近代物理實(shí)驗(yàn)開放式實(shí)踐育人及創(chuàng)新能力培養(yǎng)*

劉彩霞 徐元英 景 佳 朱志峰 謝莉莎 陳冬穎

(合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院 安徽 合肥 230009)

1 概述

十九大提出創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力，我國(guó)躋身創(chuàng)新型國(guó)家前列的目標(biāo)激勵(lì)全社會(huì)積極實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略.高校作為教學(xué)科研的主陣地，是創(chuàng)新型人才的搖籃，培養(yǎng)理工科院校學(xué)生實(shí)踐能力是提升創(chuàng)新能力和創(chuàng)造能力的前提和基礎(chǔ).大學(xué)生的實(shí)踐能力以科學(xué)文化知識(shí)為載體，并不是單一的，是由各種相互影響、相輔相成的能力構(gòu)成的能力體系，是大學(xué)生綜合素質(zhì)的體現(xiàn)[1].實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力中處于主角地位，能夠充分發(fā)揮學(xué)生的獨(dú)立思考和動(dòng)手能力以及驗(yàn)證所學(xué)的能力，是課堂教學(xué)的重要組成部分，是偏理論課堂教學(xué)在新的意義上的延伸[2].自黃嘉豫教授首次提出開展“開放實(shí)驗(yàn)”的倡議[3]，我國(guó)各類高校都在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上開展了開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐[4～6].近代物理實(shí)驗(yàn)室是實(shí)現(xiàn)開放式實(shí)踐育人與培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的最好實(shí)踐基地之一，是提高理工科院校學(xué)生實(shí)踐能力的主要途徑之一[7].

近代物理實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)完成后重要的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，是后繼專業(yè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，具有承前繼后的特殊地位，涉及現(xiàn)代物理的一些主要領(lǐng)域，綜合性較強(qiáng)，反映了現(xiàn)代科技成就，一些新成果和新技術(shù)轉(zhuǎn)化而成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和先進(jìn)的手段具有豐富的內(nèi)涵，能夠充分體現(xiàn)出高新技術(shù)向?qū)嶒?yàn)內(nèi)容的滲透[8].近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容對(duì)新技術(shù)的快速反應(yīng)使學(xué)生盡早接觸到新信息、新技術(shù)，兼顧實(shí)驗(yàn)方法與技能的鍛煉，近代物理實(shí)驗(yàn)開放式育人有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，但是近代物理實(shí)驗(yàn)的開放實(shí)踐育人還存在著不少的問題[9].

近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)參與學(xué)生、實(shí)驗(yàn)教師和實(shí)驗(yàn)管理技術(shù)人員的特殊性和復(fù)雜性，文章結(jié)合合肥工業(yè)大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，從時(shí)間、空間和參與主體到內(nèi)容設(shè)計(jì)、形式和評(píng)估評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)全面開放，讓近代物理實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐育人中發(fā)揮重要作用，提升理工科學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力.

2 近代物理實(shí)驗(yàn)時(shí)間、空間和參與主體的開放

2.1 時(shí)間和空間開放

近代物理實(shí)驗(yàn)室時(shí)間和空間上開放是最低層次要求，也是近代物理實(shí)驗(yàn)開放式實(shí)踐育人的必要條件，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)化、信息化管理手段，滿足排課、選課模式，專題研究小組、創(chuàng)新項(xiàng)目組等各種不同模式教學(xué)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的開放.

學(xué)生根據(jù)個(gè)體情況有計(jì)劃、合理地選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)課的時(shí)間，除掉在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)實(shí)驗(yàn)外，還可以利用業(yè)余時(shí)間做實(shí)驗(yàn).我校近代物理實(shí)驗(yàn)室充分利用現(xiàn)有設(shè)備和實(shí)驗(yàn)條件，首先固定開放周一到周五的實(shí)驗(yàn)時(shí)間供學(xué)生選擇，然后安排實(shí)驗(yàn)教師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)管理人員，保證學(xué)生在選到課的其他時(shí)間實(shí)驗(yàn)室的開放，提高時(shí)間的利用率，實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的開放.

