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    基于創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

    2018-04-11 06:36:02馮元新葉高翔李祖樟許森東
    實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2018年2期
    關(guān)鍵詞:大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教學(xué)

    馮元新, 葉高翔, 李祖樟, 許森東

    (浙江科技學(xué)院 理學(xué)院,杭州 310023)

    0 引 言

    近年來,各高校都在積極地探索創(chuàng)新人才的培養(yǎng)模式,為培養(yǎng)創(chuàng)新人才在教學(xué)方面都采取了一些有效的改革措施,對于理工科為主的學(xué)校,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力而言,實(shí)驗(yàn)教學(xué)是最基礎(chǔ)、最重要的組成部分[1-2]。作為大學(xué)學(xué)習(xí)階段第一門系統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)課來說,困難與機(jī)遇并存。困難在于物理實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、場地、經(jīng)費(fèi)大幅度減少,同時(shí)學(xué)生數(shù)有增無減,學(xué)生人均實(shí)驗(yàn)資源與師資都出現(xiàn)較大幅度下降。但同時(shí)學(xué)校與各級(jí)教育部門出臺(tái)各類創(chuàng)新獎(jiǎng)勵(lì)政策與創(chuàng)新平臺(tái),鼓勵(lì)師生大膽創(chuàng)新,為敢于創(chuàng)新的學(xué)生提供資金與機(jī)遇。為解決在有限學(xué)時(shí)內(nèi)既要完成教學(xué)任務(wù)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,又要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力,需要利用“互聯(lián)網(wǎng)+”新一代的信息技術(shù)將物理實(shí)驗(yàn)課程中的“教”與“學(xué)”活動(dòng)與互聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合起來[3],同時(shí)對物理實(shí)驗(yàn)課前、課堂中、課后的教學(xué)方式進(jìn)行改革,建立大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力個(gè)性化培養(yǎng)體系。在分析了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及其普遍存在的問題的基礎(chǔ)上,為有效提高教學(xué)效果和提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力,提出了物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)改革體系流程(見圖1)。

    圖1基于創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革流程

    1 課前采用“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式與開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合

    1.1 引入“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式重要性

    “翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模型的特點(diǎn)是學(xué)生在課堂時(shí)間之外觀看實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)講解與實(shí)驗(yàn)演示視頻,完成知識(shí)傳授過程;課堂時(shí)間內(nèi)同學(xué)與老師探討互動(dòng),深化對物理原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容的理解,從而完成知識(shí)的內(nèi)化過程[4]。翻轉(zhuǎn)課堂的第二個(gè)核心特點(diǎn)是在課堂中減少教師的講授時(shí)間,留給學(xué)生與老師更多的互動(dòng)時(shí)間。將原先課堂講授的內(nèi)容轉(zhuǎn)移到課下,在完成基本教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上,增強(qiáng)課堂中師生的交互性,提高與拓展學(xué)生對于知識(shí)點(diǎn)的理解程度[5]。

    翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)視頻主要為:① 必修實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的儀器調(diào)節(jié)過程、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、操作注意事項(xiàng)等內(nèi)容,并且配有中文講解與中英文字幕,每個(gè)視頻一般不超過5 min,視頻分為力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)三大類;② 收集到與物理相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn),如失重狀態(tài)下的陀螺旋轉(zhuǎn)、錐體上滾、范德格拉夫起電機(jī)(高壓靜電裝置)、特斯拉線圈等趣味實(shí)驗(yàn),拓展與啟發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣。連同電子教案等教學(xué)資源上傳至“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)”網(wǎng)站,學(xué)生可以預(yù)習(xí)各種常用儀器的操作方法、注意事項(xiàng)以及常見問題等。這樣教師就能夠省去課堂上的多次重復(fù)講解,提高教學(xué)效率與教學(xué)效果。學(xué)生輸入姓名與學(xué)號(hào)后才能觀看視頻,網(wǎng)站同時(shí)記錄下學(xué)生信息,便于檢查學(xué)生預(yù)習(xí)情況。

