多效多舉 提高學(xué)生創(chuàng)新能力—訪華中科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心熊永紅教授

□本刊記者 葉緯明 張 鵬

熊永紅，教授。現(xiàn)任華中科技大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)國(guó)家精品課程、國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和基礎(chǔ)物理課程國(guó)家教學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。兼中國(guó)高校實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)研究會(huì)常務(wù)理事，中國(guó)物理學(xué)會(huì)物理教學(xué)委員，湖北省物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心聯(lián)席會(huì)理事長(zhǎng)和全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽湖北省競(jìng)賽委員會(huì)副主任。

熊永紅教授自1983年起一直工作在教學(xué)和科研的一線，年均擔(dān)任本科生教學(xué)工作量超過(guò)400學(xué)時(shí)，近年來(lái)指導(dǎo)本科生發(fā)表研究論文10余篇，獲國(guó)家專利2項(xiàng)，指導(dǎo)本科生獲全國(guó)物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽等國(guó)家和省部級(jí)學(xué)科與學(xué)術(shù)競(jìng)賽獎(jiǎng)10余項(xiàng)，研制教學(xué)儀器10余種(全國(guó)評(píng)比獲獎(jiǎng)儀器7項(xiàng))。獲得過(guò)國(guó)家教學(xué)成果一等獎(jiǎng)1次、省教學(xué)成果特等獎(jiǎng)1次、省教學(xué)成果一等獎(jiǎng)2次和二等獎(jiǎng)1次，先后獲寶鋼優(yōu)秀教師、湖北省教學(xué)名師和國(guó)家教學(xué)名師獎(jiǎng)。

在“Phys. Rev. B”“ J. A. C.”“ J. Phys. C”“J. Phys. D”“ J.M. M. M. ”和《物理實(shí)驗(yàn)》等國(guó)內(nèi)外期刊上發(fā)表科研和教學(xué)研究論文70余篇，其中SCI收錄40余篇。

CMEE：2005年教育部啟動(dòng)了“高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)和評(píng)審工作”，促進(jìn)了高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，您能談?wù)勚行牡慕ㄔO(shè)理念嗎？

熊永紅：自2008年中心被評(píng)為國(guó)家級(jí)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)單位以來(lái)，學(xué)校在經(jīng)費(fèi)、設(shè)備和隊(duì)伍配置上給予了極大支持，教育部質(zhì)量工程和985項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)的支持(總投入超過(guò)770萬(wàn)元)，為中心發(fā)展提供了有力的外部環(huán)境。學(xué)校深知一流大學(xué)不僅要有一流的設(shè)施，更需要一流的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。為此，學(xué)校制定了一系列政策和激勵(lì)措施。對(duì)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)、體制改革、管理信息等方面作了明確規(guī)劃。鼓勵(lì)高水平教師從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)，積極支持青年骨干教師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員對(duì)外合作交流，對(duì)參加教改與實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)的人員在成果認(rèn)定、職稱評(píng)定、勞務(wù)提成等方面采取與科研工作同等對(duì)待的方法，有效地調(diào)動(dòng)了教職工參與實(shí)驗(yàn)中心工作的積極性。

物理實(shí)驗(yàn)是大學(xué)生進(jìn)入高校后的科學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的入門課，中心堅(jiān)持以學(xué)生為本，將知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高、全面發(fā)展的教育理念貫穿于整個(gè)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過(guò)程。注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)基本物理思想的理解，對(duì)基本實(shí)驗(yàn)方法的熟悉，對(duì)基本實(shí)驗(yàn)技能的掌握；培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力；培養(yǎng)學(xué)生提出問(wèn)題的能力，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)。中心進(jìn)一步加強(qiáng)了國(guó)家教學(xué)團(tuán)隊(duì)、國(guó)家精品課程和國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)，開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和教學(xué)研究。

CMEE：請(qǐng)您從中心現(xiàn)有儀器設(shè)備中， 選擇1～2件對(duì)提升本科生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?chuàng)新意識(shí)和精神有幫助的自制儀器，作為教學(xué)案例加以介紹。

