廣州大學(xué)物理實驗教學(xué)模式改革的研究與實踐

樊軍輝, 徐 偉, 皮飛鵬, 馬 穎, 張靖儀, 王洪光, 覃一平

(廣州大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院, 廣東 廣州, 510006)

廣州大學(xué)物理實驗教學(xué)模式改革的研究與實踐

樊軍輝, 徐 偉, 皮飛鵬, 馬 穎, 張靖儀, 王洪光, 覃一平

(廣州大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院, 廣東 廣州, 510006)

總結(jié)了廣州大學(xué)物理實驗教學(xué)模式改革的思路及方案, 實驗教學(xué)體系建設(shè), 實驗教學(xué)方法和手段, 教學(xué)過程、內(nèi)容和考核方式等實踐過程中的經(jīng)驗和體會. 闡述了實驗課程定位與建設(shè)理念, 探討了實驗教學(xué)方法的創(chuàng)新, 介紹了教學(xué)改革所取得成果.

物理實驗; 教學(xué)模式; 教學(xué)理念; 教改成果

基礎(chǔ)物理實驗是大學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后首先面對的實驗, 對大學(xué)生的培養(yǎng)有著非常重要的作用. 隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展, 現(xiàn)代社會對人才的需求, 物理實驗在人才培養(yǎng)中肩負(fù)著重要?dú)v史使命. 物理實驗課程改革引起眾多學(xué)者關(guān)注[1-4]. 廣州大學(xué)物理實驗課程始于1958年廣東師范學(xué)院, 有著悠久的開課歷史, 經(jīng)過多年來的摸索與探討, 該課程已經(jīng)取得了一定的教學(xué)改革經(jīng)驗與成績. 主要體現(xiàn)在教學(xué)模式、教學(xué)體系、教學(xué)方法、教學(xué)過程、教學(xué)成果及其應(yīng)用等方面[5]. 廣州大學(xué)物理實驗中心是廣東省物理實驗教學(xué)示范中心, 下設(shè)5個分室: 大學(xué)物理、近代物理、演示開放實驗室、綜合開放實驗以及現(xiàn)代天文觀測與技術(shù)實驗室. 實驗室面積達(dá)6 000 m2, 可開設(shè)實驗項目130余項. 其中綜合型實驗30項, 設(shè)計型實驗20項. 與實際應(yīng)用相結(jié)合的創(chuàng)新型、應(yīng)用型實驗30個, 綜合型、設(shè)計型實驗占38%, 創(chuàng)新型實驗占23%.

物理實驗中心面向全校28個專業(yè), 每年完成學(xué)生實驗的人時數(shù)達(dá)9.8萬. 中心實行全天候開放, 為學(xué)生畢業(yè)論文(設(shè)計)、科研立項、科技創(chuàng)新活動及學(xué)生參加各種級別的賽事, 如物理實驗大賽、電子設(shè)計大賽、挑戰(zhàn)杯等各種競賽活動提供實驗活動場所. 近年來培養(yǎng)了一大批在省、國家級實驗大賽中獲獎的學(xué)生.

1 實驗教學(xué)定位

以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、解決問題能力和創(chuàng)新能力為目的, 建設(shè)能滿足多層次物理實驗教學(xué)需要, 面向校內(nèi)外全面開放, 具有鮮明特色的基礎(chǔ)物理實驗示范中心.

a. 以“加強(qiáng)基礎(chǔ)、重視應(yīng)用、開拓思維、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)”為指導(dǎo).

b. 以深化課程體系、教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段改革為核心.

c. 以建立一支觀念新、素質(zhì)高、能力強(qiáng)、甘于奉獻(xiàn)的教師隊伍為保障.

d. 以實施科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略為向?qū)?

2 實驗室建設(shè)與實驗教學(xué)改革目標(biāo)

實驗室建設(shè)總體目標(biāo)是: 環(huán)境優(yōu)美, 設(shè)備先進(jìn), 管理規(guī)范, 保障得力, 運(yùn)行高效、全面開放的物理實驗中心. 教學(xué)改革的總體目標(biāo)是: 以演示實驗為先導(dǎo), 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣, 以必要的基礎(chǔ)性實驗為基礎(chǔ), 輔以逐步提高的綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗, 以多元化的教學(xué)模式為途徑, 逐步提高綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗比例, 培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、科學(xué)精神和創(chuàng)新思維.

