提高設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的實(shí)踐探索＊

張映輝

(大連海事大學(xué)物理系,遼寧大連 116026)

提高設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的實(shí)踐探索＊

張映輝

(大連海事大學(xué)物理系,遼寧大連 116026)

本文根據(jù)新版《理工科類(lèi)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求》,提出大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)著力突出新儀器、新方法的運(yùn)用,突出科研成果轉(zhuǎn)化,突出課題研究導(dǎo)向,從而豐富教學(xué)內(nèi)涵,增強(qiáng)教學(xué)針對(duì)性、生動(dòng)性和可操作性等教改觀點(diǎn).

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn);研究性實(shí)驗(yàn);新儀器、新方法;科研成果轉(zhuǎn)化;課題研究導(dǎo)向

新版《理工科類(lèi)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求》(2008)將大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)明確劃分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)4個(gè)層次.經(jīng)過(guò)幾十年的教學(xué)實(shí)踐積累,國(guó)內(nèi)各院校在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)方面,都有比較成熟的課程體系、教材和教學(xué)模式,而對(duì)如何搞好設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué),尚在探索中.后兩者雖然所占比重不大,但其在國(guó)家創(chuàng)新型人才培養(yǎng)戰(zhàn)略中地位重要,且教學(xué)難度明顯超出前兩者.因此,加強(qiáng)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué),探索相關(guān)的課程設(shè)置(教學(xué)內(nèi)容)和教學(xué)方法,是當(dāng)前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的難點(diǎn)和重點(diǎn).

總結(jié)多年物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐和教改研究經(jīng)驗(yàn),筆者認(rèn)為應(yīng)從如下幾個(gè)方面加強(qiáng)設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué).

1 圍繞經(jīng)典理論的設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)應(yīng)積極采用新儀器、新方法

物理學(xué)是實(shí)驗(yàn)科學(xué),物理理論總是與物理實(shí)驗(yàn)相互印證,相互促進(jìn).經(jīng)典理論、原理無(wú)疑早已被實(shí)驗(yàn)所證明,但作為基礎(chǔ)訓(xùn)練,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)總是離不開(kāi)對(duì)其進(jìn)行研究和印證,以期加深對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)和理解,并從中學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)方法,熟悉實(shí)驗(yàn)儀器,掌握實(shí)驗(yàn)原理.許多基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)都是圍繞它們而設(shè)置的.作為科學(xué)研究的基礎(chǔ)性課程,設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、研究性實(shí)驗(yàn)仍須有一些圍繞經(jīng)典理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的研究題目.而新儀器、新方法的運(yùn)用則是提升這些研究題目?jī)?nèi)涵和質(zhì)量的重要途徑.

其一,隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,新儀器、新設(shè)備不斷涌現(xiàn),有的將要甚至正在取代舊有儀器、設(shè)備(如各種數(shù)字儀表、計(jì)算機(jī)數(shù)字儀器等).

其二,多數(shù)新儀器、新方法有簡(jiǎn)捷、方便、直觀、準(zhǔn)確的特點(diǎn),其在研究性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用無(wú)疑會(huì)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率,從而改進(jìn)教學(xué)效果.

其三,從教學(xué)本身的要求來(lái)看,雖然大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是理工科基礎(chǔ)課程,但“基礎(chǔ)”的內(nèi)涵理所應(yīng)當(dāng)?shù)仉S科學(xué)技術(shù)進(jìn)步而不斷更新.

在近幾年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,我們有意識(shí)地把新儀器、新方法列入設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,收到了較好成效.如設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)重力加速度測(cè)定教學(xué)中,我們?cè)谔峁﹤溥x儀器時(shí),除單擺、電子秒表、游標(biāo)卡尺、米尺、滑動(dòng)導(dǎo)軌、小車(chē)、砝碼、計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)儀等傳統(tǒng)儀器外,還提供了新型焦利秤、霍爾開(kāi)關(guān)傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器、Datastudio應(yīng)用軟件、用凱特?cái)[測(cè)量重力加速度仿真實(shí)驗(yàn)等新型儀器設(shè)備和軟件,這樣直接引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)傳感技術(shù),不僅開(kāi)闊了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路,還提高了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精度.又如,在設(shè)計(jì)熱敏電阻溫度計(jì)實(shí)驗(yàn)中,采用智能溫控加熱器給熱敏電阻加熱,而智能溫控加熱器本身所具有的豐富設(shè)計(jì)思想,也對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新思維很有啟發(fā)和幫助.

此外,在幾種常用傳感器(光纖位移傳感器、電渦流傳感器、電容傳感器、差動(dòng)變壓式傳感器)特性研究,基本電路(整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、RLC暫態(tài)電路)特性研究,電子荷質(zhì)比測(cè)定等實(shí)驗(yàn)中,都應(yīng)盡可能地引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用新儀器、新方法.

2 努力把最新科研成果轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)課題

物理及相關(guān)學(xué)科的最新科研成果,能夠很好地展示物理定律和原理、引領(lǐng)科學(xué)實(shí)(試)驗(yàn)與研究、增強(qiáng)學(xué)生研究意識(shí)和設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力.在設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,注意適當(dāng)引進(jìn)這些成果,不僅能夠提高教學(xué)內(nèi)容的生動(dòng)性、應(yīng)用性,增強(qiáng)操作性和學(xué)習(xí)興趣,而且完全符合“自己設(shè)計(jì)方案獨(dú)立完成”、“學(xué)生個(gè)體或團(tuán)隊(duì)以科研方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”等要求.

