材料物理專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案的構(gòu)建和實(shí)踐

程學(xué)瑞 王永強(qiáng)

摘要：通過對(duì)材料物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀分析，就教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、考核方式提出了綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。實(shí)踐證明材料物理專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，強(qiáng)化了學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的設(shè)計(jì)性和綜合性訓(xùn)練，從而加強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新型人才；實(shí)踐能力；綜合素質(zhì)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）09-0244-02

一、引言

材料物理一門物理學(xué)與材料學(xué)交叉學(xué)科，以理論物理、凝聚態(tài)物理和固體化學(xué)等為理論基礎(chǔ)，利用物理和化學(xué)的研究方法和表征技術(shù)，研究材料結(jié)構(gòu)與材性能之間的關(guān)系，并運(yùn)用這些規(guī)律改進(jìn)材料性能，研制新型材料。該專業(yè)不僅要求學(xué)生掌握物理學(xué)和材料科學(xué)基礎(chǔ)理論，還要求學(xué)生熟悉現(xiàn)代分析技術(shù)和研究手段。因而，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是材料物理專業(yè)教學(xué)體系中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生不僅要掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能，更重要的是能夠獨(dú)立操作和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，具備獨(dú)立分析問題和解決實(shí)際問題的能力。因而，如何完善材料物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，提高學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、?chuàng)新能力和科研素養(yǎng)，是當(dāng)前面臨的一個(gè)重要問題。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

材料物理專業(yè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)兩部分，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)即大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，開設(shè)時(shí)間為二、三學(xué)期，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀測(cè)，掌握基本知識(shí)、基本方法和基本技能，加深對(duì)物理原理的理解。專業(yè)實(shí)驗(yàn)的開設(shè)時(shí)間為四、五學(xué)期，輔以相關(guān)的理論課程，使學(xué)生掌握材料的常用制備技術(shù)、相關(guān)儀器的原理和使用方法。然而，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)只是所學(xué)知識(shí)的重復(fù)、驗(yàn)證和再現(xiàn)，目的旨在加深學(xué)生對(duì)已學(xué)知識(shí)的理解，但是仍然存在一些問題。

首先，教學(xué)模式為傳統(tǒng)的教師授課模式，仍然以教師作為主體的傳統(tǒng)的接受性學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)方式。授課方式通常以班級(jí)授課為主，一兩個(gè)老師負(fù)責(zé)全體學(xué)生，工作量大，不能夠深入每個(gè)實(shí)驗(yàn)的每個(gè)細(xì)節(jié)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，不論是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)還是專業(yè)實(shí)驗(yàn)，都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，各個(gè)實(shí)驗(yàn)相對(duì)獨(dú)立，缺乏連貫性，學(xué)生只用按照教師和教材的要求，按部就班，即可完成實(shí)驗(yàn)，存在重理論輕能力培養(yǎng)的問題。而且，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，與工程實(shí)際脫節(jié)。考核上，仍然以提交書面實(shí)驗(yàn)報(bào)告為考核形式，考核重點(diǎn)仍在實(shí)驗(yàn)原理的理解、儀器操作是否得當(dāng)、數(shù)據(jù)處理的正誤。該考核方式太過于形式化，并沒有全面地考核到學(xué)生的綜合能力。

因此，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理等基本的實(shí)驗(yàn)技能，缺乏設(shè)計(jì)性、綜合性和研究性。學(xué)生缺少對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的思考和分析，難以激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考的興趣和激情，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合能力的提高是有限的。

三、綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案的構(gòu)建

針對(duì)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，我們專業(yè)結(jié)合自己的實(shí)際情況和科研平臺(tái)，在已有的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，嘗試在第六學(xué)期和暑假開展了綜合性物理實(shí)驗(yàn)。綜合性實(shí)驗(yàn)旨在將實(shí)際問題、教師的科研內(nèi)容和現(xiàn)代分析技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，突出基礎(chǔ)技能與實(shí)際問題相結(jié)合，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的綜合性訓(xùn)練，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

教學(xué)模式：與以往實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ讲煌?，綜合性實(shí)驗(yàn)以學(xué)生為主體，采用教師引導(dǎo)下的學(xué)生自主實(shí)踐探索為主的教學(xué)模式。教師將自己的熟悉領(lǐng)域和科研內(nèi)容引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，設(shè)計(jì)不同的題目供學(xué)生選擇。學(xué)生自行選擇課題，主動(dòng)地查詢相關(guān)文獻(xiàn)并制定實(shí)驗(yàn)方案。指導(dǎo)教師采取啟發(fā)式、提問式和研討式教學(xué)方法，指出實(shí)驗(yàn)方案中的不足，啟發(fā)學(xué)生自行思考和改正實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生獨(dú)立操作、獨(dú)立分析，盡量給學(xué)生自行實(shí)踐和自由發(fā)揮的機(jī)會(huì)，在實(shí)踐中提高自己的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新意識(shí)。

教學(xué)內(nèi)容：綜合性實(shí)驗(yàn)是在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，由老師提出問題，學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)過程由學(xué)生自行操作完成的一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，是一種介于傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)際科學(xué)實(shí)驗(yàn)之間，具有對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)全過程進(jìn)行初步訓(xùn)練的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生首先根據(jù)自己的興趣愛好和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，自行組成研究小組，以小組為單位挑選實(shí)驗(yàn)課題和指導(dǎo)老師。例如，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“石墨烯的合成及結(jié)構(gòu)表征”，學(xué)生根據(jù)該實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和任務(wù)書的要求，自己通過圖書館、資料室或者網(wǎng)絡(luò)等途徑查閱文獻(xiàn)資料。石墨烯是熱點(diǎn)材料之一，其合成方法有很多種，包括機(jī)械剝離法、氧化還原法、液相剝離膨脹石墨法、氣相沉積法、液相剝離膨脹石墨法、有機(jī)合成法等。石墨烯的表征也有很多種，包括光學(xué)顯微鏡、拉曼光譜、原子力顯微鏡、透射電鏡等。根據(jù)我們的科研平臺(tái)和課時(shí)要求，學(xué)生可以選擇前四種合成方法之一，并制定出本次實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)方案報(bào)告，包括實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)儀器、原料、測(cè)試項(xiàng)目等。