    1.2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與管理

    “翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)只是教學(xué)環(huán)節(jié)的初級(jí)階段,是淺層學(xué)習(xí)階段,處于認(rèn)知的初級(jí)階段,它缺乏與同學(xué)和教師直接交流,對于物理實(shí)驗(yàn)來說,更加缺乏對實(shí)驗(yàn)儀器的感性認(rèn)識(shí),因此只有與開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合,才能彌補(bǔ)“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)不能提供實(shí)踐操作的局限性,幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)[4-5]。

    創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室開放的目的:① 便于學(xué)生完成“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)后,提供物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的場所和儀器;② 為不同專業(yè)的學(xué)生個(gè)人或團(tuán)隊(duì)提出的具有創(chuàng)意的研究性、設(shè)計(jì)性實(shí)踐項(xiàng)目提供實(shí)踐平臺(tái)和交流機(jī)會(huì)[6]。

    3個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室由基本實(shí)驗(yàn)操作區(qū)、自主實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)區(qū)、作品存放展示區(qū)三部分組成。實(shí)驗(yàn)操作區(qū)配置基本實(shí)驗(yàn)的相關(guān)儀器1~2套,便于觀看過實(shí)驗(yàn)操作演示視頻的同學(xué)進(jìn)行實(shí)際操作;自主實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)區(qū)配置常用測量工具與掛式磁性寫字板,方便同學(xué)設(shè)計(jì)制作與相互交流討論;作品存放展示區(qū)配置玻璃柜柜臺(tái)用于存放同學(xué)設(shè)計(jì)與制作的半成品和歷屆學(xué)生在學(xué)科競賽中獲獎(jiǎng)作品與模型。實(shí)驗(yàn)室每周一至周五實(shí)行全天候開放,在專職教師的負(fù)責(zé)下學(xué)生自主運(yùn)行管理,由應(yīng)用物理專業(yè)的學(xué)生社隊(duì)維持和保障實(shí)驗(yàn)室的日常運(yùn)行,既解決了當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)師資短缺的問題,又激發(fā)了學(xué)生的主體責(zé)任感、培養(yǎng)了學(xué)生的管理能力。同時(shí)實(shí)驗(yàn)室安裝監(jiān)控?cái)z像與消防措施以保障創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行安全。

    2 增設(shè)研究型、設(shè)計(jì)制作型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

    2.1 拓展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度與深度

    原有的傳統(tǒng)教學(xué)模式由于課時(shí)緊張,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較多,學(xué)生忙于被動(dòng)式的調(diào)節(jié)儀器、測量數(shù)據(jù),把精力只放在盡快獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上,而很少思考實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的深層次原因和實(shí)驗(yàn)間的關(guān)聯(lián)性,因此很難激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性與創(chuàng)新性[7]。

    “翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的引入,以及創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)室的開放,有利于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理的了解,也有利于對儀器設(shè)備的保護(hù)、減少實(shí)驗(yàn)誤差、縮短課內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)間[8]。在2個(gè)學(xué)期內(nèi)分別對2個(gè)班級(jí),約60名同學(xué)在不同教學(xué)模式下實(shí)驗(yàn)主要情況進(jìn)行對比(見表1):

    表1 不同教學(xué)模式下實(shí)驗(yàn)情況的對比

    從表1可明顯看出,“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的引入,以及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的開放,不僅減少了課內(nèi)教師的講授時(shí)間,也提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率,使得有更多的課堂教學(xué)時(shí)間用于進(jìn)一步的深入研討。在完成規(guī)定實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的同時(shí),教師可以根據(jù)實(shí)際情況提出思考題引導(dǎo)與啟發(fā)學(xué)生的思考與解決問題的能力,從而逐步豐富與拓展教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度。如在拉脫法測量液體表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)中,一方面可以介紹毛細(xì)管升降法、液滴法、水波頻閃法等其它測量方法,另一方面可以進(jìn)一步讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究液體表面張力系數(shù)隨溫度和洗潔精溶度的關(guān)系。鼓勵(lì)與培養(yǎng)學(xué)生課后查閱文獻(xiàn)資料、分析問題的能力,同時(shí)也會(huì)促使一部分學(xué)生自發(fā)的再次進(jìn)入創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行有研究目的實(shí)驗(yàn)探索。

    (1)分體布置。這種布置形式濕式電除塵器與FGD的吸收塔相對獨(dú)立,需要有額外的場地,可以采用臥式或立式結(jié)構(gòu),便于安裝和運(yùn)行維護(hù),同時(shí)布置方式也更為靈活。

