教學與科學研究交融的物理實驗創(chuàng)新設計*

汪 靜，遲建衛(wèi)，曲 冰，潘超，白亞鄉(xiāng)，胡玉才

(大連海洋大學，遼寧 大連 116023)

教學與科學研究交融的物理實驗創(chuàng)新設計*

汪 靜，遲建衛(wèi)，曲 冰，潘超，白亞鄉(xiāng)，胡玉才

(大連海洋大學，遼寧 大連 116023)

以應用復合型人才為培養(yǎng)目標，以教學與科學研究交融的育人觀為指導，通過科研內容提取移植、由企業(yè)生產和日常生活實際提升、由已有教學研究成果固化等多種渠道，在較高層次物理實驗課程與實踐教學中創(chuàng)新設計出一批物理與社會應用、物理與海洋、物理與生物、物理與環(huán)境等多學科交叉的具有海洋特色的實驗項目，使實驗教學內容與科研、工程、社會應用實踐密切聯(lián)系。通過這樣的實驗項目開設，培養(yǎng)學生學習興趣，提高學生學習能力、實踐應用能力、研究創(chuàng)新能力。

物理實驗，科教融合，創(chuàng)新能力，實踐應用能力

培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新能力是提高高等教育質量的核心問題。學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)的重要核心內容是將知識轉化為解決實際問題的能力。創(chuàng)新源于問題,基于實踐。物理實驗教學作為大學實踐教學工作的重要組成部分，對培養(yǎng)學生的分析解決問題的能力起著重要的作用。創(chuàng)新教育是單一的課堂教學所不能承載的，根據(jù)現(xiàn)代高等教育人才培養(yǎng)的個性化和我校復合性應用型人才培養(yǎng)的需求，構建了分層次遞進式的課內與課外相結合的物理實驗課程體系和實踐教學體系[1,2]。第一個層次為基礎性實驗，通過大學物理實驗課程著重對學生進行基本實驗技能、基礎實驗方法和基本實驗儀器使用的學習和訓練。第二個層次為綜合應用性實驗，在大學物理實驗課程中利用基礎階段已掌握的基本知識和技能，學習和掌握一些高一層次的物理思想、物理模型、物理方法和物理實驗；此外，增設物理與科學、工程、社會應用實踐等密切聯(lián)系的實驗項目，重點培養(yǎng)學生利用物理實驗技術與方法，解決日常生活與生產等實際問題能力。第三個層次為創(chuàng)新研究性實驗，這些實驗項目帶有科學研究的性質，采用選修與大學生創(chuàng)業(yè)大賽、學生科研小組、興趣小組等課外科技活動、畢業(yè)論文相結合的方式，要求學生完成一個有創(chuàng)新意義的研究課題，培養(yǎng)學生獨立從事科學研究能力。

近年來，我校兼顧探索客觀規(guī)律的研究型人才和運用專業(yè)知識和客觀規(guī)律到實際生產中的應用型人才的復合型人才培養(yǎng)目標，以科教融合的育人觀為指導，在較高層次物理實驗課程與實踐教學中創(chuàng)新性地研究開發(fā)出一批物理與社會應用、物理與海洋、物理與生物、物理與環(huán)境等多學科交叉的具有我校特色的綜合應用性、創(chuàng)新研究性實驗項目，培養(yǎng)學生將知識與技能轉化為解決實際問題的能力，取得了較好效果。

1 以應用為導向，設計與現(xiàn)實生產生活聯(lián)系緊密的實驗項目

學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)的重要核心內容是將知識轉化為解決實際問題的能力。為了讓學生學會從生活中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和將已有知識運用到實際中去，開設了利用物理實驗中常見的實驗儀器與實驗方法解決現(xiàn)實生產生活聯(lián)系緊密問題的應用型實驗項目。如“人耳聽覺聽閾的測量”、“電子溫度計的設計及人體溫度測量”、“壓力傳感器設計及心律與血壓測量”、“人體反應時間測試”、“A類超聲診斷與探傷”等物理實驗方法與技術在生理、醫(yī)學中應用的實驗項目，以及“磁阻傳感器與地磁場測量”、“可控硅調光燈設計”、“太陽鏡的設計與應用”、“海水折射率測量”、“燃料電池特性的測量與分析太陽能電池組裝與光伏特性研究”等由企業(yè)生產與日常生活提升的實驗項目[13-14]。

