創(chuàng)新性近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐*

劉海霞 蓋磊 趙培剛

(中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 山東 青島 266100)

作為國家創(chuàng)新體系中不可缺少的、重要的組成部分，高等院校肩負(fù)著專業(yè)人才與創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重任.創(chuàng)新人才的培養(yǎng)既是時代的要求，也是永恒的主題.所以，在大學(xué)教育中應(yīng)以人為本，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際應(yīng)用動手能力為核心，注重提高學(xué)生綜合素質(zhì)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能和創(chuàng)新思維，為學(xué)生提供自主探索的、多方位的、綜合的實(shí)踐機(jī)會，將創(chuàng)新意識轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新實(shí)踐.

為了加強(qiáng)高等院校人才培養(yǎng)過程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用，改變學(xué)生實(shí)踐動手能力不強(qiáng)的現(xiàn)狀，進(jìn)一步改變單一的、傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)方法，我們進(jìn)行了創(chuàng)新性近代物理實(shí)驗(yàn)研究并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中予以實(shí)施.目的就在于探索和推廣研究性學(xué)習(xí)和個性化培養(yǎng)的教學(xué)方式，真正體現(xiàn)以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識， 形成良好的創(chuàng)新教育氛圍.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、探究精神、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作研究性學(xué)習(xí)，進(jìn)而促進(jìn)高等教育教學(xué)改革，使得教學(xué)質(zhì)量得到進(jìn)一步提高[1].

1 近代物理創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及選題思路[2,3]

近代物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是搭建一個平臺，以便能夠發(fā)揮和展現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力.因此 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的確定必須遵循難易適度，科學(xué)性、實(shí)踐性、可行性要強(qiáng)，選題層次要高于課堂教學(xué)，但是不能過高追求難度.本科生是創(chuàng)新培養(yǎng)的起步階段，應(yīng)立足于學(xué)科知識綜合運(yùn)用，學(xué)生自主選擇、自主設(shè)計(jì)的原則.

1.1 近代物理創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)全面開放

創(chuàng)造力是每個大學(xué)生都有的一種潛質(zhì)，而創(chuàng)新是每一個大學(xué)生都應(yīng)具備的重要能力之一.因此，創(chuàng)新性近代物理實(shí)驗(yàn)對全體選課的學(xué)生完全開放.

(1)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)面向所有學(xué)生開放，不設(shè)置學(xué)業(yè)門檻，鼓勵和提倡全體選課學(xué)生集思廣益，充分發(fā)揮學(xué)生的主動性、積極性、探究性和創(chuàng)造性，找尋、選取和確定創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn).

(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)房間、實(shí)驗(yàn)時間完全開放.對于每一個選定的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，除了安排固定課時外，教學(xué)周的每個工作日都可以提前與教師預(yù)約，以獲得實(shí)驗(yàn)時間.同時實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的所有儀器都可以選擇和使用.如果要使用本院系其他實(shí)驗(yàn)室的儀器、設(shè)備和場地，教師可以負(fù)責(zé)聯(lián)系協(xié)調(diào)和借用.

1.2 創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)選題及設(shè)計(jì)思路

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)選題既要考慮學(xué)生原有的認(rèn)知水平和專業(yè)特點(diǎn)，又要考慮實(shí)際教學(xué)過程中的可操作性.

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選取應(yīng)從多方位、多角度、多層次、多類別、形式多樣化方面考慮.同時還要具備一定的新穎性、實(shí)用性、探索性、綜合性以及實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法的多樣性，以近代物理為立足點(diǎn)，輻射其他學(xué)科.既可以是以本課程為依托，尋找出與科研、工程、生活和社會應(yīng)用實(shí)際緊密聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也可以是學(xué)生進(jìn)行必做和選作實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的一些現(xiàn)象和問題作進(jìn)一步探索和研究的內(nèi)容，以及使用計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和模擬的實(shí)驗(yàn)等， 甚至還可以寫出實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面的綜述作為創(chuàng)新內(nèi)容.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)完成后要以科技論文格式撰寫出實(shí)驗(yàn)研究報告或研究論文.