幾年來(lái),經(jīng)過(guò)不斷探索開(kāi)發(fā),我們先后把下列科研成果引入設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué):

1)“大氣壓下非平衡等離子體形成及其輸運(yùn)特性機(jī)理研究”(遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目No.RC-04-06)成果轉(zhuǎn)化為:“大氣壓下電暈放電的產(chǎn)生與伏安特性研究”、“低溫等離子體參量的雙探針診斷研究”和“電荷電壓法測(cè)量介質(zhì)阻擋放電功率”等3個(gè)實(shí)驗(yàn).

2)“Nd3+/Er3+共摻雜中紅外氟氧化物激光玻璃材料的研究”(國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目)成果轉(zhuǎn)化為“玻璃材料設(shè)計(jì)與制備”實(shí)驗(yàn).

3)“全自動(dòng)液晶器件參數(shù)綜合測(cè)試儀的研究開(kāi)發(fā)”(科技部中小企業(yè)創(chuàng)新基金重點(diǎn)項(xiàng)目)成果轉(zhuǎn)化為“液晶電光效應(yīng)”實(shí)驗(yàn).

4)“非線性相位調(diào)制假彩色編碼實(shí)驗(yàn)儀研制”(交通部“兩課”建設(shè)項(xiàng)目)成果轉(zhuǎn)化為本校和哈爾濱工程大學(xué)、中央民族大學(xué)等單位用于教學(xué)、科研的實(shí)驗(yàn)儀器,為本校學(xué)生開(kāi)出實(shí)驗(yàn):“非線性相位調(diào)制假彩色編碼”.

5)“RC充放電智能化實(shí)驗(yàn)儀”(學(xué)生設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn))成果實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)顯示 RC充放電過(guò)程,并能隨機(jī)采集相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),已由上級(jí)批準(zhǔn)正式列為實(shí)驗(yàn)“RC串聯(lián)電路充放電特性研究”教學(xué)儀器.

學(xué)生設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)成果多人次在省級(jí)和校級(jí)科技大獎(jiǎng)賽中獲獎(jiǎng),其中:“放電等離子體玉米秸稈粉末制糖裝置”獲2009年遼寧省挑戰(zhàn)杯賽一等獎(jiǎng)“;發(fā)射光譜協(xié)同放電截面電流診斷等離子體電子密度的裝置”獲遼寧省挑戰(zhàn)杯賽二等獎(jiǎng).

3 以正在研究攻關(guān)的課題為導(dǎo)向進(jìn)行設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)

如果說(shuō),物理及相關(guān)學(xué)科最新科研成果轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱岣呓虒W(xué)的應(yīng)用性和生動(dòng)性,從而促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的話,那么,以正在研究攻關(guān)的課題為導(dǎo)向,讓他們參與到課題研究中來(lái),則既加強(qiáng)了研究力量,發(fā)揮了學(xué)生的聰明才智,又能夠使設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)真正名副其實(shí),引領(lǐng)學(xué)生真正進(jìn)入探索、研究、設(shè)計(jì)、創(chuàng)新的境界.

我系承擔(dān)的2007年國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“遠(yuǎn)洋船舶壓載水羥基自由基工程化處理技術(shù)開(kāi)發(fā)”是針對(duì)遠(yuǎn)洋船舶壓載水生物污染與水質(zhì)凈化問(wèn)題,進(jìn)行的羥基自由基工程化關(guān)鍵技術(shù)研發(fā),在課題研究過(guò)程中,我們將其分解為“大氣壓強(qiáng)電場(chǎng)(≥100kV/cm)電離放電加速電子(≥10eV)獲得高濃度活性粒子的機(jī)理和方法研究”、“小型模塊化陣列式羥基自由基發(fā)生源的研制”、“大氣壓強(qiáng)電場(chǎng)放電高效生成羥基自由基(·OH)方法研究”、“海水中羥基自由基檢測(cè)的方法研究”等多個(gè)子課題,由幾名教授分別帶領(lǐng)研究生和部分本科生承擔(dān)研究任務(wù),實(shí)現(xiàn)了教學(xué)科研雙豐收.

此外,我們還將等離子體、凝聚態(tài)研究課題的相應(yīng)子課題以畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的形式交給本科學(xué)生,讓他們自主設(shè)計(jì)、自選儀器,由教師指導(dǎo)進(jìn)行設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn),如“DBD等離子體源時(shí)空尺度問(wèn)題初探”、“危險(xiǎn)品熒光標(biāo)記物的探索研究”、“大氣壓高流場(chǎng)微型等離子體測(cè)試儀的實(shí)驗(yàn)研究”、“強(qiáng)電離放電煙氣脫硫的實(shí)驗(yàn)研究”、“電磁波在輝光等離子體中的傳播特性”等,許多題目收到意想不到的成果.

總之,設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新課題,也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重點(diǎn)和難點(diǎn).突出新儀器、新方法的運(yùn)用,突出最新科研成果的轉(zhuǎn)化,突出課題研究導(dǎo)向是豐富教學(xué)內(nèi)涵,增強(qiáng)教學(xué)針對(duì)性、生動(dòng)性和可操作性,提高其教學(xué)質(zhì)量的有效途徑,我們將在實(shí)踐中不斷進(jìn)行探索.

[1] 張映輝.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009

2010-10-12)

大連海事大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目(2009Y23)資助.