2 通過教學研究與實踐，不斷創(chuàng)新實驗項目

設計性研究性實驗不像測量性驗證性實驗那樣穩(wěn)定，可以“數(shù)年如一日”地進行。有些實驗經過幾屆學生做過后，已沒有多少內容可供自己獨立設計和研究了，這就要求我們不斷創(chuàng)新實驗項目，使實驗內容始終處于動態(tài)的變化過程之中，保持設計性研究性實驗的趣味性、先進性、創(chuàng)新性和有效性。我校教師在擁有精深的物理實驗基礎知識和實驗技能基礎上，不斷地學習新知識，掌握科技發(fā)展與生產生活新動向，積極將這些內容融會到物理實驗的教學實踐中。通過指導大學生完成學位論文或參與挑戰(zhàn)杯等各種科技活動，開展一些利用物理實驗技術與方法，深入研究解決日常生活實際問題的課題研究，并將成功的研究成果固化于實驗項目中，使教學實踐進入良性循環(huán)。例如指導本科生完成“魚鱗片表面的微觀結構與表面特性研究”畢業(yè)論文，將其中利用移測顯微鏡觀測魚鱗片表面的微觀結構，對比分析大黃魚和鱸魚魚鱗片不同區(qū)域的鱗嵴間距部分開發(fā)出“魚鱗片表面微觀拓撲結構的測量與分析”這一具有水產特色的研究性實驗項目引入本科大學物理實驗教學[3],使學生在學習中體會到將所學物理實驗技術應用于海洋科學研究中的樂趣，有助于提高學生分析問題、解決問題的能力。再如通過指導學生論文開發(fā)的 “毛發(fā)形態(tài)結構及拉伸性能分析”項目[4]，是利用常見的生物顯微鏡、讀數(shù)顯微鏡、鈉光燈、讀數(shù)望遠鏡等常見實驗儀器和自制的毛發(fā)拉伸裝置，采用等厚干涉法測量毛發(fā)直徑，運用光桿桿放大原理測量毛發(fā)伸長率，研究人、馬、貓、狗、兔、羊、狐貍等毛發(fā)形態(tài)結構對其拉伸性能的影響，使學生在學習中體會到將所學大學物理技術與知識應用于生活中的樂趣，激發(fā)了學生學習積極性,提高學生分析問題、解決問題的能力。在這個實驗的基礎上，又開放了“染發(fā)及護發(fā)對人發(fā)結構特性的影響研究”實驗項目[5]，研究染發(fā)及護發(fā)對人發(fā)形態(tài)結構、直徑、彈性模量、斷裂力、pH值的影響，極大地調動了學生的學習興趣。此外，采用靜滴接觸角法測量CD光盤或DVD光盤的表面潤濕性，采用激光衍射法測量光盤的溝槽間距開發(fā)了“光盤表面溝槽結構潤濕性研究”實驗項目，在此基礎上，以CD或DVD光盤為母光柵，利用PDMS模板技術制作復制光柵，用分光計法或激光光柵衍射法測量光柵常數(shù)，設計了“復制光柵的制作及光柵常數(shù)的測量”實驗項目[6-8]。

3 將科學研究成果移植，開發(fā)創(chuàng)新性實驗項目

高?？蒲惺且环N有效的教學方式和學習方式[9]，對提高教師的素質水平、推動學科建設具有積極意義的同時，對促進學生發(fā)展、培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力具有重要作用。我校物理實驗教師同時為遼寧省物理實驗教學示范中心、遼寧省海洋生物物理重點實驗室成員，在承擔物理理論與實驗實踐教學與研究任務的同時，開展了納米材料與海洋仿生、海洋環(huán)境生物物理、海洋物理農業(yè)、海洋生物探測與環(huán)境監(jiān)測等領域的科學研究，完成了國家自然科學基金、遼寧省科學計劃等數(shù)十項科研項目。將科研項目成果提取移植，研發(fā)創(chuàng)新性實驗項目，科教融合培養(yǎng)大學生科技創(chuàng)新能力[10]。例如將國家自然科學基金項目“表面微納拓撲結構的調制與海洋防污性能的仿生研究”的部分研究成果進行移植，開創(chuàng)了“仿生荷葉效應設計與表面性能研究”、“ 仿生微納米表面的制備與表征”等實驗項目[11]；將遼寧省自然科學基金項目 “基于水產品的電流體動力學干燥模型及其在海參脫水中的應用研究”的研究成果進行整合，開創(chuàng)了“高壓電場干燥特性研究”、“高壓脈沖電場干燥預處理海參實驗研究”、“高壓靜電場保鮮海蝦的實驗研究”等實驗項目。將中國博士后科學基金“石墨烯基復合三維網狀分級電極可控制備及電容特性研究”的研究成果進行移植，開創(chuàng)了“高壓靜電紡絲法制備納米纖維的實驗研究”、“ 納米MnO2電極材料制備及電容性能研究”等實驗項目[12-13]。

