美國MIT現(xiàn)代光學實驗教學模式及其啟示

胡峰　周金鵬　王省書

[摘 要]實驗教學在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中具有重要的地位和作用?！按蟊妱?chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的新形勢對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提出了更高的要求。實驗教學是培養(yǎng)高素質創(chuàng)新型人才的必要環(huán)節(jié)。當前的高校實驗教學遠不能承擔起培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的任務，需要進行進一步的實驗教學改革。只有積極借鑒國外著名高校在實驗教學環(huán)節(jié)的優(yōu)勢和特色，努力探討科學有效的實驗教學改革路徑，切實加強實驗教學在培養(yǎng)學生綜合能力中的地位，真正提高實驗教學質量，才能體現(xiàn)出實驗教學應有的作用和價值。

[關鍵詞]實驗教學；麻省理工學院；教學改革；綜合設計實驗

[中圖分類號] G64 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）03-0071-03

隨著互聯(lián)網教育技術的發(fā)展以及全球化教育的盛行，中國高等教育正經歷新一輪的教育教學改革。各個高校都在就如何推進大學教學改革，提高人才培養(yǎng)質量進行探討。在教學改革環(huán)節(jié)中，實驗教學改革是其重要的組成部分。相對于純粹的課程教學，實驗教學可以增強學生對科學規(guī)律的感性認識，提高其實踐動手能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和思維以及綜合素質。另外，生動直觀的實驗教學還可以激起學生的學習興趣和積極性，有助于團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)。鑒于實驗教學在學生綜合能力素質培養(yǎng)過程中的重要地位，國內外各所高校都十分重視實驗教學。

國外著名院校經過多輪教學改革，已形成了自己的實驗教學特色，而我國高校的實驗教學正處于發(fā)展完善之中，實驗教學中還存在較多的問題需要解決。首先，演示型、原理驗證型實驗仍占據(jù)實驗教學的主導地位，在培養(yǎng)學生的綜合設計能力和創(chuàng)新思維能力上存在較大欠缺。第二，實驗內容陳舊，未根據(jù)科學知識的發(fā)展規(guī)律及科技前沿及時更新相關實驗內容。第三，綜合設計型實驗開設比例較低，多數(shù)實驗仍屬于規(guī)定具體實驗步驟的普通實驗，不僅限制了學生的思維，而且降低了學生的主動參與性。學生往往把實驗當成一種任務來完成，而沒有積極思考實驗的目的、原理以及實驗方法，因此，實驗教學未對學生起到應有的培訓和訓練目的。

為了解決目前我國高校實驗教學中的一些問題，積極探討科學有效的實驗教學方式已迫在眉睫。國外著名高校成熟的實驗教學模式可以為我們探討實驗教學改革起到引領作用和借鑒作用。本文擬以美國麻省理工學院現(xiàn)代光學實驗教學模式為例，探討其對我國高校實驗教學改革的啟示。

一、MIT實驗教學模式

（一）實驗課程概述

MIT現(xiàn)代光學實驗課程提供了實驗室光學、光學原理、光學設備及光學系統(tǒng)的詳細介紹，內容包括光的偏振特性、反射和折射、干涉、夫瑯和費和菲涅爾衍射、全息、光學成像、透鏡的變換特性、空間濾波、雙透鏡相干光學處理器、材料的光學特性、激光、電光、聲光、液晶光調制器、光學探測器、光波導以及光纖通信系統(tǒng)等。

多數(shù)光學實驗系統(tǒng)將涉及平時課程所學的理論和器件，課程的目標是通過手把手的課堂學習和動手實踐，再輔以相應的問題解答和最終的綜合實驗設計，幫助學生深入理解和掌握現(xiàn)代光學設備與系統(tǒng)的基本原理、設計理念。綜合實驗設計有12個備選項目，學生可以在此基礎上選擇適合自己的設計項目。

（二）實驗教學環(huán)節(jié)

MIT現(xiàn)代光學實驗教學環(huán)節(jié)包括理論授課、實驗室訓練、作業(yè)、課程考試以及綜合設計實驗等。

1.理論授課

頭8周每周安排2次理論教學（每次1.5小時），1次實驗訓練（每次3小時）。頭幾周的理論教學主要是回顧經典光學、光電子和量子電子中涉及的基本原理和概念，剩余幾周的理論教學主要講解現(xiàn)代光學中涉及的主要科學問題。由于本門課程屬于實驗課程，因此不會講授詳細的理論，而是給學生提供足夠的實驗背景及具體的實驗感知。

