實驗室開放平臺,培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力

梅忠義 石 凱

(合肥工業(yè)大學(xué)應(yīng)用物理系,安徽合肥 230009)

建立實驗室開放平臺,培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力

梅忠義 石 凱

(合肥工業(yè)大學(xué)應(yīng)用物理系,安徽合肥 230009)

實驗室開放與大學(xué)生課外創(chuàng)新活動相結(jié)合,彌補了各自的不足,形成了優(yōu)勢互補.通過開放實驗室,組織大學(xué)生開展設(shè)計性和研究性實驗,自制儀器、維修設(shè)備、編制CAI課件、參與教師的科研項目等課外創(chuàng)新活動,有效地提高了實驗教學(xué)質(zhì)量,發(fā)展了學(xué)生的興趣愛好和特長,提高了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力.

開放實驗室;大學(xué)生;課外創(chuàng)新活動;認(rèn)識;實踐

實驗室是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的搖籃,是現(xiàn)代大學(xué)的心臟[1].從科學(xué)發(fā)展的角度看,人們在認(rèn)識自然、改造自然所進行的各種科學(xué)實驗中,造就了一批又一批科學(xué)巨匠,給人類進步帶來美好的希望.事實證明,實驗室從來就是歷史上許多重大技術(shù)革命的發(fā)源地.因此,如何加強高校實驗室的建設(shè),是一件具有現(xiàn)實意義的事情.近年來,各高校已逐漸實行了實驗室開放,這樣既有利于充分利用實驗室的空間和資源,又有利于學(xué)生自主地進行實驗活動,自主安排學(xué)習(xí)的時間,從而調(diào)動和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性.

1 對實驗室開放必要性的認(rèn)識

1.1 實驗室開放是實施素質(zhì)教育的必然要求

在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中,實驗教師是傳授知識和技能的主體,而學(xué)生則被動地接受知識和技能.這種教學(xué)多采用灌輸式,其實驗課題的選擇,儀器設(shè)備的準(zhǔn)備等都由實驗教師進行.實驗前,實驗教師一般要進行詳細(xì)講解,甚至操作示范;同時實驗教材又把實驗原理、步驟,甚至某些實驗現(xiàn)象都寫得一清二楚.實驗時學(xué)生只需按規(guī)定的步驟機械地操作即可.實驗內(nèi)容還具有理論驗證性和單一性的特征,使學(xué)生失去了想象空間和思維的空間.學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi),只需動手完成實驗講義上的步驟,記錄實驗測量數(shù)據(jù),然后下課.這種教學(xué)模式嚴(yán)重阻礙了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性、創(chuàng)造力,已經(jīng)不能適應(yīng)培養(yǎng)高素質(zhì)人才的要求.

因此,必須對當(dāng)前的實驗教學(xué)進行徹底改革,使之適應(yīng)我國教育事業(yè)的發(fā)展和高素質(zhì)人才培養(yǎng)的需要.素質(zhì)教育是一種理念,是一種教育思想,它本身不能直接作用于教學(xué)活動,必須依托有效的載體,只有把素質(zhì)教育這一理念貫穿于教學(xué)活動中,才能真正有效地實施素質(zhì)教育[2].在實驗教學(xué)中實施素質(zhì)教育的一個重要措施就是開放實驗室,開放實驗室可以為學(xué)生提供一個自由發(fā)展的空間,充分發(fā)揮學(xué)生之間協(xié)作攻關(guān)的潛能,使他們在知識、能力、情感和價值觀等方面得到全面的發(fā)展,特別是對于糾正傳統(tǒng)教育對人的發(fā)展所帶來的一些弊端,適應(yīng)現(xiàn)代社會對人才綜合素質(zhì)的需求具有重要作用.