指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生遞交的實(shí)驗(yàn)方案報(bào)告進(jìn)行審查，重點(diǎn)審查其實(shí)驗(yàn)方案的可行性和正確性，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)方案進(jìn)行分析討論和完善、最終制定出一份切實(shí)可行的、合理的實(shí)驗(yàn)方案。依此實(shí)驗(yàn)方案為指導(dǎo)，學(xué)生進(jìn)入開放實(shí)驗(yàn)室，指導(dǎo)教師首先對(duì)學(xué)生進(jìn)行必要的培訓(xùn)，包括安全培訓(xùn)、儀器操作演示等，同時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的考核?？己送ㄟ^之后，學(xué)生方可自行進(jìn)入開放實(shí)驗(yàn)室，實(shí)施該實(shí)驗(yàn)方案和操作。實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果整理，包括處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論、撰寫和提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，均由學(xué)生自主完成，實(shí)驗(yàn)小組提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

在整個(gè)系列實(shí)驗(yàn)過程中，充分體現(xiàn)學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的主體地位，教師則起到輔助和指導(dǎo)的作用。例如，通過“石墨烯”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生不僅能夠了解制備技術(shù)，而且切身感受創(chuàng)新思維在的重要性。學(xué)生自己動(dòng)手合成超導(dǎo)材料并表現(xiàn)出磁懸浮特性，學(xué)生會(huì)有一種成就感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。“LED用熒光粉”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)，也對(duì)生活實(shí)際問題有了更清楚的認(rèn)識(shí)。因此，綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和激情，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

考核方式：綜合性實(shí)驗(yàn)旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力，與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)不同，綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果因?qū)嶒?yàn)題目和實(shí)驗(yàn)方案不同而有所差異，因而沒有統(tǒng)一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。因此在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和考核內(nèi)容上主要側(cè)重對(duì)學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)素養(yǎng)的評(píng)價(jià)，考核內(nèi)容更多關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程中的參與情況、操作技能的提高、設(shè)計(jì)和研究能力、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理與分析的能力等。綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告，要求學(xué)生以科技論文的形式完成，內(nèi)容包括文獻(xiàn)概述、實(shí)驗(yàn)過程、性能測(cè)試、分析與討論、結(jié)論、實(shí)驗(yàn)心得和建議等。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫過程能夠充分激發(fā)學(xué)生的思考，提高學(xué)生獨(dú)立分析問題的能力。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告的基礎(chǔ)上，以實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)行答辯和討論，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和思路進(jìn)行系統(tǒng)地整理，重點(diǎn)分析實(shí)驗(yàn)當(dāng)中存在的問題、分析其原因和可能的解決方案。同時(shí)老師再給以點(diǎn)評(píng)，以擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，并對(duì)實(shí)驗(yàn)情況和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，對(duì)學(xué)生存在的不足給及糾正和指導(dǎo)。

四、綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐

三年的綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐，綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)在學(xué)生、老師中得到了積極的評(píng)價(jià)。材料物理專業(yè)學(xué)生對(duì)綜合性實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出濃厚的興趣，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生樂意投入時(shí)間和精力對(duì)自己的選題進(jìn)行試驗(yàn)探索，個(gè)人的實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)得到了鍛煉，同時(shí)與老師的交流研討中，培養(yǎng)了自己的創(chuàng)新思維和科研能力，同時(shí)開闊了自己的視野，為接下來的畢業(yè)設(shè)計(jì)和研究生階段的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中也為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和指導(dǎo)老師提供了新想法和新思路，進(jìn)而豐富了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)方法。個(gè)別學(xué)生的實(shí)驗(yàn)樣品和實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了很要的效果，在指導(dǎo)老師的進(jìn)一步指導(dǎo)下，撰寫發(fā)表了學(xué)術(shù)論文。通過綜合實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，鞏固了學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，學(xué)生的論文撰寫能力和組織能力得到顯著提升，加強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，為學(xué)生的考研和就業(yè)打好了基礎(chǔ)。

我院開設(shè)材料物理專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)3年來，共有6專業(yè)教師和90余名同學(xué)參與，開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目36個(gè)。參與實(shí)驗(yàn)的同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中有15名獲得優(yōu)秀畢業(yè)論文，獲獎(jiǎng)比例明顯高于未參與實(shí)驗(yàn)同學(xué)。另外，綜合實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，增加了學(xué)生的科研熱情，學(xué)生考研比例有所增加，研究生錄取率均在30%以上，位居我校各專業(yè)考研率首位。另外，學(xué)生發(fā)表論文5篇，其中核心期刊1篇。由此可見，綜合性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)有益于培養(yǎng)知識(shí)型、創(chuàng)新型、復(fù)合型人才，完全適合現(xiàn)代社會(huì)會(huì)高校教育的要求。

五、結(jié)束語

如何提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新意思，需要不斷的探索和完善教學(xué)方法和教學(xué)模式。綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，在實(shí)施過程中難免會(huì)遇到暫時(shí)的困難，實(shí)驗(yàn)條件有限，有些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要借助其他院系的資源，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)目和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容還需要進(jìn)一步增加和完善。因此，還需要總結(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，進(jìn)一步改進(jìn)和完善綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，充分發(fā)揮綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生綜合素質(zhì)的目的。

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