    2.2 研究型、設(shè)計(jì)制作型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的來源與更新

    所謂研究型、設(shè)計(jì)制作型實(shí)驗(yàn),是指讓學(xué)生運(yùn)用相關(guān)的物理原理,根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目查閱參考文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、認(rèn)證方案的可行性、利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和購買實(shí)驗(yàn)材料,進(jìn)行研究討論和制作實(shí)物模型,在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成的制作,對研究結(jié)果或制作模型進(jìn)行系統(tǒng)分析和測試,寫出完整的研究設(shè)計(jì)報(bào)告, 從而讓學(xué)生經(jīng)歷一次科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程的基本訓(xùn)練[9-10]。

    此類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可由教師根據(jù)相關(guān)物理原理的應(yīng)用與實(shí)踐問題進(jìn)行命題,如太空垃圾的回收處理、地球板塊的漂移速率、測量地磁場大小、回旋鏢的原理與制作等。也可根據(jù)教師科研項(xiàng)目和學(xué)生的專業(yè)方向、研究興趣、實(shí)踐生活中遇到的問題自擬創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課題[11]。如快速判斷排球觸網(wǎng)犯規(guī)裝置的設(shè)計(jì)、振動(dòng)除雪裝置、自動(dòng)感應(yīng)防雨棚及接觸角法新型液體表面張力系數(shù)測試儀、分光計(jì)讀數(shù)改進(jìn)裝置等。當(dāng)然,此類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目必須不斷推陳出新,要不斷反映當(dāng)前各種科研和教學(xué)活動(dòng)的新成果,每年要淘汰舊實(shí)驗(yàn),充實(shí)新內(nèi)容,增加新內(nèi)容的趣味性、先進(jìn)性和創(chuàng)新性[12-13]。

    2.3 研究型、設(shè)計(jì)制作型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的分析與實(shí)施

    在物理實(shí)驗(yàn)開課時(shí),列出研究型與設(shè)計(jì)制作型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目清單供班級(jí)同學(xué)選擇,每組同學(xué)不超過3人,也可讓同學(xué)在2周時(shí)間內(nèi)自主命題,報(bào)批教師。教師負(fù)責(zé)審查學(xué)生的設(shè)計(jì)方案,糾正學(xué)生在設(shè)計(jì)方案中的錯(cuò)誤,并依據(jù)實(shí)驗(yàn)操作條件對方案進(jìn)行合理修改,使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案具有合理性和可操作性。在教學(xué)中,穿插優(yōu)秀成功的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目案例進(jìn)行點(diǎn)評,啟發(fā)與引導(dǎo)學(xué)生。課程中期每隊(duì)同學(xué)根據(jù)研究進(jìn)展相互交流總結(jié),對遇到的困難與解決辦法進(jìn)行分享與討論,期末完成研究報(bào)告或?qū)嵨锬P停瑢W(xué)間相互評分,并計(jì)入課程考核系統(tǒng)。若不同專業(yè)班級(jí)的同學(xué)選擇了同一研究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,可由教師安排進(jìn)行集中會(huì)面,探討實(shí)驗(yàn)方案與可行性,一起完成項(xiàng)目或組隊(duì)申報(bào)各類科技創(chuàng)新競賽。在完成此類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的過程中,不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性,同時(shí)也提高了學(xué)生查閱資料、實(shí)驗(yàn)操作、交流協(xié)作等各方面能力,還能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維,更為今后的專業(yè)實(shí)驗(yàn)、各類學(xué)科競賽,甚至畢業(yè)后的研究工作打下良好的基礎(chǔ)。

    3 引導(dǎo)學(xué)生申報(bào)項(xiàng)目、專利和參加各類科技創(chuàng)新競賽活動(dòng)