熊永紅：中心鼓勵(lì)本科生積極參加教師的教改項(xiàng)目，參與教與學(xué)的研究、參加教學(xué)儀器的研制和改進(jìn)，注重在設(shè)計(jì)和研制儀器的過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生深刻理解實(shí)驗(yàn)原理、科學(xué)思維能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。學(xué)生參加研制的多種新儀器，在全國(guó)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器評(píng)比和全國(guó)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器評(píng)比中多次獲獎(jiǎng)，既滿足了本校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，還推廣到全國(guó)十多所高校，獲得良好的教學(xué)效果。例如：

1.熱輻射與紅外掃描成像儀

熱輻射是19世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的新學(xué)科，至19世紀(jì)末對(duì)該領(lǐng)域的研究達(dá)到頂峰，以致于黑體輻射和光電效應(yīng)成為量子論的誕生經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。中心引導(dǎo)本科生參加熱輻射與紅外掃描成像儀的設(shè)計(jì)和研制，讓學(xué)生來(lái)了解眾多科學(xué)家對(duì)熱輻射問(wèn)題的認(rèn)知過(guò)程，了解基爾霍夫定律、斯特藩-玻耳茲曼定律和維恩位移定律，了解普朗克 “黑體輻射公式”的物理含義。重溫這些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，深刻理解科學(xué)家的創(chuàng)造性思維方法和高超實(shí)驗(yàn)技藝對(duì)培養(yǎng)當(dāng)代大學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ谴笥旭砸娴摹?/p>

熱輻射探測(cè)技術(shù)及相關(guān)的定律在現(xiàn)代國(guó)防、科研、航天、天體的演化、醫(yī)學(xué)、考古、環(huán)保、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域中均有廣泛應(yīng)用。例如利用紅外線成像技術(shù)，在建筑上有紅外無(wú)損探傷儀和多種紅外線測(cè)溫儀，在軍事上有各種紅外夜視儀和紅外制導(dǎo)技術(shù)，在醫(yī)療中有醫(yī)用紅外成像儀和紅外醫(yī)療診斷儀等。

使用該實(shí)驗(yàn)裝置學(xué)生可以了解黑體空腔輻射器的結(jié)構(gòu)和特征，理解熱輻射最基礎(chǔ)的概念和實(shí)驗(yàn)原理，掌握熱輻射探測(cè)技術(shù)，進(jìn)行基礎(chǔ)性、綜合設(shè)計(jì)性和應(yīng)用探究性實(shí)驗(yàn)研究。

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)：(1)驗(yàn)證黑體輻射定律；(2)維恩位移定律；(3)測(cè)量普朗克常數(shù)；(4)測(cè)量物體輻射本領(lǐng)與溫度的關(guān)系。

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：(1)紅外掃描成像；(2)熱輻射傳輸特性研究；(3)研究物體輻射本領(lǐng)與物體表面狀態(tài)的關(guān)系。

應(yīng)用設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：(1)紅外溫度計(jì)的設(shè)計(jì)；(2)紅外無(wú)損檢測(cè)；(3)紅外法測(cè)物質(zhì)的冷卻定律；(4)材料熱輻射特性與規(guī)律研究。

本科生在該實(shí)驗(yàn)裝置上完成了數(shù)百篇課程論文，參加該裝置研制的學(xué)生先后發(fā)表了3篇研究論文。該裝置還獲得一項(xiàng)國(guó)家專利，并獲全國(guó)教學(xué)儀器評(píng)比優(yōu)秀成果獎(jiǎng)和全國(guó)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器評(píng)比一等獎(jiǎng)。

2.混沌電路綜合實(shí)驗(yàn)儀

混沌是20世紀(jì)興起的一門新興學(xué)科。用混沌原理設(shè)計(jì)的混沌電路和同步裝置，因其優(yōu)異的特性，已用于保密通訊領(lǐng)域。