4 利用學科優(yōu)勢，研發(fā)交叉實驗項目

現(xiàn)代科學技術的發(fā)展一方面使學科高度分離，另一方面又使學科高度融合，學科發(fā)展綜合化已成為主要趨勢。我校物理教師大多為校生物物理重點學科成員，開展面向海洋，主要以海水、海洋生物、海洋環(huán)境、海洋運輸為研究對象，立足于生物學與物理學、物理學與水產養(yǎng)殖學和捕撈學、物理學與海洋環(huán)境等學科的交叉研究。物理實驗課程與實踐教學順應這種發(fā)展趨勢，利用遼寧省海洋生物物理重點實驗室和遼寧省物理實驗教學示范中心平臺，將跨學科研究成果移植到教學實踐中。將物理實驗技術與方法應用于海洋、環(huán)境、生物、食品等領域，不斷將教師的科研或者最新的科技前沿問題通過知識和學術轉化，變成教學的資源，交叉融合到物理實驗創(chuàng)新項目中。例如將高壓電場應用于海產品干燥，創(chuàng)新性地設計出“高壓電場干燥特性研究”、“高壓脈沖電場干燥預處理海參實驗研究”、“高壓靜電場保鮮海蝦的實驗研究”等物理與食品加工交叉的系列實驗項目；將電磁場應用于水及水生生物，研發(fā)出“強電磁場環(huán)境對水體的理化特性的影響”、“水生生物的強電場環(huán)境生物效應研究”等物理學與環(huán)境交叉的實驗項目；此外，還開發(fā)出物理與生物交叉的實驗項目“光密度法測量微藻生物量的實驗研究”、 “聚苯乙烯納米纖維功能化及固定化生物酶的活性研究”、“仿生荷葉效應設計與表面性能研究”；物理與納米材料交叉的實驗項目“高壓靜電紡絲法制備納米纖維的實驗研究”、“膠體光子晶體的制備與光特性研究”、“仿生微納米表面的制備與表征”、“納米TiO2光觸媒制備及抗菌特性研究”、“納米MnO2電極材料制備及電容性能研究”。 這些具有研究性或創(chuàng)意性內容的實驗項目，激發(fā)學生的學習主動性，逐步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

5 物理實驗項目的創(chuàng)新性應用

這些實驗項目是為滿足大學物理實驗的較高層次的實驗訓練，培養(yǎng)學生運用物理實驗知識和技能解決實際問題和獨立從事科學研究工作而設計的。每個實驗需要的學時數(shù)從3學時到1學期，實驗的要求從初步學習如何設計實驗到研究一個全新的課題。其中，綜合應用性物理實驗項目特別注重運用物理實驗知識與技術的應用，激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生將知識與技能轉化為解決實際問題的能力；創(chuàng)新研究性物理實驗帶有一些科學研究的性質，要求學生完成一個有創(chuàng)新意義的交叉性研究課題，培養(yǎng)學生獨立從事科學研究能力。經過長期的研究與實踐，近5年共開發(fā)出29個實驗項目，固化于編著的由科學出版社出版的《創(chuàng)新性物理實驗設計與應用》[12]。各實驗項目與傳統(tǒng)的“測量性驗證性實驗”不同，實驗步驟粗略化，增加了實驗背景及方法介紹、一系列的問題、實驗要求和參考材料。每一實驗項目先指出實驗意義與目的以激發(fā)學生興趣，列出實驗儀器與物品清單以引導學生設計實驗；標出參考文獻與資料以開拓學生思路與視野；給出實驗預習與要點以方便學生自學和準備實驗；提出實驗要求以督促學生完成實驗，給出實驗報告與思考以指導學生學會做科研論文，并拓展其創(chuàng)新思維。為了使學生更好的完成實驗研究，還補充介紹了物理實驗研究方法與論文寫作。注重以學生為主體，引導學生通過查閱材料，以做研究的方式來完成實驗項目。通過這樣的實驗實踐教學訓練，學生能深入理解物理原理，提高學習能力、實踐應用能力、研究創(chuàng)新能力。初步的實踐結果表明，學生對開設的以應用為導向的物理實驗創(chuàng)新項目，實驗熱情增加，尤其是一些與生活密切相關的實驗，更受學生歡迎，學生的自主創(chuàng)新能力得到了提高。近5年來課題組教師指導200多名本科生在各類科技競賽中獲獎50人次，其中國家級獎項1項，省級獎項30余項；指導學生主持大創(chuàng)項目18項，本科生參加教師科研項目6項；本科生優(yōu)秀畢業(yè)論文10余篇，公開發(fā)表論文5篇、授權國家專利5項。