3 實驗教學(xué)改革思路及方案

3.1 深化課程體系改革

物理實驗中心以“加強(qiáng)基礎(chǔ)、重視應(yīng)用、開拓思維、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)”為指導(dǎo)思想, 以培養(yǎng)與提高學(xué)生的科學(xué)實驗素質(zhì)和創(chuàng)新能力為目標(biāo), 構(gòu)建面向全校理工科專業(yè), 模塊式、層次推進(jìn)式、開放式的物理實驗教學(xué)體系. 新的課程體系使物理實驗課設(shè)置由淺入深、由簡單到復(fù)雜、由模仿到設(shè)計, 逐漸加深學(xué)習(xí)內(nèi)容、增大實驗的深度、廣度和難度, 以及綜合運(yùn)用學(xué)習(xí)技能的能力, 符合認(rèn)識規(guī)律和教學(xué)規(guī)律.

3.2 優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容

在實驗教學(xué)內(nèi)容改革中, 強(qiáng)調(diào)教學(xué)內(nèi)容更新和實驗時間的開放性, 加強(qiáng)必修課, 引入選修機(jī)制, 以滿足不同專業(yè)和不同層次學(xué)生的需求. 增加綜合性、設(shè)計性和課題性實驗比例. 現(xiàn)代科技的發(fā)展推動了知識的更新, 對人才培養(yǎng)提出了新的要求, 也對物理實驗課提出了新的要求[6]. 所以, 在原有基礎(chǔ)上補(bǔ)充一些代表現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展的實驗內(nèi)容、實驗方法和技術(shù), 如: 掃描隧道顯微(STM)原理與應(yīng)用, CCD原理及應(yīng)用等.

3.3 重視實驗課對學(xué)生能力的培養(yǎng)

實驗室是學(xué)生創(chuàng)新精神培養(yǎng)的重要基地之一. 我們建立了內(nèi)容豐富、實用性強(qiáng)的物理實驗中心教學(xué)網(wǎng)站, 在完成實驗教學(xué)大綱規(guī)定的實驗教學(xué)的前提下, 改革實驗教材、教學(xué)內(nèi)容和實驗教學(xué)方法, 增設(shè)了一系列帶研究性的小課題實驗和綜合性實驗, 鼓勵學(xué)生申報學(xué)生科研課題; 成立指導(dǎo)老師小組, 學(xué)生可以及時得到專業(yè)指點(diǎn); 要求學(xué)生利用計算機(jī)處理實驗數(shù)據(jù), 既提高實驗數(shù)據(jù)處理精度, 也提高了學(xué)生計算機(jī)的應(yīng)用能力; 提倡和鼓勵學(xué)生了解最新的成果, 勇于面對科學(xué)問題, 勇于探索和創(chuàng)新.

3.4 鼓勵教師將科研成果轉(zhuǎn)化到實驗教學(xué)中去

近年來物理實驗中心堅持培養(yǎng)與引進(jìn)相結(jié)合、專業(yè)與基礎(chǔ)相結(jié)合、教學(xué)與科研相結(jié)合的做法, 形成了一支穩(wěn)定的、結(jié)構(gòu)合理的實驗教學(xué)和實驗技術(shù)核心隊伍. 鼓勵教師將科研成果制作成教學(xué)軟件, 成為教學(xué)內(nèi)容的一部分, 也鼓勵教師指導(dǎo)學(xué)生編寫輔助教學(xué)軟件, 鼓勵教師將研究成果應(yīng)用于實驗教學(xué). 如“氫原子光譜中的線形分析”這一研究成果應(yīng)用于了實驗教學(xué)[7], 既深化和擴(kuò)充了教學(xué)內(nèi)容, 也提高了學(xué)生對原子發(fā)光和原子光譜的認(rèn)識. 應(yīng)用我們在天文觀測和數(shù)據(jù)處理方面一些成果, 指導(dǎo)學(xué)生利用光譜對大氣二氧化碳濃度進(jìn)行分析, 讓學(xué)生利用國際上天文數(shù)據(jù)庫對天體光譜進(jìn)行分析處理等等.