學(xué)生從不知“混沌”和“虛擬儀器”為何物開(kāi)始，在教師的引導(dǎo)下參加混沌電路綜合實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)與研制，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)裝置的研制，學(xué)生不僅理解了“混沌”的含義，了解到“虛擬儀器”是由計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊和傳感器的構(gòu)成，而且能獨(dú)立設(shè)計(jì)混沌電路，熟練地掌握LabVIEW的編程技巧，完成混沌電路綜合實(shí)驗(yàn)儀的研制，發(fā)表了1篇研究論文。該實(shí)驗(yàn)裝置在全國(guó)物理實(shí)驗(yàn)儀器評(píng)比中獲得一等獎(jiǎng)。使用該裝置可以完成虛擬仿真和實(shí)時(shí)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)：(1)非線性電阻測(cè)量；(2)混沌電路的演變過(guò)程；(3)混沌同步；(4)混沌保密通訊。該裝置用于我校和兄弟院校的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中深受師生的歡迎。

混沌電路實(shí)驗(yàn)裝置

CMEE：課程建設(shè)與實(shí)踐教學(xué)緊密聯(lián)系，而且我們了解到中心在課程建設(shè)方面取得了驕人的成績(jī)，請(qǐng)您簡(jiǎn)要為我們介紹中心在課程建設(shè)中所做的工作與取得的成果。

熊永紅：中心以教育部質(zhì)量工程建設(shè)項(xiàng)目為動(dòng)力，以學(xué)生為中心開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和教學(xué)研究，構(gòu)建了以主動(dòng)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，進(jìn)一步提高了綜合性、設(shè)計(jì)性、研究性和專題創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的比例，豐富了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)站和國(guó)家精品網(wǎng)站的教學(xué)資源，進(jìn)一步完善了物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新基地和DIY實(shí)驗(yàn)室的文化氛圍與軟硬件環(huán)境，加強(qiáng)與科研院所的合作，建立實(shí)習(xí)基地，中心與美國(guó)國(guó)家儀器公司、美國(guó)海洋光學(xué)公司建立了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，逐漸擴(kuò)大了參與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)生覆蓋面，形成了自主式、研究式為主的學(xué)習(xí)方式，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

2008年以來(lái)，中心承擔(dān)國(guó)家級(jí)、省級(jí)和校級(jí)教學(xué)改革與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目22項(xiàng)，4年上了4個(gè)新臺(tái)階：2008年大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)國(guó)家精品課程，2009年湖北省物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，2010年基礎(chǔ)物理課程國(guó)家教學(xué)團(tuán)隊(duì)，2011年1人獲國(guó)家教學(xué)名師獎(jiǎng)。獲得國(guó)家級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)勵(lì)1項(xiàng)，省級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)勵(lì)3項(xiàng)，發(fā)表教學(xué)研究論文35篇，中心自制儀器在全國(guó)教學(xué)儀器評(píng)比中有10項(xiàng)獲獎(jiǎng)，出版國(guó)家“十一五”規(guī)劃教材3本。

CMEE：貴中心在建設(shè)過(guò)程中形成了哪些突出特色？

熊永紅：1.依托創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才

以創(chuàng)新教育為導(dǎo)向培養(yǎng)有創(chuàng)新意識(shí)和能力的拔尖人才，積極探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)與物理實(shí)驗(yàn)研究性教學(xué)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，并與美國(guó)國(guó)家儀器公司和美國(guó)海洋光學(xué)公司建立了聯(lián)合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，不斷完善物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新基地的軟、硬件環(huán)境。

以項(xiàng)目為牽引構(gòu)建師生一體化自主學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)；學(xué)生不僅是被教育對(duì)象，也是教改項(xiàng)目的主體和參加者，導(dǎo)師是團(tuán)隊(duì)的成員和引領(lǐng)者，將教師科研團(tuán)隊(duì)的部分子課題，或物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中激發(fā)出的“設(shè)想”，或物理創(chuàng)新基地DIY實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的需求，轉(zhuǎn)化成若干研究“問(wèn)題”，引導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)深入的實(shí)驗(yàn)研究，遴選出優(yōu)秀的項(xiàng)目申報(bào)國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目；引導(dǎo)學(xué)生積極參與基地和教學(xué)研究平臺(tái)的建設(shè)，自制教學(xué)儀器，通過(guò)參與平臺(tái)建設(shè)和主動(dòng)實(shí)踐，增長(zhǎng)才干。以物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新基地2007級(jí)學(xué)生為例：整體成績(jī)優(yōu)異，保送研究生比例達(dá)到90%，其中4人保送清華大學(xué)、北京大學(xué)，5人保送中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、上海交通大學(xué)等，還有5人到美國(guó)杜克大學(xué)、美國(guó)卡梅基內(nèi)隆大學(xué)等深造。而早期的基地成員已在“Science”“PRL”等期刊上發(fā)表了多篇研究論文。