1.2 實驗室開放能體現(xiàn)“以學(xué)生為本”的教育理念

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)根據(jù)統(tǒng)一的大綱要求,用統(tǒng)一的教材、統(tǒng)一的進度和同一的教學(xué)方法,很難體現(xiàn)“以學(xué)生為本”的教育理念.這一問題反映在兩個方面:從時間安排上來看,全班同學(xué)在同一時間段內(nèi),在同一地點,進行同樣的實驗,這樣對于基礎(chǔ)較好的學(xué)生可能會有比較富余的時間,而對于原有基礎(chǔ)薄弱或動手能力差的學(xué)生就可能無法按時完成任務(wù).從實驗內(nèi)容安排上來看,存在同樣的問題,基礎(chǔ)好的學(xué)生“吃不飽”,而基礎(chǔ)差的學(xué)生卻“吃不了”.學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定的實驗任務(wù),沒有給學(xué)生留有完成其他感興趣環(huán)節(jié)的時間.另外學(xué)生突發(fā)靈感,或?qū)δ臣潞苡信d趣時,沒有給他們提供施展的場所.這種規(guī)定內(nèi)容、規(guī)定時間的教學(xué)模式就很難培養(yǎng)出新時代所需的人才,而實驗室開放后,學(xué)生進入開放實驗室,就可以根據(jù)自己的實際情況自愿、自由、自主地進行不同層次的實驗,從而使每個學(xué)生在各自的小天地里獲得成功.

1.3 能夠變學(xué)生的“被動學(xué)習(xí)”為“主動學(xué)習(xí)”

大學(xué)生思維活躍,容易對某些傳統(tǒng)理論提出質(zhì)疑,特別愿意多做一些有自主思考價值的實驗.開放實驗室可以最大限度地滿足學(xué)生這種需求,給學(xué)生創(chuàng)造自主地進行實驗活動的環(huán)境,可以將學(xué)生的“要我做實驗”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙鰧嶒灐?在開放的實驗室中學(xué)生的主體性得到了充分的尊重,學(xué)生的主體地位體現(xiàn)在他們不是被動地接受知識,而是主動地學(xué)習(xí)和運用知識;學(xué)生可以參與從活動設(shè)計到評價的全過程,既是學(xué)習(xí)者也是活動的組織者.教師的作用主要是向?qū)W生提供必要的指導(dǎo)和建議,師生之間指導(dǎo)與被指導(dǎo)的縱向的單向交流,為學(xué)生與學(xué)生之間的互相促進的多向交流關(guān)系所取代.學(xué)生可以運用所學(xué)的知識,自己設(shè)計實驗題目,實驗內(nèi)容、實驗條件、實驗步驟,進行創(chuàng)新研究和探索.因此,學(xué)生不會感到枯燥無味,而感到探索的奇境其樂無窮.

1.4 實驗室開放是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要舉措

創(chuàng)新教育是現(xiàn)代教育的根本要求,每一個大學(xué)生都有創(chuàng)新的潛能,關(guān)鍵是要開發(fā)和培養(yǎng).事實表明:只有在一個寬松、積極主動的條件下,學(xué)生才能迸發(fā)出智慧的火花,被動式的教學(xué)方式只能使學(xué)生機械地接受知識[3].開放實驗室,開展課外創(chuàng)新活動,能為學(xué)生提供一個發(fā)揮個人潛能的廣闊空間,不僅有利于學(xué)生將理論知識與實際應(yīng)用結(jié)合起來,而且也使學(xué)生在實驗與制作的過程中對生產(chǎn)過程有更深的了解,對現(xiàn)代工程師應(yīng)具有的能力與素質(zhì)有了更深的認(rèn)識.在這些活動中,學(xué)生必然會碰到許多新情況、新信息、新問題,使思維處于非平衡狀態(tài),這就要求學(xué)生必須進行創(chuàng)造性加工,即在新情況、新信息、新問題的沖擊下,對舊的知識經(jīng)驗進行選擇、重組、改造,從而產(chǎn)生新思想、新行動,使思維從舊的有序到新的無序再進入到新的有序狀態(tài),這時的思維過程體現(xiàn)出很強的獨立性、綜合性、新穎性和靈活性,而這些正是創(chuàng)造力所具有的特性.