近代物理實(shí)驗(yàn)除了開設(shè)的必修課、選修課及學(xué)生的興趣小組等，需實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室面對(duì)學(xué)生實(shí)現(xiàn)空間上的開放，某些近代物理實(shí)驗(yàn)需要昂貴的大型現(xiàn)代化設(shè)備，從利用效率和投入成本考慮實(shí)現(xiàn)共享，通過在學(xué)校內(nèi)部或者同一城市其他高校和科研院所，實(shí)現(xiàn)近代物理實(shí)驗(yàn)室空間上的開放.我校的分析測(cè)試中心以及一些大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如SEM，XRD等等能夠?qū)W(xué)生實(shí)現(xiàn)空間上的開放，本市的其他高校和科研院所的一些實(shí)驗(yàn)中心也都在逐步實(shí)現(xiàn)收取適當(dāng)費(fèi)用的空間上開放.學(xué)生實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)空間環(huán)境開放，有了寬松的環(huán)境和實(shí)驗(yàn)空間，才能自主學(xué)習(xí)，才會(huì)有創(chuàng)新意識(shí)，才會(huì)有創(chuàng)新能力、科研能力的發(fā)展.

2.2 學(xué)生和教師參與主體的開放

學(xué)生和教師是參與近代物理實(shí)驗(yàn)開放式教學(xué)的主體，學(xué)生堅(jiān)持自我管理和個(gè)性化發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生的全面創(chuàng)新發(fā)展創(chuàng)造相應(yīng)的環(huán)境、條件，給學(xué)生最大的自主選擇權(quán).教師是開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革成功的決定性要素，要充分發(fā)揮教師的創(chuàng)造性和主觀能動(dòng)性，并創(chuàng)造和諧的環(huán)境，使教師能夠盡其所能地投入到近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中.學(xué)生主體活動(dòng)和教師有效指導(dǎo)相結(jié)合的開放式近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生的素質(zhì)得到整體提高，能力獲得發(fā)展.

近代物理實(shí)驗(yàn)打破了教師純粹輸送知識(shí)的桎梏，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生這個(gè)參與主體的開放，學(xué)生自主、獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)查、收集與處理信息，開展交流與合作等探究活動(dòng)，從而獲得知識(shí)，特別是創(chuàng)新能力的發(fā)展，學(xué)生在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造性思維，不限學(xué)時(shí)數(shù)，學(xué)生利用業(yè)余時(shí)間獨(dú)立操作.我校近代物理實(shí)驗(yàn)室在學(xué)生選題、操作、數(shù)據(jù)處理，興趣小組組建、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目擬定過程中逐漸實(shí)現(xiàn)自主性設(shè)計(jì).不同專業(yè)和不同學(xué)院的學(xué)生走到了一起，打破了班級(jí)界限和專業(yè)界限，學(xué)生之間通過交流，擴(kuò)展知識(shí)面和交往的能力，借助近代物理實(shí)驗(yàn)室申請(qǐng)校級(jí)、省級(jí)和國(guó)家級(jí)創(chuàng)新項(xiàng)目.

在近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中除了學(xué)生這個(gè)參與主體的開放，教師這個(gè)參與主體也在逐漸實(shí)現(xiàn)開放，參與教學(xué)的不但有實(shí)驗(yàn)室教師和實(shí)驗(yàn)管理技術(shù)人員，更多的專業(yè)課教師，實(shí)踐能力強(qiáng)、理論水平高的教授都參與教學(xué)，邀請(qǐng)一些高水平專家進(jìn)行近代物理方面的講座.教師在開放式教學(xué)中體現(xiàn)靈活性，采取原理性、啟發(fā)性和討論式指導(dǎo)，指導(dǎo)學(xué)生內(nèi)容選擇、實(shí)驗(yàn)操作和方式以及考核過程.我校近代物理實(shí)驗(yàn)教師的工作量除了學(xué)生必修和選修課學(xué)時(shí)外，對(duì)于近代物理創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，學(xué)校對(duì)校級(jí)、省級(jí)和國(guó)家級(jí)項(xiàng)目指導(dǎo)教師給予一定的課時(shí)補(bǔ)助，使教師能夠全身心地投入到近代物理實(shí)驗(yàn)開放式教學(xué)中.