3.5 建立適合本校特點(diǎn)的、開放的實驗室管理體系

實現(xiàn)實驗室由封閉型向開放型轉(zhuǎn)變, 做到實驗全天候開放, 學(xué)生自選實驗項目或課題, 也可以將自己的科研課題帶入實驗室. 學(xué)生可以自由組合實驗(科研)小組, 通過網(wǎng)上預(yù)約、選課系統(tǒng)自主選擇實驗時間.擴(kuò)大了實驗的容量; 促進(jìn)了學(xué)生團(tuán)隊精神的培養(yǎng); 滿足了不同學(xué)科、不同專業(yè)學(xué)生對物理實驗的要求; 提高了儀器設(shè)備和實驗室的利用率; 推動了實驗管理水平和教師工作積極性和主動性的提高.

4 實驗教學(xué)體系建設(shè)

傳統(tǒng)物理實驗課程體系是按普通物理(力、熱、電、光)和近代物理實驗分別安排的封閉體系, 我們忙改革了傳統(tǒng)教學(xué)體系, 建立了實驗課程獨(dú)立發(fā)展的新體系. 新體系的中心思想是: 建立以學(xué)生為主體, 教師為主導(dǎo), 分層次、模塊化、點(diǎn)面結(jié)合、全面開放的物理實驗教學(xué)體系. 將物理實驗課程分為5級, 分別為:基礎(chǔ)物理預(yù)備實驗, 基礎(chǔ)物理實驗, 綜合性、設(shè)計性物理實驗, 近代物理實驗, 創(chuàng)新實驗.

a. 基礎(chǔ)物理預(yù)備實驗: 4～10個實驗項目, 理工學(xué)生必做. 強(qiáng)調(diào)基本儀器使用, 基本物理量的測量,學(xué)生自己選擇項目, 且獨(dú)立根據(jù)教材完成實驗.

b. 基礎(chǔ)性物理實驗: 10～20個實驗, 理工學(xué)生必做. 強(qiáng)調(diào)基本實驗技能的訓(xùn)練、基本測量方法的應(yīng)用、實驗數(shù)據(jù)處理和誤差分析能力的培養(yǎng)等. 涉及普通物理和近代物理的各知識點(diǎn)實驗, 為普及性實驗.

c. 綜合性、設(shè)計性物理實驗: 5～10個實驗. 理科學(xué)生必做, 工科學(xué)生選做. 逐步加大綜合性和設(shè)計性實驗的比例和難度, 學(xué)生需通過一定的努力方可完成實驗. 這樣可增強(qiáng)學(xué)生的自信心, 激發(fā)學(xué)習(xí)主動性,達(dá)到在主動學(xué)習(xí)中提高學(xué)生的思維和創(chuàng)造能力的目的.

d. 近代物理實驗(研究性實驗): 物理師范專業(yè)學(xué)生必做, 其它專業(yè)學(xué)生選做. 面向物理學(xué)各專業(yè)和全校非物理類理科學(xué)生開放. 實驗分為近代物理實驗和高等物理實驗兩部分, 以適應(yīng)21世紀(jì)實驗教學(xué)的需要. 如, 掃描隧道顯微鏡實驗、穩(wěn)態(tài)核磁共振實驗等. 應(yīng)用物理實驗技術(shù)與方法課程作為對物理實驗有濃厚興趣、學(xué)有余力的優(yōu)秀本科生選修課程, 有利于因材施教.

e. 創(chuàng)新實驗項目: 理工科學(xué)生選做. 面向全校各專業(yè)開放, 培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生, 為各種課外科技大賽儲備力量, 這部分實驗為選修, 納入開放實驗管理, 同時進(jìn)入電子創(chuàng)新基地培訓(xùn)(這方面也是我們實驗中心的特色). 實驗內(nèi)容以科研項目為主題, 組織若干個圍繞物理實驗的小課題, 以提升學(xué)生研究能力和培養(yǎng)創(chuàng)新精神為目的. 目前固定研究方向涉及 4個方面: 微波等離子體制備納米材料及光譜特性研究; 氣敏傳感器制備; 激光和光電子技術(shù)及應(yīng)用; 天文觀測研究.