2 創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法和策略 [4～7]

創(chuàng)新性近代物理實(shí)驗(yàn)最大的難點(diǎn)在于創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的來源、選擇和確定.創(chuàng)新性近代物理實(shí)驗(yàn)選題要經(jīng)過仔細(xì)的篩選、對比和設(shè)計(jì)，既要有新穎性，還要有新現(xiàn)象、新內(nèi)容.與此同時還要考慮到學(xué)生所具備的專業(yè)認(rèn)知水平和實(shí)驗(yàn)技能，盡可能讓他們在比較熟悉的專業(yè)基礎(chǔ)理論或?qū)嶒?yàn)技術(shù)知識方面做延伸、拓展和遷移.既要做到與本專業(yè)課程相關(guān)聯(lián)，還要有一定的深度和廣度.因此，我們在近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采取了以下方法.

2.1 提出完成一個創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的要求

在近代物理實(shí)驗(yàn)開課初期，就對學(xué)生提出完成一個創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的要求，同時把創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)選題思路及要求告知學(xué)生.通過實(shí)驗(yàn)討論課，把在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、社會生產(chǎn)及生活實(shí)際中與近代物理實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用作為實(shí)例進(jìn)行介紹.另外特別重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)： 教師不提供任何具體的實(shí)驗(yàn)選題，只起到引導(dǎo)、建議、指導(dǎo)和把關(guān)的作用；創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)全部由學(xué)生自主選題、獨(dú)立設(shè)計(jì)、獨(dú)立完成.真正體現(xiàn)問題式和課題式教學(xué).另外創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)操作是在學(xué)生完成必做和大部分選做實(shí)驗(yàn)后，開始著手進(jìn)行.

2.2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)選題的引導(dǎo)和建議

為使學(xué)生能夠較快地找到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開展的切入點(diǎn)，我們主要進(jìn)行了下面的引導(dǎo)和建議[8].

首先,接觸和閱讀科研文獻(xiàn)，我們提供大量的與近代物理實(shí)驗(yàn)原理或?qū)嶒?yàn)技術(shù)有關(guān)的科研、工程或生活實(shí)際應(yīng)用方面的科研論文資料供學(xué)生閱讀，選取的論文資料主要包含了一些著名的物理實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的背景以及在現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展史中所產(chǎn)生的作用和 影響，還包含了在現(xiàn)代科學(xué)研究、生產(chǎn)工程、技術(shù)及生活的實(shí)際應(yīng)用等方面內(nèi)容.另外也提供了如維普( www．cqvip．com)、中國期刊全文數(shù)據(jù)庫( www．cnki．net) 、萬方數(shù)據(jù)庫( www． wanfangdata．com．cn)等一些專業(yè)網(wǎng)站，供學(xué)生對相關(guān)論文資料進(jìn)行更廣泛的查閱和參考.

除此之外,還要求學(xué)生就感興趣的問題利用網(wǎng)絡(luò)資源更廣泛的、進(jìn)一步查閱資料，以便開闊學(xué)生視野，拓展學(xué)生思路，幫助學(xué)生選擇和擬定出題目，建議學(xué)生可在以下方面選題:

首選與科研、工程、社會和生活實(shí)際應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn).

其次,通過計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算或仿真等模擬物理原理和現(xiàn)象的題目.

第三,進(jìn)行選做和必做實(shí)驗(yàn)過程中，留意學(xué)生出現(xiàn)的問題，推薦給學(xué)生相關(guān)的研究資料，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入研究和探索，尋找原因和答案.

學(xué)生也可以通過廣泛、大量閱讀，篩選、歸納、總結(jié)后，撰寫綜述性論文.

2.3 相動式教學(xué)及把關(guān)

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)必須把學(xué)生定位為主體角色，讓學(xué)生真正感受到自己在自主設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中的主人公作用，而教師轉(zhuǎn)變?yōu)榘殃P(guān)、引領(lǐng)、建議和督導(dǎo)的角色.充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，發(fā)揮學(xué)生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，使學(xué)生逐漸掌握發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、分析問題、解決問題的方法， 從而提高其創(chuàng)新實(shí)踐能力[9].

學(xué)生通過查詢閱讀資料后，經(jīng)過思考、篩選、對比，自己構(gòu)思和制訂實(shí)驗(yàn)方案，草擬出實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，寫明?shí)驗(yàn)原理、采用的實(shí)驗(yàn)方法、所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、測試用的樣品材料和所要獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果.然后與教師進(jìn)行充分討論和交流，教師就設(shè)計(jì)思想的合理性、實(shí)驗(yàn)條件及技術(shù)可行性全面考慮，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室所具備的軟、硬件條件，指導(dǎo)學(xué)生修改和完善，制定出合理可行的實(shí)驗(yàn)方案.