2.實驗室訓練

總共有7個短的實驗訓練項目，內容涉及基本的實驗室訓練，這些實驗訓練跟基本的光學和量子現(xiàn)象的測量與觀察有關。每個實驗訓練項目包括實驗前練習（實驗前完成）和幾個圍繞同一主題的實驗，目的是鞏固理論教學所學內容，每個實驗完成一周后，需要上交實驗報告。

3.作業(yè)

實驗作業(yè)包括實驗前預習作業(yè)和實驗課后作業(yè)，布置作業(yè)的目的是鼓勵學生進行課外閱讀，從而加強對基本知識的掌握。每周會安排一套課后作業(yè)，一周之后上交。

4.課程考試

本門課程共安排2次課程考試，每次考試時長1.5小時，考試內容包括理論授課、實驗訓練和作業(yè)中涉及的思想與觀點，目的是測試學生對基本理論的理解和運用。學生不應該對這些測試有任何壓力，只要按時上課，參加實驗，完成課后作業(yè)，考試都不成問題?？荚囶}目有短問答題，目的是測試學生基本的光學理論和光學實驗知識?？荚嚪謹?shù)占20%。

5.綜合實驗設計

為了確保所有的綜合設計題目在難度和時間花費上盡可能公平，實驗課程提供了幾個可選的設計題目，學生可以隨時開始最后的綜合實驗設計工作，避免期末的完成壓力。指導老師會提供必要的實驗設備和技術幫助，以確保對學生真正起到教育鍛煉作用。另外，學生也可以選擇自己感興趣的課題。學生完成綜合實驗設計后，需要上交一份書面設計報告，篇幅約15-30頁（4A紙，5號字太長的報告需要進一步精簡濃縮），最后按小組參加口頭答辯，陳述自己的實驗工作。在綜合設計實驗開始之前，會要求學生通過調研提出可行的實驗方案，并以書面形式上交指導老師。

二、實驗教學啟示

（一）注重系統(tǒng)性、綜合性訓練

在MIT開設的實驗課中，教學環(huán)節(jié)包括理論講授、實驗室訓練、作業(yè)、課程考試以及綜合實驗設計等。其中，理論講授部分不同于普通的課程授課，在實驗課中進行的理論講授主要是后續(xù)實驗需要用到的知識點，一方面是對之前課堂所學知識的回顧，另一方面是讓學生進行實驗時有一定的基礎，減少其盲目性。實驗課中的理論講授不以傳授理論知識為目的，它更注重運用知識解決實際問題的能力。另外，在理論教學環(huán)節(jié)還會講授基本的實驗技能、常用實驗方法、實驗設備使用、實驗數(shù)據(jù)采集、實驗系統(tǒng)測試、實驗數(shù)據(jù)分析等實驗技能，使學生在正式實驗之前擁有必備的實驗知識和技能，為其開展實驗打下良好基礎。實驗室訓練部分主要是讓學生進行熱身性質的基礎實驗訓練，目的是訓練學生使用常用實驗設備的技能、實驗系統(tǒng)搭建和調試技能、數(shù)據(jù)采集和分析技能等，增強學生對前述理論講授知識的掌握，為后續(xù)綜合性實驗設計打下堅實基礎。實驗作業(yè)包括實驗前預習作業(yè)和實驗后思考作業(yè)，作業(yè)設置的目的是督促學生進行實驗前預習和實驗后理解消化，減少學生實驗中的盲目做法，提高實驗效率和效果。課程考試主要是考核學生對實驗課中所學的基本知識和實驗技能的掌握，對有關實驗現(xiàn)象的解釋等，一方面檢驗學生的學習效果，另一方面檢驗授課教師的授課效果，為以后進一步改進實驗教學提供參考。

從MIT實驗教學環(huán)節(jié)可以看出，其非常重視實驗課的系統(tǒng)性和綜合性訓練，既有理論知識和基本實驗技能的講授，又有實踐鍛煉；既有基礎性實驗，也有綜合性設計實驗，中間摻雜作業(yè)和考核，可以說是全方位地系統(tǒng)性地訓練學生。實驗教學環(huán)節(jié)的安排遵循從理論到實踐，由淺入深，由零件到系統(tǒng)，循序漸進的教學思路。而目前我國高校的實驗教學普遍是把理論與實踐分離、基礎實驗與綜合設計實驗分離，缺乏對學生的系統(tǒng)性訓練，學生獲得的訓練和知識比較零散。為此，我們可以借鑒MIT的實驗教學模式，注重對學生的系統(tǒng)性、綜合性訓練，增強學生獲取知識的完整性和運用能力。