2 基于實驗室開放平臺,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的實踐

開放實驗室,并不是簡單地將實驗室的門打開,將實驗時間延長,而是應(yīng)該有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐能力,這是實驗室開放的本質(zhì)要求.即實驗室開放不能僅作為一種形式,除了按規(guī)定的開放時間安排指導(dǎo)老師、提供設(shè)備外,還應(yīng)將實驗室開放工作與學(xué)生科技活動相結(jié)合.學(xué)生科技活動開展存在制作場地、儀器設(shè)備、指導(dǎo)老師等方面問題,而實驗室的開放就可以解決這些問題;同時學(xué)生科技活動的開展又解決了實驗室開放期間冷冷清清、學(xué)生寥寥無幾的現(xiàn)象.因此實驗室開放與學(xué)生科技活動相結(jié)合,彌補了各自的不足,形成了優(yōu)勢互補[4].為了充分發(fā)揮實驗室的育人作用,滿足不同層次學(xué)生的需要,我們在開放實驗室中采取了以下多種形式:

2.1 設(shè)置預(yù)備性實驗

筆者曾對我校新生的物理實驗基礎(chǔ)進行過抽樣調(diào)查,在回答“在中學(xué)階段,物理教材上的學(xué)生分組實驗?zāi)愣加H自動手做了嗎”這一問題時,僅有34%的學(xué)生反映全部或多數(shù)實驗都做了,有59%的學(xué)生反映較少做實驗,還有7%的學(xué)生反映一個實驗都沒做.可見來自于不同地區(qū)和學(xué)校的新生物理實驗基礎(chǔ)嚴(yán)重參差不齊!為了給中學(xué)物理實驗基礎(chǔ)較差的學(xué)生提供補課的機會,我們在開放實驗室中設(shè)置了預(yù)備性實驗,實驗項目由一些在中學(xué)物理知識基礎(chǔ)上可進行的部分傳統(tǒng)實驗改造而成,如薄透鏡焦距的測定、電表的改裝等,內(nèi)容源于高中物理,但又高于高中物理,很受學(xué)生們的歡迎.

2.2 開放基礎(chǔ)性實驗

基礎(chǔ)性實驗是培養(yǎng)學(xué)生實驗技能的重要一環(huán),通過這一環(huán)節(jié)的訓(xùn)練,可以使學(xué)生牢固掌握實驗的基本理論和方法,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真、實事求是的科學(xué)態(tài)度,形成良好的實驗操作技能和心智技能,是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的基礎(chǔ).為了加強學(xué)生們的基礎(chǔ)實驗訓(xùn)練,我們將教學(xué)大綱規(guī)定的全部實驗項目都面向?qū)W生開放,并安排教師或?qū)嶒灱夹g(shù)人員到場進行指導(dǎo),每天10小時,學(xué)生可隨時進入開放實驗室,為他們的實驗預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、實驗技能訓(xùn)練提供良好的條件.

2.3 完成真正意義上的設(shè)計性和研究性實驗

設(shè)計性實驗是指根據(jù)給定的實驗題目和要求,由學(xué)生自己設(shè)計實驗方案、選配實驗儀器、擬定實驗步驟,并獨立完成全過程的實驗,是對今后進行工程設(shè)計的模擬訓(xùn)練過程;研究性實驗從查閱資料、確定研究課題、制定實驗方案、實施實驗過程、記錄實驗結(jié)果、分析實驗數(shù)據(jù),一直到按照研究論文的形式撰寫實驗報告等整個實驗過程中,都是在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生按照科學(xué)研究的方式進行的,一個研究性實驗就是一個微型科研項目.

近年來,國內(nèi)在實驗教學(xué)改革方面進行了許多有益的嘗試,包括我校在內(nèi)的一些高等學(xué)校在實驗教學(xué)中也設(shè)置了一些設(shè)計性或研究性實驗項目,但由于受到每個實驗的教學(xué)時數(shù)太少(僅3學(xué)時)和教學(xué)模式單一(僅為課堂教學(xué))的限制,最終效果還是不夠理想,甚至仍將這些實驗開成了驗證性的或測定性的.而在開放的實驗室中進行實驗設(shè)計和實驗研究,學(xué)生就會有足夠的時間進行查閱資料,設(shè)計方案、實驗操作、互相啟發(fā)和討論,才能完成真正意義上的設(shè)計性和研究性實驗.例如,“金割效應(yīng)物理擺”是我校物理實驗室的自制儀器設(shè)備,是應(yīng)用黃金分割法對物理擺進行設(shè)計和研究的國家專利產(chǎn)品,曾作為研究性實驗對學(xué)生開出.但由于前面所述的原因,僅僅在課堂教學(xué)3學(xué)時內(nèi),學(xué)生只能完成一些基本測量,大量的研究性工作根本無法進行,實驗開設(shè)的效果只能相當(dāng)于一個測定性實驗.然而在開放實驗室的情況下,由學(xué)生組成的研究小組就可以對該實驗進行深入細(xì)致的研究,他們不僅應(yīng)用黃金分割法優(yōu)選出物理擺周期的極值,而且還深入研究了物理擺的多項特性,設(shè)計并完成了許多實驗研究方案,如利用該物理擺探究系統(tǒng)的質(zhì)量分布與周期的變化關(guān)系、驗證轉(zhuǎn)動定律與平行軸定理、測量轉(zhuǎn)動慣量和重力加速度等.學(xué)生們的一些研究成果也陸續(xù)發(fā)表在相關(guān)學(xué)術(shù)刊物上.