    大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃(SRTP)的申報(bào)過程,對學(xué)生來說就是一個(gè)研究性、設(shè)計(jì)制作型實(shí)驗(yàn)的分析、認(rèn)證和實(shí)施的完整過程,申請表中涉及項(xiàng)目的意義、現(xiàn)狀分析、研究方案、實(shí)施計(jì)劃、可行性分析、項(xiàng)目條件和創(chuàng)新之處等內(nèi)容,對于項(xiàng)目負(fù)責(zé)人來說需要組建團(tuán)隊(duì)、尋求指導(dǎo)教師、調(diào)查研究和團(tuán)隊(duì)交流協(xié)作等各方面能力。項(xiàng)目立項(xiàng)后需要購買材料制作、調(diào)試、改進(jìn)、撰寫論文、申請專利和結(jié)題答辯等一系列過程。因此,在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究性、設(shè)計(jì)制作型實(shí)驗(yàn)對項(xiàng)目的申報(bào)是一個(gè)必不可少的鍛煉過程[14]。

    在教學(xué)過程中,向同學(xué)介紹宣傳不同級(jí)別的競賽平臺(tái)與獎(jiǎng)勵(lì)政策,鼓勵(lì)學(xué)生申報(bào)科技創(chuàng)新項(xiàng)目;同時(shí),也介紹分析歷屆科技創(chuàng)新競賽中的優(yōu)秀作品,開拓視野,啟發(fā)思路。目前對于在校學(xué)生來說,有三大層次的科研訓(xùn)練計(jì)劃申請平臺(tái):① 量大面廣的校級(jí)大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃;② 省級(jí)大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃);③ 國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃。

    學(xué)生在教師指導(dǎo)下獨(dú)立地選定問題或自主命題,對課題進(jìn)行可行性分析,設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)方案,最后形成研究報(bào)告或制作出實(shí)物模型,讓學(xué)生體驗(yàn)到一個(gè)從發(fā)現(xiàn)問題分析問題到解決問題的全過程,注重學(xué)生在過程當(dāng)中得到綜合訓(xùn)練[15]。

    經(jīng)過近2年的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,每個(gè)教學(xué)班至少有一隊(duì)同學(xué)的設(shè)計(jì)制作型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成功申報(bào)了校級(jí)“春萌”計(jì)劃項(xiàng)目,個(gè)別團(tuán)隊(duì)進(jìn)入了省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃),更有優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的快速判斷排球觸網(wǎng)犯規(guī)裝置入圍大學(xué)生國家創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃。不僅如此,在“挑戰(zhàn)杯”、大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、大學(xué)生機(jī)器人大賽、大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽等創(chuàng)新競賽活動(dòng)中總能看見這些優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)同學(xué)的身影,這與他們在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中打下的良好基礎(chǔ)是分不開的。實(shí)踐證明,各類學(xué)科競賽是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的有效手段,開展課外科技競賽能夠有效評價(jià)大學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。通過對優(yōu)秀項(xiàng)目進(jìn)一步深入培育,評選出優(yōu)秀作品參與各類學(xué)科創(chuàng)新競賽,有利于擴(kuò)大物理科技創(chuàng)新基地的影響力,提高廣大學(xué)生參與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的積極性,并促進(jìn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)成果的推廣[16]。

    4 結(jié) 語

    室相結(jié)合的舉措,教學(xué)時(shí)間得以延伸,使得課內(nèi)師生有更多的時(shí)間進(jìn)行探討交流,并且教學(xué)內(nèi)容也得以豐富與拓展。同時(shí)圍繞開展研究性、設(shè)計(jì)制作型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,逐步培養(yǎng)與訓(xùn)練學(xué)生個(gè)體科技創(chuàng)新實(shí)踐能力,激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維與實(shí)驗(yàn)興趣。近2年來,對2014級(jí)和2015級(jí)的3個(gè)不同專業(yè)班級(jí)約90名同學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式進(jìn)行了改革,取得的成績?nèi)绫?所示。

    表2 近2年物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革取得的成績

    從這2年的成績對比來看,各方面成績都穩(wěn)中有升,獲省級(jí)“挑戰(zhàn)杯”比賽二等獎(jiǎng)1項(xiàng),2016浙江省第七屆大學(xué)生物理科技創(chuàng)新競賽一等獎(jiǎng)和3等獎(jiǎng)各1項(xiàng)。當(dāng)然獲得這些成績并不是這次教學(xué)改革的最終目標(biāo),而是希望通過物理實(shí)驗(yàn)這門課程的基礎(chǔ)訓(xùn)練,培養(yǎng)出更多具有初步科技創(chuàng)新實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才。

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