3 近代物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)和教學(xué)形式的開放

3.1 內(nèi)容設(shè)計(jì)理念的不同層次開放

近代物理實(shí)驗(yàn)不再拘泥于課堂的學(xué)習(xí)，不僅僅是對(duì)物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和物理理論的理解和掌握，近代物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)及其擴(kuò)展能夠體現(xiàn)近代物理實(shí)驗(yàn)課程的優(yōu)勢(shì)，真正發(fā)揮近代物理實(shí)驗(yàn)的開放式實(shí)踐育人，把學(xué)生培養(yǎng)成具有更多實(shí)驗(yàn)思想，善于應(yīng)用各種近代物理的原理和方法來開辟解決專業(yè)問題的創(chuàng)新型人才.

我校近代物理實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，選取在物理學(xué)發(fā)展過程中起過重要作用和獲得過諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以及在實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)技術(shù)上有代表性的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還兼顧到實(shí)驗(yàn)教學(xué)與學(xué)生科研工作相結(jié)合的原則.如X射線探傷技術(shù)、塞曼效應(yīng)、核磁共振、高溫超導(dǎo)材料特性測(cè)試、氣體放電中等離子體的研究、微波光學(xué)實(shí)驗(yàn)、聲光、電光和磁光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、巨磁電阻的測(cè)量、光柵光譜儀與光譜分析、掃描隧道顯微鏡和納米顆粒的制備等等.學(xué)生可以利用實(shí)驗(yàn)室儀器，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新鍛煉和科學(xué)研究的起步鍛煉，這為學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和科研能力的培養(yǎng)提供了基本保障.

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開放是相對(duì)高階目標(biāo)，也是近代物理實(shí)驗(yàn)開放式實(shí)踐育人改革不斷深化的結(jié)果，逐步建立開放實(shí)驗(yàn)內(nèi)容庫，學(xué)生可以進(jìn)一步結(jié)合自己所掌握的知識(shí)，從建立的內(nèi)容庫中，選出能夠相互關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組成一個(gè)實(shí)驗(yàn)系列，如學(xué)生利用我校近代物理實(shí)驗(yàn)室的“氣體放電中等離子體的研究”真空濺射鍍膜制備薄膜，“納米顆粒的制備”制備納米顆粒，“掃描隧道顯微鏡”和“原子力顯微鏡”實(shí)驗(yàn)觀察微觀形貌，“橢偏測(cè)厚儀”實(shí)驗(yàn)測(cè)出膜厚和折射率等等，綜合了各種不同的實(shí)驗(yàn)技能.不同專業(yè)的學(xué)生可以開放式地選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，完成一個(gè)系列，從材料制備、特性測(cè)試，到實(shí)際應(yīng)用等等.