2.4 設(shè)計和制作新的實驗儀器設(shè)備

自制教學(xué)儀器設(shè)備是教學(xué)活動中永恒的課題.同時,自制教學(xué)儀器本身就是一項創(chuàng)新活動.在開放的實驗室中組織學(xué)生參加新的實驗儀器設(shè)備的制作,能夠為學(xué)生提供一個很好的創(chuàng)新情境.例如為了解決大學(xué)物理實驗中激光光源不穩(wěn)定的現(xiàn)象,學(xué)生在教師的指導(dǎo)下自行設(shè)計制作了“激光精密測試平臺”,從一開始的電源部分,模擬、數(shù)字電路部分,到激光管部分等每一步都由學(xué)生進行精密的模擬設(shè)計和測試.為了做好平臺的電源部分,學(xué)生們還去了有關(guān)變壓器公司親自繞線生產(chǎn),一次次地進行試驗,親自去電子產(chǎn)品公司購置各種元器件,測試各自的性能.通過自制教學(xué)儀器設(shè)備的活動,有效地提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力.

2.5 制作計算機輔助實驗教學(xué)課件

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展,以計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的現(xiàn)代多媒體技術(shù)已開始在教育領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用,為實驗教學(xué)提供了豐富的課程資源.但是從外面購買來的計算機輔助實驗教學(xué)課件往往并不適合本校實驗儀器和學(xué)生的特點,而自己編制則需要花費較多的人力和精力.在開放實驗室的情況下,學(xué)生就可以在教師的指導(dǎo)下,根據(jù)本校實驗教學(xué)和儀器設(shè)備的具體情況,參與編制各種計算機輔助實驗教學(xué)課件,如各種數(shù)據(jù)處理軟件、模擬實驗軟件、仿真實驗軟件、計算機實時數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)等.通過這些活動,既鞏固了學(xué)生的理論知識、操作技能和計算機應(yīng)用能力,又有效地推動和改善了實驗教學(xué).

2.6 維修實驗室的儀器設(shè)備

實驗室存放著許多年久失修、精度較差的各類儀器,例如:萬用表、電流表、電壓表、示波器等.為了培養(yǎng)學(xué)生的能力,我們有意識地讓學(xué)生參與儀器設(shè)備的維修.在教師的指導(dǎo)下,學(xué)生首先在基礎(chǔ)測試實驗中發(fā)現(xiàn)這些儀器的問題故障所在,然后針對問題思考討論、分析判斷給予相應(yīng)的解決方案,并在教師的指導(dǎo)下親自動手排除故障.通過拆、修等實踐環(huán)節(jié),使學(xué)生對相應(yīng)理論和原理有了更深的領(lǐng)悟與理解,更加熟悉了常用儀器的使用方法和操作技能,很好地培養(yǎng)了動手能力及獨立解決問題的能力.例如:通過對示波器的維修,學(xué)生就能對示波器的基本原理、基本結(jié)構(gòu)以及各項特性等都爛熟于心,做到了實踐動手與理論知識的完美融合.

