理工科大學(xué)生科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索與實踐
——以物理實踐平臺的創(chuàng)建和實施為例

卜勝利,顧錚賈力源,寇志起

(上海理工大學(xué) 理學(xué)院,上海 200093)

創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂,是一個國家興旺發(fā)達的不竭動力。創(chuàng)新的意識應(yīng)滲透到社會的各行各業(yè),尤其是教育界。高等學(xué)校是高層次人才培養(yǎng)的搖籃,因此在大學(xué)生中實施創(chuàng)新教育是培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是構(gòu)建國家創(chuàng)新體系的核心組成部分,也有利于“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”。

2016年2月25日國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《全民科學(xué)素質(zhì)行動計劃綱要實施方案(2016—2020)》和2016年4月18日科技部和中央宣傳部印發(fā)的《中國公民科學(xué)素質(zhì)基準》均體現(xiàn)出科學(xué)素質(zhì)和科技創(chuàng)新對實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的重要作用[1]。大學(xué)生是未來科技創(chuàng)新的主力軍,將擔(dān)負起科技興國的歷史使命,因此全面培養(yǎng)大學(xué)生的科技創(chuàng)新意識、科技創(chuàng)新精神和科技創(chuàng)新能力顯得非常重要,也將有力地促進我國創(chuàng)新型國家的建設(shè)[2-3]。筆者根據(jù)長期的理工科物理教學(xué)經(jīng)驗,創(chuàng)建了多維度的物理實踐平臺并進行了有效的實踐教學(xué)改革,探討分析了其對理工科大學(xué)生科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)的積極作用。

一、傳統(tǒng)物理教育方式對科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)的不足

基礎(chǔ)物理課程是理工科大學(xué)生必修的一門重要課程,是其今后專業(yè)課程的基礎(chǔ),對其后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)和發(fā)展具有重要的意義。我國著名物理教育學(xué)家趙凱華先生曾指出“物理學(xué)是培養(yǎng)和提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、科學(xué)思維方法和科學(xué)研究能力的重要基礎(chǔ)課”[4-5]。因此,物理教育為理工科大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了得天獨厚的外部和內(nèi)在條件。但傳統(tǒng)的物理教育方式主要依賴于課堂教學(xué)、側(cè)重于理論知識的集中傳授,學(xué)生在教室集中聽教師講授知識,學(xué)生學(xué)習(xí)起來感覺理論性和抽象性非常強。這通常導(dǎo)致在課堂上教師是主動的、學(xué)生是被動的現(xiàn)象。為了避免這種現(xiàn)象,通常授課教師可在課堂上采取問題驅(qū)動、互動交流等教學(xué)方法和手段,積極地調(diào)動學(xué)生主動思考,但其發(fā)揮的作用非常有限,難以培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作、主動探究的精神,無法給學(xué)生提供創(chuàng)新的條件。因此,傳統(tǒng)的物理教育方式在學(xué)生創(chuàng)新思維的激活、科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方面存在明顯的不足。眾所周知,物理學(xué)是一門以實驗為主的學(xué)科,同時也是最富于創(chuàng)新實踐的一門學(xué)科。因此,創(chuàng)建合適的物理實踐平臺將有力地促進理工科大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[6-9]。

二、物理實踐平臺的創(chuàng)建及其對科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)的作用

上海理工大學(xué)是理工科類高等院校,物理實踐平臺的創(chuàng)建具備了諸多先天的軟硬件條件,如:絕大部分學(xué)生均需修讀物理基礎(chǔ)課程、全校有大量的教學(xué)實驗室和學(xué)科實驗室及相關(guān)實驗平臺、實踐創(chuàng)作氛圍濃厚。另一方面,也非常有必要通過創(chuàng)建物理實踐平臺來提升本校理工科學(xué)生科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。筆者于2010年起在校內(nèi)陸續(xù)創(chuàng)建了多種形式的物理實踐平臺,為大學(xué)生的各項物理創(chuàng)新實踐活動提供了必要的智力支持、軟件環(huán)境和硬件條件,受到了積極的響應(yīng),收到了良好的效果,促進了上海理工大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)及相關(guān)創(chuàng)新性人才培養(yǎng)體系的建設(shè)。