5 實驗教學(xué)方法和手段

改變以實驗課程為主的管理和教學(xué)的方式, 實行以實驗項目為主的管理和教學(xué)方式. 實行項目管理和教學(xué), 主要有如下幾個方面優(yōu)點(diǎn):

a. 能讓更多高水平教師參與實驗教學(xué). 教師承擔(dān)自己所熟悉領(lǐng)域的幾個實驗項目的教學(xué), 甚至將學(xué)生納入到自己的研究項目中實施實驗教學(xué), 實驗教師的整體素質(zhì)得到了極大地提高.

b. 能讓實驗教師有更多精力從事實驗教學(xué)的研究. 實驗教師主要專注幾個實驗項目, 教學(xué)過程即是對實驗項目的研究, 因此, 會產(chǎn)生更多的實驗教學(xué)成果.

c. 能將先進(jìn)技術(shù)和方法應(yīng)用于實驗教學(xué): 將科學(xué)研究和工程技術(shù)中的先進(jìn)方法和技術(shù)手段即時滲透到物理實驗課程中去, 使物理實驗教學(xué)更貼近科技研究前沿. 引入先進(jìn)的實驗方法和技術(shù)手段深入探究物理現(xiàn)象和規(guī)律, 提高學(xué)生科學(xué)精神、實驗素養(yǎng)和創(chuàng)新能力. 另外, 新技術(shù)的應(yīng)用, 也大大提高了學(xué)生對物理實驗的興趣, 并對后繼專業(yè)實驗課的學(xué)習(xí)有很大幫助.

d. 能滿足不同專業(yè)和不同年級學(xué)生的需求. 學(xué)生可以根據(jù)自己的實驗基礎(chǔ), 自己的興趣、愛好和專業(yè)特點(diǎn), 自由組合, 選做一些不同難度的實驗項目或課題, 使學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)、個人興趣愛好得到發(fā)揮, 充分體現(xiàn)因材施教的教學(xué)原則. 使實驗教學(xué)變“要我做實驗”為“我要做實驗”[8].

e. 能充分利用網(wǎng)絡(luò)資源. 學(xué)生首先通過網(wǎng)絡(luò)在實驗中心網(wǎng)站選擇實驗項目, 了解網(wǎng)絡(luò)資源, 通過虛擬實驗室預(yù)習(xí)要做的實驗項目, 并可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)在線交流和提交實驗報告.

6 教學(xué)過程、內(nèi)容和考核方式

物理實驗是大學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后的一門重要實驗課, 對后續(xù)實驗課程影響很大. 因此, 教學(xué)過程和內(nèi)容必須規(guī)范, 明確學(xué)生要掌握的內(nèi)容, 強(qiáng)調(diào)基本實驗儀器的使用, 基本實驗技巧的運(yùn)用, 掌握實驗數(shù)據(jù)處理的基本方法及實驗報告的書寫.

實驗教學(xué)講解的重點(diǎn)是實驗基本原理, 可能用到的基本技術(shù)等, 而不應(yīng)將過多時間用于教學(xué)生怎樣使用儀器, 學(xué)生可通過預(yù)習(xí)或示教設(shè)備熟悉儀器使用.

教學(xué)過程中遇到學(xué)生質(zhì)疑實驗數(shù)據(jù)偏差, 教師應(yīng)正確引導(dǎo)學(xué)生尋求原因, 培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力. 讓學(xué)生知道許多重大發(fā)現(xiàn)正是從這些看似“偏差”的實驗結(jié)果中得到的.

大學(xué)物理實驗是選修課, 有的學(xué)生對該門課程重視度不夠高, 必須建立考核制度. 大學(xué)物理實驗涉及班級和學(xué)生人數(shù)眾多, 全面實操考核有困難, 因此, 我們采用了中國科技大學(xué)大學(xué)物理實驗考試系統(tǒng), 對獲得良好以上成績的學(xué)生再進(jìn)行實操考核, 實操考核成績作為推薦參加校及省實驗大賽的依據(jù).

7 取得的成績

近年來, 我們的實驗課程改革和實踐, 取得了一些可喜成績.

a. 實驗室建設(shè)新發(fā)展. 建成了物理實驗省級示范中心, 加強(qiáng)了“天文觀測與技術(shù)”實驗分室的建設(shè); 建立了廣州市現(xiàn)代天文科普基地; 建成了廣州市重點(diǎn)扶持實驗室和廣東省高校重點(diǎn)實驗室, 該實驗室將與國家天文臺加強(qiáng)合作, 提升實驗室建設(shè)的水平, 打造人才培養(yǎng)平臺.

b. 學(xué)生課外活動成績顯著. 近3年來, 學(xué)生參加各級科技競賽, 獲國家級、省級獎60多項, 其中國家級一等獎3項, 省級一等獎11項.