[1] 汪靜，胡玉才，遲建衛(wèi).協(xié)同培養(yǎng)大學生實踐創(chuàng)新能力的研究與實踐[J]．實驗技術與管理,2013,30(9): 19-21.

[2] 汪靜，胡玉才，遲建衛(wèi).物理實驗教學示范中心建設的研究與實踐[J]．實驗技術與管理,2013,30(2): 131-133.

[3] 汪靜，李博，曲冰，等．魚鱗片表面微觀拓撲結構的測量與分析[J]．物理實驗，2010，30(9)：:35-37．

[4] 周笑輝，汪靜*，劉偉，等．毛發(fā)的形態(tài)結構及其拉伸性能[J]．物理實驗,2011，331(6)36-39．

[5] 劉雙，汪靜，遲建衛(wèi)，曲冰.染發(fā)及護發(fā)對人發(fā)結構特性的影響研究[J]．物理實驗，2013，33(3)：24-27．

[6] 姜蘭鈺，汪靜，潘超，等．聚二甲基硅氧烷潤濕各向異性薄膜[J]．物理實驗，2011，31(3)：4-7．

[7] 汪靜，曲冰，遲建衛(wèi)，等．周期可調光柵的制備[J]．實驗室研究與探索，2012，31(3)：12-14．

[8] 汪靜，曲冰，遲建衛(wèi)．周期可調式彈性光柵制作的光柵裝置：中國，201020010160.1[P]

[9] 周光禮.高校人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新的深層次探索[J].中國高等教育，2012，(10):23-25.

[10] 牛慶瑋，劉永紅，黃保.以科教融合育人觀為指導培養(yǎng)大學生科技創(chuàng)新能力[J]．實驗技術與管理，2015,32(1):34-37.

[11] 廉盟,汪靜,曲冰，等.馬面鲀魚皮復制及潤濕性研究[J]．大學物理實驗，2015，28(3)：62-65.

[12] 汪靜，遲建衛(wèi).創(chuàng)新性物理實驗設計與應用[M].北京：高等教育出版社，2015.

[13] 李穎.大學物理實驗數(shù)字化教學改革的探索[J].大學物理實驗，2016(4):62-67.

Research on the College Physics Experiments by the Integration of Science and Teaching

WANG Jing,CHI Jian-wei,QU Bing,PAN Chao,BAI Ya-xiang,HU Yu-cai

(Dalian Ocean University，Liaoning Dalian 116023)

To train compound talents with speciality,capability and knowledge，the interdiscipline experiments between physics and oceanography,biology,environtology were designed by the integration of science and teaching for the college physics experiment.The experiments are derived from scientific research,production and living and teaching practice.It is advantageous to improve the cultivation of practical capability and innovation capability of college students.

physics experiment；integration of science and teaching ；innovation ability；practical capability

2016-08-22

遼寧省物理學實驗教學示范中心建設項目;2012年度遼寧省普通高等教育本科教學改革研究立項項目;大連海洋大學教育教學改革研究重點項目(JG2014ZD22)

1007-2934(2016)06-0127-04

G 642.0

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.035