學(xué)生通過進(jìn)一步修改和完善自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案后，可到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，獨(dú)立自主完成自擬的項(xiàng)目.在完成實(shí)驗(yàn)的過程中，遇到無法解決的問題，及時聯(lián)系指導(dǎo)教師，通過討論和溝通，獲得合理的解決方案.學(xué)生完成獲得全部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，要自己進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并按照規(guī)范的科技論文格式撰寫出實(shí)驗(yàn)報告.

3 我們的嘗試及創(chuàng)新內(nèi)容舉例

近代物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)按照必做實(shí)驗(yàn)、選做實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)三層次教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué).學(xué)生完成必做實(shí)驗(yàn)、選做實(shí)驗(yàn)的同時，必須開始查閱論文資料，尋找創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的入手點(diǎn).常規(guī)下是在完成必做實(shí)驗(yàn)和選做實(shí)驗(yàn)后，創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)進(jìn)入實(shí)際操作階段，創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)動手實(shí)驗(yàn)測試的課時安排一般不超過8～16學(xué)時，時間跨度不超過一個月.選擇出的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)主要以本專業(yè)課程為依托，難度適中，采用的樣品材料易于獲得，具備實(shí)施條件，大致能在規(guī)定的時間內(nèi)完成，達(dá)到鞏固、加深、擴(kuò)大學(xué)生專業(yè)知識面的目的.

2016年秋季學(xué)期，我們對本系2014級物理專業(yè)和光科專業(yè)學(xué)生(總計(jì)90人)實(shí)施了創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，近70%的學(xué)生選擇了創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn).

在創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)選題的過程中，學(xué)生充分發(fā)揮了自主設(shè)計(jì)、自主探索的積極性，完成了許多有實(shí)際意義的測試： 如微波測量牛奶的含水量，學(xué)生選擇了不同品牌的純牛奶，進(jìn)行了水分的比較和測定.還有學(xué)生測量了不同種光源的色度，如LED光源，普通使用的節(jié)能燈，取得了良好的結(jié)果.也有學(xué)生對鉛錫組分合金在不同比例下的熔解熱進(jìn)行研究，得到了與實(shí)際情況比較相符的結(jié)論.另有學(xué)生發(fā)現(xiàn)在光磁共振實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)雙量子及多量子躍遷現(xiàn)象，并進(jìn)行了探索研究，對光磁共振實(shí)驗(yàn)中雙量子及多量子躍遷的物理機(jī)制進(jìn)行了分析，得到了部分可信的、合理的解釋.另外還有學(xué)生利用Matlab和Multisim軟件在混沌實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用.以經(jīng)典的洛倫茲( Lorenz)為例，以蔡氏電路為研究對象，通過選擇和改變數(shù)值參數(shù)， 觀察混沌現(xiàn)象產(chǎn)生的條件，混沌現(xiàn)象由量變到質(zhì)變的演化過程，觀察混沌吸引子的不同狀態(tài)，從而加深理解混沌狀態(tài)改變的基本規(guī)律.還有一組學(xué)生自己尋找選擇了對耦合節(jié)拍器的同步現(xiàn)象進(jìn)行了較全面的研究.其他學(xué)生也通過閱讀大量文獻(xiàn)資料，寫出了不同題目的綜述型科技論文，如核磁共振原理及應(yīng)用， 介紹了核磁共振的發(fā)展歷史和基本原理以及在醫(yī)療診斷方面的應(yīng)用和未來發(fā)展前景；如對微波檢測含水量技術(shù)方面寫出了綜述型論文，闡述了微波測量物料水分的基本原理和實(shí)驗(yàn)裝置，介紹了國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用.選修近代物理實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生積極參與，通過多層次，多角度、多方面、多種類型，選擇創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.學(xué)生還選擇了其他一些題目，在此不一一列舉.

在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)完成的過程中，盡管有些操作不夠嚴(yán)謹(jǐn)，獲得的數(shù)據(jù)分布不盡合理和準(zhǔn)確，但在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的完成中， 我們更加注重學(xué)生在研究和探索過程中的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，強(qiáng)調(diào)知識的遷移、重構(gòu)與實(shí)際應(yīng)用.允許實(shí)驗(yàn)不成功，重在參與.

4 創(chuàng)新性近代物理實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的教學(xué)效果

學(xué)生在掌握了原有知識體系的基礎(chǔ)上，通過廣泛的查詢和閱讀科技論文，大大開闊了視野和思路，通過自主選擇和設(shè)計(jì)，發(fā)掘創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，是真正意義上的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的體現(xiàn).