c. 推動了教學(xué)改革. 《大學(xué)物理》為廣州市精品課程, 物理學(xué)為廣州市名牌專業(yè);《基礎(chǔ)教育新課程理念指導(dǎo)下的物理學(xué)專業(yè)教育實踐環(huán)節(jié)的改革與實踐》獲得了廣州市教學(xué)成果一等獎; 出版了《大學(xué)物理實驗》, 《近代物理實驗》, 《簡明天文學(xué)教程》等教材, 發(fā)表教改論文12篇.

d. 促進(jìn)了學(xué)科建設(shè). 近3年, 實驗室老師積極開展科學(xué)研究, 完成國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目1項, 主持國家自然科學(xué)基金 7項. 獲得了天文學(xué)一級學(xué)科碩士點(diǎn), 天體物理廣東省珠江學(xué)者特聘崗位. 獲得廣州市科技進(jìn)步一等獎和教育部自然科學(xué)二等獎各1項. 2010年天體物理團(tuán)隊被評為廣東省“千百十工程”第四批先進(jìn)團(tuán)隊.

e. 加強(qiáng)了人才培養(yǎng). 為了培養(yǎng)學(xué)生的實驗技巧和科研能力, 教師利用節(jié)假日輔導(dǎo)學(xué)生開展多種形式的探究活動, 并鼓勵學(xué)生參加在省內(nèi)召開的國際和國內(nèi)學(xué)術(shù)會議. 以學(xué)生為第一作者的論文在國外 SCI刊物發(fā)表, 6名本科生獲得中國科學(xué)院國家天文臺獎學(xué)金, 多人考上中國科學(xué)院國家天文臺、中山大學(xué)等科研院所碩士研究生. 教師獲聘珠江學(xué)者1人, 羊城學(xué)者首席科學(xué)家1人, 全國五一勞動獎?wù)芦@得者1人.

f. 擴(kuò)大了對外交流. 2010年主辦了“Multiwavelength Variability of Blazars”國際會議, 2011年承辦了教育部“物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會”會議和粵港澳物理研討會. 近3年, 5人次在國際會議作邀請報告,接待了來自美國、英國、意大利和印度的訪問學(xué)者, 并與意大利帕多瓦大學(xué)達(dá)成協(xié)議進(jìn)行高層次人才培養(yǎng).

8 結(jié)束語

物理實驗系大學(xué)生進(jìn)入高等教育后的第一門實驗課, 其教學(xué)的好壞對學(xué)生后續(xù)課程影響較大. 我們團(tuán)隊一直致力于物理實驗教學(xué)模式改革, 并通過這個改革和實踐提高了學(xué)生參與實驗的積極性、實驗水平和創(chuàng)新能力, 促進(jìn)了教學(xué)、科研、學(xué)科建設(shè)和實驗室團(tuán)隊建設(shè), 取得了一批教學(xué)、科研和學(xué)生活動的成果, 擴(kuò)大了實驗室的影響.

[1] 霍劍青, 王曉蒲, 楊旭.“大學(xué)物理實驗”精品課程的建設(shè)思路與教學(xué)實踐[J]. 中國大學(xué)教學(xué), 2004(11): 19-21.

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(責(zé)任編校: 江 河)

The teaching model for physics experiment in Guangzhou University

FAN Jun-hui, XU Wei, PI Fei-peng, MA Ying, ZHANG Jing-yi, WANG Hong-guang, QIN Yi-ping
(School of Physics and Electronic Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

The ideas and programms for the evolution of teaching model was summarized in physics experiment, and the practical experience and feelings in the construction of the teaching system for experment, the methods of experment teaching, teaching process, treaching contents and the test methods. And the orientation and the construction ideas were elaborated for the experiment courses, the inovation was explored for the teaching methods of experiment, and the results in our reformation for teaching was discussed.

Physics experiment; teaching model; teaching idea; results in the reformation for education

G 642. 423

1672-6146(2012)02-0078-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2012.02.019

2012-04-28

廣州大學(xué)“物理實驗教學(xué)模式改革的研究與實踐”教學(xué)成果培育項目; 廣州市《大學(xué)物理》精品課程項目; “廣州市現(xiàn)代天文科普基地”.

樊軍輝(1965-), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師, 研究方向為天體物理. E-mail: fjh@gzhu.edu.cn