對(duì)于更高層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開放，可以采用項(xiàng)目教學(xué)手段，使近代物理知識(shí)、方法和實(shí)驗(yàn)過程與科研有機(jī)結(jié)合起來，提高學(xué)生的科研創(chuàng)新等各種能力，加強(qiáng)科研意識(shí)和作風(fēng)的培養(yǎng).學(xué)生利用我校近代物理實(shí)驗(yàn)室 “納米材料的制備”制備出納米顆粒，填充到硅橡膠和PDMS等基體材料中，通過納米粒子填充改性獲得的高分子納米復(fù)合材料，作為電磁器件新型功能材料和制作柔性壓力敏感傳感單元.借助“掃描隧道顯微鏡”和“原子力顯微鏡”觀察材料分散和微觀形貌，借助“拉壓力機(jī)、懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)和柔性材料抗疲勞沖擊試驗(yàn)機(jī)”對(duì)材料力學(xué)特性進(jìn)行研究，使柔性力學(xué)復(fù)合材料應(yīng)用于柔性電子皮膚[10]；“巨磁阻實(shí)驗(yàn)”研究材料的巨磁阻(GMR)效應(yīng)，可以探究GMR效應(yīng)在生物檢測(cè)、磁記錄與儲(chǔ)存、汽車轉(zhuǎn)速傳感器、高效電磁屏蔽/吸收材料等領(lǐng)域的諸多應(yīng)用[11].近代物理開放式實(shí)踐教學(xué)過程中，對(duì)由學(xué)生自己創(chuàng)意產(chǎn)生的科研項(xiàng)目，學(xué)校會(huì)另外特別鼓勵(lì)，支持他們申請(qǐng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，與社會(huì)上的科研力量合作，使科學(xué)知識(shí)及時(shí)轉(zhuǎn)化為社會(huì)生產(chǎn)力.

3.2 教學(xué)形式的開放

開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生既是受教育者又是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的參與者，教師要隨時(shí)吸納學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改進(jìn)、教學(xué)網(wǎng)站的建設(shè)和專題討論組的建立，班級(jí)和項(xiàng)目組學(xué)生的QQ和微信群等可隨時(shí)進(jìn)行討論.這樣不僅可以提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力、獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的能力，還可以鍛煉學(xué)生的組織與協(xié)調(diào)能力.同時(shí)，教師在教學(xué)過程中也得到了啟發(fā)，擴(kuò)展了教學(xué)思路.

要實(shí)現(xiàn)近代物理實(shí)驗(yàn)開放式實(shí)踐育人，就要打破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，讓學(xué)生從簡(jiǎn)單的照著實(shí)驗(yàn)講義學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)方法和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，變?yōu)榧ぐl(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研興趣.在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中特別強(qiáng)調(diào)對(duì)于每一個(gè)實(shí)驗(yàn)所使用的實(shí)驗(yàn)儀器除了實(shí)驗(yàn)室所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外，還能進(jìn)行哪些方面的科研探索，提高學(xué)生的興趣，讓每一個(gè)學(xué)生都能在實(shí)驗(yàn)完成后自覺留下來繼續(xù)做他們感興趣的研究探索，合理的引導(dǎo)和啟發(fā)能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研興趣[12].

項(xiàng)目教學(xué)法是近代物理實(shí)驗(yàn)開放式實(shí)踐育人過程中教學(xué)的最高級(jí)形式，學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì),完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作步驟,自主選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備和耗材，教師采取由淺入深、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜和因人而異的方法，及時(shí)給予指導(dǎo)，學(xué)生碰到問題時(shí)，要作恰當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，讓學(xué)生自己主動(dòng)去查閱資料，找出問題所在，設(shè)計(jì)解決的方案，學(xué)生主導(dǎo)研究課題，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力都得到鍛煉.比如在柔性復(fù)合導(dǎo)電材料的GMR效應(yīng)的測(cè)量，除了學(xué)生完成“巨磁阻實(shí)驗(yàn)”研究材料的巨磁阻(GMR)效應(yīng)，更要引導(dǎo)他們思考GMR效應(yīng)在哪些領(lǐng)域能夠得到諸多應(yīng)用，3～5名學(xué)生自由組合，小組共同討論決定選擇感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，分工協(xié)作，針對(duì)不同的問題查資料、做實(shí)驗(yàn)、處理數(shù)據(jù)和撰寫小論文[13].