2.7 參加教師的科研項目

許多老師都主持一些需要進行實驗研究的科研項目,期望得到助手的參與和幫助,而學(xué)生又迫切希望參加科學(xué)研究活動.開放實驗室為他們提供了極好的機會.在開放的實驗室中,老師可以將課題分成許多小塊,學(xué)生成立幾個研究小組,讓學(xué)生投身科研第一線,在教師的指導(dǎo)下完成查閱資料,制定方案,實驗研究,總結(jié)論證的全過程.學(xué)生們對這項內(nèi)容的興趣極為濃厚,實驗室一位教師主持的單片機控制系統(tǒng)的研究項目,原準(zhǔn)備吸納幾位同學(xué)參加,可報名的就有50多名.學(xué)生在實驗室參加教師的科研項目,使實驗室在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力上發(fā)揮了作用,為大學(xué)生提前進入科研領(lǐng)域提供了條件.而且學(xué)生在參與教師科研課題的同時,也申報并獲批了一些自己主持的創(chuàng)新型實驗研究課題,例如:應(yīng)用于鐵、銅等金屬的金屬探測傳感器的研究;實驗數(shù)據(jù)采樣處理集成系統(tǒng)制作;研究性和設(shè)計性物理實驗的探究;紅外線傳送與接收系統(tǒng)等,這些項目在老師的指導(dǎo)下,利用實驗室提供的設(shè)備及場地進行研究,在很大程度上豐富了實驗室開放的內(nèi)容.

3 收獲與體會

實驗室的開放為學(xué)生提供更多進入實驗室學(xué)習(xí)和實踐的機會,開展課外創(chuàng)新活動更容易突出學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和張揚學(xué)生的個性,有利于發(fā)揮學(xué)生的潛能[5].這既是課堂教學(xué)的補充發(fā)展,又是學(xué)校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要渠道.我們深刻體會到:通過這些活動,學(xué)生不僅學(xué)會了實驗研究的基本程序,更重要的是學(xué)會了科研工作嚴(yán)謹(jǐn)、求實、創(chuàng)新的精神以及觀察事物、解決問題的科學(xué)方法,使學(xué)生的個性、特長、創(chuàng)造力等方面有了發(fā)展的空間,同時也提高了校園文化的品位,促進了學(xué)風(fēng)、校風(fēng)的建設(shè).

總結(jié)開放實驗室、開展大學(xué)生課外創(chuàng)新活動的經(jīng)驗,我們看到,這項活動的開展,不僅培養(yǎng)了學(xué)生的各種能力,而且在學(xué)生的科學(xué)態(tài)度、價值觀念、學(xué)習(xí)興趣和堅定的意志等方面的培養(yǎng)也起到了重要的作用,而這些對于學(xué)生來說,不管他們明天的職業(yè)如何,都是非常重要的,因為這意味者他們是在吸取科學(xué)研究中層次最高、最具遷移價值的那一部分財富,將會長久地影響著學(xué)生未來的事業(yè)和生活.

[1] 馮端.實驗室是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的搖籃[J].實驗室研究與探索,2008,(10):1～5

[2] 劉華東,韓紅江.開放實驗室構(gòu)建實驗教學(xué)新體系[J].中國高等教育,2003,(13、14):30～31

[3] 付爭兵.建立開放式實驗室的必要性及其管理模式探討[J].實驗室研究與探索,2008,(3):126～127

[4] 劉紅.實驗室開放與學(xué)生科技活動相結(jié)合探討[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2008,(1):80～82

[5] 于文梅.大學(xué)生課外創(chuàng)新活動開展現(xiàn)狀與對策探討[J].黑龍江高教研究,2005,(1):115～117

INNOVATIVE ABILITY CULTIVATION OF STUDENTS BASED ON LABORATORY OPENING PLATFORM

Mei Zhongyi Shi Kai
(Department of Applied Physics,Hefei University of Technology,Hefei,Anhui 230009)

The combination between the laboratory opening and the extracurricular innovation activities of the students has made up the respective lacks and complemented the advantages by each other.The experimental teaching quality has been promoted by means of the physics laboratory opening,the organization of designed and investigated experiments,the instruments self-making,the facilities maintenance,the CAI courseware programming and the project participation.Additionally,the interests and specialties of college students have been developed.Abilities of the practice and innovation of students have been improved as well.

laboratory opening;college students;extracurricular innovation activity;cognition;practice

2010-01-25)

梅忠義(1956年出生),男,安徽宿州人,合肥工業(yè)大學(xué)應(yīng)用物理系實驗中心主任,副教授,碩士生導(dǎo)師.