(一)物理課外創(chuàng)新制作

2010年首次創(chuàng)建了物理課外創(chuàng)新制作實踐平臺并策劃、組織和開展了相關(guān)活動。物理課外創(chuàng)新制作的命題來源于物理學(xué)科教師出題和學(xué)生自擬感興趣的題目。由物理學(xué)科教師組成專家組審題、判斷命題執(zhí)行的可行性,全校學(xué)生在此基礎(chǔ)上進行選題并選擇一個物理學(xué)科教師作為其指導(dǎo)教師。2010年共審定設(shè)立了37個有效物理創(chuàng)新制作命題,題材廣泛、內(nèi)容涉及到物理學(xué)科和相關(guān)學(xué)科的多個領(lǐng)域,如表1所示。根據(jù)各個創(chuàng)新制作命題的性質(zhì)和特點,每個命題由2～3個學(xué)生組成團隊或由1個學(xué)生獨立完成。學(xué)校為創(chuàng)新制作活動提供經(jīng)費、場地等軟硬件環(huán)境與條件。創(chuàng)新制作的完成以學(xué)生自主創(chuàng)作為主、指導(dǎo)教師提示指導(dǎo)為輔。學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)的物理知識、再結(jié)合查閱有關(guān)物理資料,自行設(shè)計制作一些利用物理原理工作的作品、演示驗證一些物理現(xiàn)象和規(guī)律?；顒咏Y(jié)束時,學(xué)生撰寫遞交結(jié)題報告并進行作品展示,通過舉行結(jié)題報告撰寫評分會、結(jié)題答辯會等環(huán)節(jié)綜合評價學(xué)生創(chuàng)新制作作品。

由于時間、空間、團隊組合等多方面的靈活性,物理課外創(chuàng)新制具有培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新意識、科技創(chuàng)新精神和科技創(chuàng)新能力的基礎(chǔ),能夠為學(xué)生的創(chuàng)新思維拓展和創(chuàng)新設(shè)計制作的實現(xiàn)提供條件[10-11]。在物理課外創(chuàng)新制作的實踐活動中,學(xué)生真正體會到“學(xué)習(xí)即創(chuàng)造”,教師真正體會到“教學(xué)即研究”。

表1　物理課外創(chuàng)新制作命題Tab.1　Tasks for extracurricular physical innovative production

(二)物理科研實踐計劃

2014年底開始籌劃創(chuàng)建物理科研實踐計劃平臺。物理科研實踐計劃針對物理素質(zhì)較好、創(chuàng)新欲望較強的本科學(xué)生,讓其進入教師的課題組或?qū)嶒炇?盡早接觸科學(xué)研究活動、熟悉整個科研活動的環(huán)節(jié)和過程,為其創(chuàng)新想法和研究設(shè)想提供硬件平臺、導(dǎo)師指導(dǎo)和預(yù)研條件。通過制定專門的文件對參與該計劃的學(xué)生和指導(dǎo)教師提出具體的要求,為該計劃有效、順利的實施提供了制度保障。為了充分調(diào)動師生參加物理科研實踐計劃的積極性和主動性,學(xué)校和學(xué)院還將該計劃與學(xué)生創(chuàng)新選修學(xué)分認定和教師工作量補貼進行了掛鉤。在該計劃執(zhí)行過程中,通過中期檢查、報告撰寫、答辯匯報、專家評審等程序加強過程管理和質(zhì)量監(jiān)控,促使其在學(xué)生科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面發(fā)揮最大作用。截止目前,已連續(xù)在三屆學(xué)生中實施了科研實踐計劃,應(yīng)用物理學(xué)本科專業(yè)有16名學(xué)生參與其中。

物理科研實踐計劃有效地訓(xùn)練了學(xué)生查閱科技文獻能力、信息收集處理能力和相關(guān)實驗技能,鍛煉了學(xué)生提出創(chuàng)新性想法和開放性思考科學(xué)問題的能力,為學(xué)生今后繼續(xù)深造和科技創(chuàng)新奠定了堅實的基礎(chǔ)。

(三)物理學(xué)術(shù)競賽活動

借鑒國際青年物理學(xué)家錦標賽(International Young Physicist’s Tournament,IYPT)的競賽形式,2010年7月由南開大學(xué)發(fā)起并主辦了首屆中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽(China Undergraduate Physics Tourna-ment,CUPT),2014年7月由上海市物理學(xué)會主辦、華東師范大學(xué)承辦了首屆上海市大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽(Shanghai Undergraduate Physics Tournament,SUPT),2017年7月將于上海交通大學(xué)舉行第四屆上海市大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽。2014年首屆上海市大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽剛啟動,筆者策劃創(chuàng)建了上海理工大學(xué)校內(nèi)物理學(xué)術(shù)競賽活動平臺,負責(zé)全校該項賽事的組織策劃、規(guī)則制定、報名選拔、校內(nèi)評選、組隊指導(dǎo)、備賽領(lǐng)隊等各項工作。該競賽學(xué)生報名踴躍、參賽積極性非常高。在賽題準備階段,采用學(xué)生自主創(chuàng)作為主、教師指導(dǎo)為輔的方式,與問題相關(guān)的基本知識、實驗方案靠學(xué)生自己查找和設(shè)計。學(xué)生根據(jù)所學(xué)的物理原理進行實踐研究,自行設(shè)計實驗、驗證物理現(xiàn)象和規(guī)律,鞏固了所學(xué)物理知識和原理,激發(fā)了學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)了學(xué)生的團隊合作與協(xié)作精神,鍛煉了學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。

