基于物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

張斯文　于文惠　田竹

【摘要】突出實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的物理實(shí)驗(yàn)在高校培養(yǎng)研究生科學(xué)思維和素養(yǎng)方面具有重要的作用。物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可提供豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不受客觀教室條件限制，為研究生提供時(shí)間自由度、學(xué)習(xí)自由度更高的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體驗(yàn)，極大地增加了受益的研究生人數(shù)。將物理仿真實(shí)驗(yàn)以開放實(shí)驗(yàn)形式投入到研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)了更適于研究生培養(yǎng)特點(diǎn)的學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間和內(nèi)容的教學(xué)模式，在研究生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)中具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】研究生教育 物理實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng) 教學(xué)研究

一、引言

自教育部啟動(dòng)“研究生教育創(chuàng)新工程”以來，許多高校掀起了創(chuàng)建以創(chuàng)新為宗旨的研究生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中心。與本科生教育不同，研究生教育更注重研究生創(chuàng)新思維、科學(xué)素養(yǎng)及實(shí)踐能力的培養(yǎng)。物理學(xué)是工程技術(shù)學(xué)科的基礎(chǔ)，而實(shí)驗(yàn)是連接物理學(xué)和工程技術(shù)的橋梁。物理實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維和創(chuàng)新能力，鍛煉學(xué)生理論與實(shí)際相聯(lián)系，特別是與科學(xué)技術(shù)發(fā)張相適應(yīng)的綜合能力方面有著重要作用。

國內(nèi)理工類研究生一般在入學(xué)第一年，統(tǒng)一學(xué)習(xí)基本專業(yè)知識(shí)及基本實(shí)踐技能，從第二年開始跟隨導(dǎo)師進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室結(jié)合科研課題開展相關(guān)研究。目前，國內(nèi)很多高校均在本科階段設(shè)置物理實(shí)驗(yàn)課程，而研究生的物理實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)的卻很少。研究生本科階段的實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)有限，甚至不足，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，難以快速入手開始科學(xué)研究。立足研究生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)現(xiàn)實(shí)，本文提出基于物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，在不增加研究生課業(yè)負(fù)擔(dān)的同時(shí)以開放實(shí)驗(yàn)的形式培養(yǎng)研究生的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。

二、 物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)內(nèi)容

以培養(yǎng)研究生實(shí)驗(yàn)技能、掌握現(xiàn)代物理技術(shù)及啟迪研究生的創(chuàng)造性思維為出發(fā)點(diǎn)，建設(shè)成了集基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)和自由創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)技能鍛煉為一體的物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)以網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和微信公眾號(hào)平臺(tái)為依托，學(xué)生可通過登錄密碼和網(wǎng)址直接登錄系統(tǒng)。物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要分為三個(gè)層次，分別是基礎(chǔ)型物理仿真實(shí)驗(yàn)、綜合型物理仿真實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型物理仿真實(shí)驗(yàn)。

基礎(chǔ)型物理仿真實(shí)驗(yàn)側(cè)重基礎(chǔ)物理效應(yīng)的原理學(xué)習(xí)，基本實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法學(xué)習(xí)以及基本的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法學(xué)習(xí)，設(shè)置目的在于通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)鞏固研究的知識(shí)基礎(chǔ)，具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如落體法測(cè)定液體的粘度實(shí)驗(yàn)，邁克爾遜干涉儀使用實(shí)驗(yàn)，分光計(jì)的使用實(shí)驗(yàn)等。綜合型物理仿真實(shí)驗(yàn)側(cè)重于研究生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多包含了對(duì)物理現(xiàn)象思考及一些應(yīng)用型較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)置目的在于鍛煉學(xué)生多思考勤動(dòng)腦的習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維，具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如電阻應(yīng)變式傳感器特性研究，整流濾波電路的研究，太陽能電池特性研究等。設(shè)計(jì)型物理仿真實(shí)驗(yàn)注重學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，設(shè)置的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如萬用表的設(shè)計(jì)，基于熱敏電阻的溫度傳感器設(shè)計(jì)，偏振光的觀察及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等。