（二）注重綜合設計型實驗開設

在MIT實驗教學中，綜合設計型實驗占實驗總學時的2/3以上，可見其對綜合設計型實驗的重視程度。不同于普通基礎實驗，綜合設計實驗可以實現(xiàn)對學生的綜合訓練，因為綜合設計實驗過程跟科學與工程研究過程一致，包括實驗題目選擇、文獻調研、實驗方案設計、實驗系統(tǒng)搭建、系統(tǒng)調試、實驗數(shù)據(jù)采集、實驗數(shù)據(jù)分析、實驗總結報告撰寫以及口頭答辯等環(huán)節(jié)。因此，一個完整的綜合設計實驗可以理解為一次科學研究過程，相當于對學生提前進行科學研究訓練。在綜合設計實驗過程中，沒有限制具體的實驗方案和方法，學生可以自由發(fā)揮，它鍛煉了學生的文獻檢索能力、實踐動手能力、團隊協(xié)作能力、寫作能力、口頭表達能力、分析問題解決問題的能力以及學生的創(chuàng)新思維。這些能力無論是今后繼續(xù)從事科學研究還是企業(yè)工作都是至關重要的。反觀我國高校，目前普遍存在綜合設計實驗在整個實驗教學所占比重偏弱的問題，一定程度上阻礙了創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。因此，在實驗教學改革上，需要加大綜合設計實驗的比重。

（三）強調基本實驗技能的訓練

基本實驗技能包括實驗設計能力、設備操作能力、系統(tǒng)搭建能力、器件選取能力、系統(tǒng)調試能力以及數(shù)據(jù)采集和分析能力等。這些基本實驗技能是從事科學研究的必備技能，也是產品研發(fā)人員要求掌握的技能。這些能力的獲得單純依靠課程講授是無法完成的，必須在實驗教學環(huán)節(jié)實現(xiàn)。MIT的實驗教學無論是在實驗室訓練環(huán)節(jié)還是在最后的綜合設計實驗環(huán)節(jié)，都特別強調基本實驗技能的訓練。我們在進行實驗教學改革時，應該大幅壓縮演示型、驗證型實驗的比重，因為這些實驗并不能全面訓練學生的基本實驗技能，學生得到的只是單純的實驗數(shù)據(jù)，而對其中的實驗原理和步驟沒有真正理解與掌握。

（四）注重培養(yǎng)學生的綜合素質和創(chuàng)新能力

經過MIT完整的實驗過程訓練之后，學生無論是在系統(tǒng)設計上，還是在學術寫作和表達交流上，甚至在團隊協(xié)作精神上，都得到了全面的訓練和提高，學生的綜合素質和科學素養(yǎng)得到了進一步加強。另外，MIT多數(shù)實驗內容并沒有限制具體的固定的實驗方案和步驟，學生可以充分發(fā)揮自己的想象力，提出不同的解決實際問題的方案，然后再通過對不同實驗方案進行對比分析和交流，極大地開闊了學生的眼界，進一步激發(fā)了學生的思維活躍度。我們在實驗教學環(huán)節(jié)，應該想方設法開設開放性的實驗，不要把具體的實驗內容和步驟限制得過于死板，應努力提高學生的參與度和實驗主動性。

（五）強調多種教學方式融合

為了對學生進行全方位的綜合訓練，加強實驗教學效果，MIT實驗課實行多種教學方式相結合，既有理論教學和基本的實驗訓練，又有綜合設計實驗以及作業(yè)和考核環(huán)節(jié)。不同教學方式的結合，極大激發(fā)了學生的學習興趣和積極性。同時，實驗內容靈活多樣，學生不會感到實驗課程枯燥，而是感受到實驗課帶給他們的成就感和滿足感。因此，我們在實驗教學上，也應該采用不同的教學方式，實現(xiàn)教學方式多樣化，尤其是可以嘗試加入互聯(lián)網+的思想，把現(xiàn)代教育技術融入實驗教學環(huán)節(jié)，在訓練實驗技能的同時，增強實驗課程的趣味性和可操作性。

三、結語

“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的新形勢，對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提出了更高的要求。實驗教學是培養(yǎng)高素質創(chuàng)新型人才的必要環(huán)節(jié)。當前的高校實驗教學遠不能承擔起培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的任務，需要進行進一步的實驗教學改革。只有積極借鑒國外著名高校在實驗教學環(huán)節(jié)的優(yōu)勢和特色，努力探討科學有效的實驗教學改革路徑，切實加強實驗教學在培養(yǎng)學生綜合能力中的地位，真正提高實驗教學質量，才能體現(xiàn)出實驗教學應有的作用和價值。

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[責任編輯：鐘 嵐]