該競賽的題目于競賽前一年公布,來源于物理學(xué)的各個領(lǐng)域,甚至是交叉學(xué)科。與傳統(tǒng)的考試題目不同,競賽題目是開放性的、沒有標準答案。該競賽是一種很好的培養(yǎng)大學(xué)生科技創(chuàng)新意識和能力、提高其動手實踐能力、提升其綜合素質(zhì)的物理實踐活動形式和載體[12-16]。

除此以外,還在全校范圍內(nèi)組織開展了“物理學(xué)科競賽(專業(yè)組)”和“物理學(xué)科競賽(非專業(yè)組)”,激勵學(xué)生創(chuàng)新競賽意識,營造良好的校園創(chuàng)新環(huán)境和創(chuàng)新氛圍[17]。為了使各種物理實踐平臺在大學(xué)生科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面充分發(fā)揮作用、落到實處,籌劃組建物理創(chuàng)新實踐活動指導(dǎo)團隊、建設(shè)物理創(chuàng)新實踐活動室。

三、實踐效果

物理課外創(chuàng)新制作活動深受學(xué)生歡迎,有的學(xué)生說:“此次大學(xué)生物理課外創(chuàng)新制作活動,自己參與到了其中,真正的得到了好多好多。學(xué)會了實驗應(yīng)該具備的實事求是的精神,理解了團隊合作的重要,知道了虛心請教的必不可少,同時探索了物理的神奇和偉大”。參與結(jié)題報告撰寫評分會和結(jié)題答辯會的校外專家對物理課外創(chuàng)新制作活動給出了高度的評價:“此活動非常有特色,對大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)非常有好處”。通過物理課外創(chuàng)新制作實踐平臺,學(xué)生切實地體會到物理的奧妙、物理制作的樂趣,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣以及對科學(xué)的熱愛,培養(yǎng)了學(xué)生的動手實踐能力、科學(xué)素養(yǎng)和科技創(chuàng)新能力?；谖锢碚n外創(chuàng)新制作活動的成果匯編了約14萬字的《大學(xué)物理創(chuàng)新實踐活動-優(yōu)秀結(jié)題報告匯編》。圖1為2010年首屆物理課外創(chuàng)新制作活動過程中部分學(xué)生作品的實物圖。

圖1　學(xué)生物理課外創(chuàng)新制作的部分作品Fig.1　Pictures of selected creative works by students during the extracurricular physical innovative production

通過物理科研實踐計劃的開展,學(xué)生申報國家級、上海市級與校級“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目”的積極性和申報成功率大幅提高,并有積極參加各級別的“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽的意愿。據(jù)統(tǒng)計,參與物理科研實踐計劃的學(xué)生中絕大部分將繼續(xù)深造、到國內(nèi)外著名高校攻讀研究生學(xué)位。第一屆參與物理科研實踐計劃的5名學(xué)生已于2017年7月畢業(yè),其中3名學(xué)生分別被中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、同濟大學(xué)和上海大學(xué)錄取為碩士研究生,有3名學(xué)生和指導(dǎo)教師有合作署名文章在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表。如:張雨亭同學(xué)以第二作者在Chinese Physics Letters上發(fā)表論文《A mixed host emitting interlayer based on CBP:TPBi in green phosphorescent organic light-emitting diodes》。

在物理學(xué)術(shù)競賽過程中,學(xué)生們就17道開放性實際物理問題進行團隊合作研究,就其物理知識、理論分析、實驗方案、結(jié)果討論等進行辯論性比賽。參賽后的學(xué)生都感言頗多、受益匪淺,認為自己得到了鍛煉和提升,認清了自己的不足和需要努力的方向,激發(fā)了奮發(fā)圖強的斗志和創(chuàng)新意識,促使學(xué)生知識、能力和素質(zhì)全面協(xié)調(diào)發(fā)展,有利于理工科大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

四、結(jié)束語

近年來,借助物理課外創(chuàng)新制作、物理科研實踐計劃、物理學(xué)術(shù)競賽活動、物理學(xué)科競賽等多種實踐載體和方式創(chuàng)建了各種類型的物理實踐平臺,取得了較好的實踐效果,促進了理工科大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng),構(gòu)建了具有理工科特色的科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系。

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