物理實(shí)驗(yàn)室

2.多元化全開(kāi)放的教學(xué)模式解決了量大面廣的實(shí)踐性基礎(chǔ)課難以因材施教的矛盾

1988年我校率先打破了物理實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)的封閉式教學(xué)模式，進(jìn)行了開(kāi)放式教學(xué)模式的探索。中心立項(xiàng)以來(lái)，我們進(jìn)一步完善了開(kāi)放式教學(xué)系統(tǒng)，已將這種開(kāi)放模式從教室拓展到網(wǎng)絡(luò)，從課內(nèi)拓展到課外，充分利用有限的教學(xué)資源，較好地解決了我校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)量大面廣(64個(gè)專業(yè)、7 000余本科生)、難以因材施教的矛盾。

例如：中心網(wǎng)站對(duì)于每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都有詳細(xì)介紹，包括儀器的使用說(shuō)明、實(shí)驗(yàn)要求以及背景介紹，學(xué)生可以提前預(yù)習(xí)，增加對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的了解，學(xué)生可根據(jù)自身學(xué)科的特點(diǎn)、興趣愛(ài)好和時(shí)間選擇適合自己的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，激發(fā)了學(xué)習(xí)熱情。學(xué)生之間、師生之間可通過(guò)多種方式(課內(nèi)課外、互動(dòng)平臺(tái))開(kāi)展交流和討論，學(xué)生可進(jìn)一步在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自主研究。

又如：中心教師在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程之中，注重啟發(fā)式、提問(wèn)式、互動(dòng)式、討論式、項(xiàng)目式和專題式等各種教學(xué)方法的靈活運(yùn)用，在課程安排、授課形式、訓(xùn)練模式和考核方法等環(huán)節(jié)上實(shí)行了多元化教學(xué)，增強(qiáng)了學(xué)生觀察問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ糠謨?yōu)秀學(xué)生還能將在物理實(shí)驗(yàn)課程中激發(fā)的“靈感”轉(zhuǎn)換成大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目或課外實(shí)驗(yàn)研究項(xiàng)目。

3.高水平的教學(xué)引領(lǐng)

“科學(xué)研究引領(lǐng)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力”是我校的傳統(tǒng)。1978年，老校長(zhǎng)朱九思就提出：科學(xué)研究對(duì)于教學(xué)來(lái)說(shuō)，是“源”與“流”的關(guān)系。中心為加大創(chuàng)新人才培養(yǎng)力度，將教學(xué)內(nèi)容與科研密切聯(lián)系，逐步將教師的高水平科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)把一些科技前沿的熱點(diǎn)問(wèn)題融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)與前沿、經(jīng)典與現(xiàn)代的有機(jī)結(jié)合。

CMEE：請(qǐng)您談?wù)創(chuàng)沃行闹魅我詠?lái)的工作感悟。

熊永紅：實(shí)驗(yàn)中心是“麻雀”，雖小，但五臟俱全，工作涉及方方面面。調(diào)到華中科技大學(xué)十余年，每天在實(shí)驗(yàn)室待上10多個(gè)小時(shí)，總有做不完的事情，雖說(shuō)取得了一點(diǎn)成績(jī)，但全靠學(xué)校各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、教學(xué)團(tuán)隊(duì)核心成員和中心全體教職同仁的大力支持，還要特別感謝和我一起學(xué)習(xí)與成長(zhǎng)的學(xué)生，每當(dāng)我收到國(guó)內(nèi)外深造或工作的學(xué)生來(lái)信匯報(bào)他們近況或成績(jī)的時(shí)候，我就倍感幸福，與中心同仁和學(xué)生一起經(jīng)歷過(guò)的“酸甜苦辣”都成為了最美好的回憶。我也快到退休之年了，衷心希望華中科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心越來(lái)越興旺發(fā)達(dá)，取得更大的成績(jī)。