4 近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告和評(píng)估評(píng)價(jià)的開放

4.1 實(shí)驗(yàn)報(bào)告的開放

近代物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理，不僅要求學(xué)生學(xué)會(huì)用Origin,Matlab等數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，更關(guān)注數(shù)據(jù)處理的過程不是只得出一個(gè)結(jié)果的過程，對(duì)數(shù)據(jù)處理軟件的掌握以及數(shù)據(jù)的拓展應(yīng)用，學(xué)生都應(yīng)該有自己獨(dú)到的見解.新的發(fā)現(xiàn)常歸功于對(duì)數(shù)據(jù)的正確分析，實(shí)驗(yàn)后學(xué)生要積極總結(jié)思考，與師生分享實(shí)驗(yàn)所得，促進(jìn)自己科學(xué)思維和實(shí)踐創(chuàng)新能力的有效提高.測(cè)量結(jié)果的分析使學(xué)生自覺地對(duì)相關(guān)知識(shí)理解掌握，這些鍛煉為今后的科研工作打下良好的基礎(chǔ).

近代物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫，學(xué)生要進(jìn)行嚴(yán)格訓(xùn)練，組織學(xué)生舉行實(shí)驗(yàn)討論會(huì)、報(bào)告會(huì)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的開放，還有利于發(fā)現(xiàn)人才，使近代物理實(shí)驗(yàn)的開放式實(shí)踐育人獲得好的成效.

4.2 教學(xué)效果評(píng)價(jià)的開放

教師、學(xué)生及實(shí)驗(yàn)管理和技術(shù)人員都要參與開放式近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)價(jià)和拓展，推動(dòng)開放式實(shí)踐育人能夠有深入的評(píng)價(jià)和激勵(lì)機(jī)制.

在教學(xué)效果評(píng)價(jià)上，要實(shí)現(xiàn)開放，既應(yīng)重視課堂教學(xué)效果的評(píng)價(jià)，也應(yīng)重視實(shí)踐育人效果的評(píng)價(jià).理論知識(shí)掌握的考查，應(yīng)從培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能力和創(chuàng)造能力出發(fā)，在考核內(nèi)容中，加大分析、創(chuàng)造能力方面的內(nèi)容.實(shí)踐動(dòng)手能力考核中，對(duì)學(xué)生參加科研活動(dòng)、參加科研課題的工作量的大小、質(zhì)量的高低給予相應(yīng)的評(píng)價(jià)，為擅長(zhǎng)動(dòng)手和創(chuàng)造的學(xué)生提供廣闊空間和時(shí)間以及脫穎而出的機(jī)會(huì)，尤其是在公開刊物發(fā)表文章的學(xué)生，有利于對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)更客觀、更全面、更切合實(shí)際.

我校近代物理實(shí)驗(yàn)課程，結(jié)合開放式實(shí)踐育人，探索嘗試了多元化考試方式和綜合評(píng)價(jià)體系[14]，建立了教學(xué)與考試效果分析評(píng)價(jià)體系[15].一種可以采用平時(shí)實(shí)驗(yàn)成績(jī)60%(其中實(shí)驗(yàn)報(bào)告40%，實(shí)驗(yàn)操作過程60%)和期末考試成績(jī)40%(其中操作60%，口試15%和報(bào)告25%)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以過程考核為主、結(jié)果考核為輔的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)方式，保證了實(shí)驗(yàn)成績(jī)客觀公正，使學(xué)生得到分析能力和思維創(chuàng)新能力的訓(xùn)練.另外一種對(duì)完成創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的學(xué)生實(shí)施論文考核，由學(xué)生自擬與所學(xué)理論或?qū)嶒?yàn)課程相關(guān)的論文題材，要求要有創(chuàng)新點(diǎn)，研究必須深入，論據(jù)要充分，涉及到實(shí)驗(yàn)的部分要求詳細(xì)、具體，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，規(guī)律要有可重復(fù)性和必然性.

5 結(jié)束語

開放式近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)滿足學(xué)生的興趣和愛好，極大地調(diào)動(dòng)教師和學(xué)生的積極性，有利于深化“加強(qiáng)基礎(chǔ)、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)、突出創(chuàng)新”的教學(xué)思想，學(xué)生創(chuàng)新潛能得到最大的激發(fā)，取得最大的收獲，近代物理實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐育人和學(xué)生創(chuàng)新能力互相結(jié)合、互相滲透，最終實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目標(biāo).