4.1 充分激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性 拓展了知識面

(1)在教學(xué)過程中對學(xué)生采用了課題式和問題式教學(xué).首先我們選取了較為豐富的、與本專業(yè)實(shí)驗(yàn)密切相關(guān)的科技實(shí)驗(yàn)論文資料供學(xué)生閱讀.通過廣泛的閱讀科研論文，使學(xué)生能夠快速積累和擴(kuò)大知識面，讓學(xué)生對本專業(yè)的發(fā)展史及應(yīng)用現(xiàn)狀和前沿動態(tài)有比較深入的了解，提高了個人科研素質(zhì).通過查詢資料開闊視野，拓寬知識面，讓學(xué)生尋找到感興趣的熱點(diǎn)，并充分了解當(dāng)前熱點(diǎn)， 把專業(yè)知識與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力.

(2)在創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，不設(shè)門檻，不限實(shí)驗(yàn)選題范圍，真正做到讓學(xué)生自主選題，自主設(shè)計(jì).減小了選題的局限性，從而讓學(xué)生獲得較大的選擇權(quán)和自由度.為學(xué)生充分發(fā)揮創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力提供較大的空間，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性.

(3)實(shí)驗(yàn)時間和實(shí)驗(yàn)室完全開放，為學(xué)生提供彈性的實(shí)驗(yàn)時間和實(shí)驗(yàn)空間，學(xué)生能夠根據(jù)自己的時間靈活安排實(shí)驗(yàn)，既可避免使用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備可能產(chǎn)生的“撞車”現(xiàn)象，也為有興趣深入探索研究的學(xué)生提供了更多的機(jī)會，從而獲得了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，進(jìn)一步提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量.

4.2 提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力

創(chuàng)新性近代物理實(shí)驗(yàn)的選題和設(shè)計(jì)，是模擬和預(yù)演科學(xué)實(shí)驗(yàn)或科學(xué)研究的過程.創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，首先，使學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)或科研的一般程序.其次，對大量相關(guān)的文獻(xiàn)資料進(jìn)行瀏覽和閱讀，對不同的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)過程等進(jìn)行對比與研究，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識.第三，可以充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和鉆研科學(xué)的興趣.第四，創(chuàng)新性近代物理實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，更有利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問題、獨(dú)立分析問題以及綜合運(yùn)用知識去解決問題的能力[10].

4.3 促進(jìn)了教與學(xué)的相互提高

在創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生選題后與教師進(jìn)行充分討論和交流， 教師就設(shè)計(jì)思想的合理性、實(shí)驗(yàn)條件及技術(shù)可行性與學(xué)生溝通分析并提出問題，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室所具備的軟、硬件條件，指導(dǎo)學(xué)生修改和完善，制定出合理可行的實(shí)驗(yàn)方案.

學(xué)生花費(fèi)了更多的時間去思考問題和探究實(shí)驗(yàn)，因此提出了很多具有一定深度和廣度的問題.其中許多是教師也不甚了解和熟悉，甚至是未曾涉足的學(xué)術(shù)問題，這就迫使教師也要查找和閱讀更多的文獻(xiàn)資料，通過不斷學(xué)習(xí)來更新知識，充實(shí)自己，這樣才能對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo).由此在師生之間形成了相互促進(jìn)、相互激勵，教與學(xué)相長的關(guān)系.

4.4 獲得了較好的教學(xué)效果

創(chuàng)新近代物理實(shí)驗(yàn)是模擬和預(yù)演科學(xué)研究的過程，獲得了學(xué)生的認(rèn)可，學(xué)生對此抱有極大的熱情和強(qiáng)烈的探索研究欲望， 有近70%的學(xué)生參加了創(chuàng)新項(xiàng)目.

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)旨在改變學(xué)生實(shí)踐動手能力不強(qiáng)的現(xiàn)狀，通過實(shí)施開放式、個性化的教學(xué)，極大地提高了學(xué)生的實(shí)踐興趣，使教學(xué)的目的、內(nèi)容、方法和模式與學(xué)生的需求相吻合，取得更好的教學(xué)效果.

5 結(jié)束語

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)與實(shí)施，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的單一和不足，為學(xué)生搭建了自由發(fā)揮和自主實(shí)踐的平臺.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是真正意義上的以學(xué)生為主體的教學(xué)模式，同時創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的過程也讓學(xué)生懂得了從事科學(xué)研究必須具備嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真和勇于探索、不怕艱辛的優(yōu)良品質(zhì).