從研究生本身特點(diǎn)和培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容設(shè)計(jì)遵循“鞏固基礎(chǔ)，綜合實(shí)踐，創(chuàng)新提升”的教學(xué)思路。鞏固研究生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)思路，綜合培養(yǎng)研究生遇到實(shí)驗(yàn)問題的分析處理能力，最后結(jié)合具體的設(shè)計(jì)題目鍛煉學(xué)生的分析能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

三、 研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究

與本科生教學(xué)模式不同，研究生只有第一年是固定的課程教學(xué)時(shí)間，其他時(shí)間需要研究生跟隨導(dǎo)師開展課題式的學(xué)習(xí)。因此，研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不能沿用本科生的固定時(shí)間、固定地點(diǎn)、固定內(nèi)容的教學(xué)模式。我們嘗試以開放型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式作為研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要思路，這也是物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)之一，研究生可自由選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間參與課程學(xué)習(xí)，增加了教學(xué)的時(shí)間維度。研究生可以根據(jù)自身?xiàng)l件和日常學(xué)習(xí)特點(diǎn)，合理安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間，隨時(shí)登陸物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開始實(shí)驗(yàn)課程，同時(shí)學(xué)生可以隨時(shí)做實(shí)驗(yàn)隨時(shí)保存，待下次再次參與實(shí)驗(yàn)課程時(shí)，繼續(xù)上次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將教學(xué)時(shí)間由固定學(xué)時(shí)拓展為靈活度更高的自由時(shí)間。

物理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)教學(xué)模擬的另一優(yōu)勢(shì)是可以由研究生和導(dǎo)師共同定制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，打破了實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)教師為所有學(xué)生指定統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的傳統(tǒng)模式。研究生物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)與本科生的實(shí)驗(yàn)課程不同，需要指派導(dǎo)師為學(xué)生“私人訂制”合理的創(chuàng)新培養(yǎng)計(jì)劃，將研究生培養(yǎng)需求與平臺(tái)的運(yùn)行對(duì)接。一方面，導(dǎo)師可以根據(jù)具體的科研方向，或者導(dǎo)師認(rèn)為研究生需要掌握得實(shí)驗(yàn)技能，指定有關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。另一方面，研究生也可以根據(jù)自身情況自由選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的把控權(quán)交給導(dǎo)師或者研究生更有利于對(duì)研究生的“個(gè)性化”培養(yǎng)，真正實(shí)現(xiàn)“因材施教”的教學(xué)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)研究生教育的“私人訂制”。此外，物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)模式不僅對(duì)選修實(shí)驗(yàn)課程的研究生開放，有需要的其他專業(yè)研究生也可以申請(qǐng)賬號(hào)，參與到物理仿真實(shí)驗(yàn)技能練習(xí)中，在一定程度上極大地增加了受益學(xué)生數(shù)目。

四、 總結(jié)

基于物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的束縛，采用三層遞進(jìn)式的教學(xué)內(nèi)容，鞏固研究生實(shí)驗(yàn)時(shí)間基礎(chǔ)的同時(shí)，培養(yǎng)分析問題、解決問題的綜合能力。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研素養(yǎng)。開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式提供了時(shí)間自由度更高、內(nèi)容自由度更高的教學(xué)模式。物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的管理運(yùn)行需要研究生、指導(dǎo)教師和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)維護(hù)人員的共同努力。面向研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)教師主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)到“私人訂制”式的靈活教學(xué)體系，體現(xiàn)了研究生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，能夠幫助研究生更快的參與到導(dǎo)師科研工作中。

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作者簡(jiǎn)介：張斯文（1984-），女，河北省承德市人，天津理工大學(xué)理學(xué)院，副教授，博士，主要從事物理學(xué)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)科研工作。