創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)新途徑
——物理實驗儀器的創(chuàng)新設(shè)計與改進*

熊澤本

(荊楚理工學院數(shù)理學院 湖北 荊門 448000)

1 時代背景與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育現(xiàn)狀

我國進入到中國特色社會主義新時代，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成為國家發(fā)展的新動力,創(chuàng)新上升到了國家戰(zhàn)略的高度，在“中國制造2025”和“創(chuàng)新中國”時代大背景下,我國經(jīng)濟社會發(fā)展急需數(shù)以千萬計的拔尖創(chuàng)新人才來實現(xiàn)“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的戰(zhàn)略目標．培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重任責無旁貸地落在了高校肩上，并對我國的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育提出了嚴峻的挑戰(zhàn)．

國外理科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育是以工科為主的理論與實踐相結(jié)合的教學模式，從基礎(chǔ)教育開始重視實踐操作和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體現(xiàn)在以職業(yè)教育為主體的工科教育模式．如德國成熟先進的職業(yè)教育體系．美國效仿德國職業(yè)教育，1947年，美國哈佛大學開始“創(chuàng)業(yè)教育”[1]．目前美國有1 600所大學開設(shè)了創(chuàng)業(yè)課程，200多所大學開展創(chuàng)業(yè)學位教育，有100多家創(chuàng)業(yè)研究機構(gòu)群[2]．

我國創(chuàng)業(yè)教育起步于20世紀初，受美國實用主義影響的萌芽，以陶行知為代表的教育學家提出了教學過程中融入創(chuàng)業(yè)理念，20世紀以梁漱溟為代表的“鄉(xiāng)村自治”理念，提出農(nóng)民自主創(chuàng)業(yè)觀點．新中國成立后，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育進入新時代．1990年，國家教委基礎(chǔ)教育司嘗試“創(chuàng)業(yè)教育實驗”，從2002年教育部確立9所創(chuàng)業(yè)教育試點院校以來，經(jīng)過近20年的發(fā)展，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育仍難滿足社會需求[3～5]．

國外對創(chuàng)新素質(zhì)和創(chuàng)業(yè)能力的重視比較早，研究也比較早,高等教育機構(gòu)和社會學界都高度關(guān)注創(chuàng)新教育．美國是最早開展創(chuàng)新教育研究和實踐的國家，杜威、斯普朗格等相關(guān)研究人員認為創(chuàng)造力是人才培養(yǎng)目標的首要任務(wù)[2]，McMullan提出要開設(shè)激發(fā)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識的課程[6]，Solomon建議把創(chuàng)業(yè)課程推廣到多門學科[7]．在我國，創(chuàng)業(yè)教育成為近幾年的研究熱點(2015至2018年主題中含“創(chuàng)業(yè)”的文獻條目數(shù)量依次為20 241,21 850,22 226,20 235，知網(wǎng)數(shù)據(jù)),表面來看，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的普及程度大大提高，但最終創(chuàng)業(yè)成功的學生卻少之又少．究其根本原因就是我國高校十幾年來都沒有形成一個系統(tǒng)的、完整的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程體系，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)教育不能有機融合[8]，國內(nèi)高校的創(chuàng)業(yè)課程往往出現(xiàn)偏理論、輕實踐的情況．

2 依托專業(yè)教育推動創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育縱深發(fā)展與延伸

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育如果僅僅局限于創(chuàng)業(yè)通識課的建設(shè)，則雙創(chuàng)教育只是空中樓閣，無本之木．科學、完整的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育必須與專業(yè)教育有機融合，把雙創(chuàng)教育落于實處，使雙創(chuàng)教育的源頭浸潤于專業(yè)課程的每一個可能的知識點，才能使創(chuàng)業(yè)項目源源不斷，來之于實際．創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入專業(yè)課程教學之中，許多高校在此進行了有益的嘗試，但是,參與創(chuàng)業(yè)教育的專業(yè)大多聚集在與就業(yè)聯(lián)系非常緊密的旅游、服務(wù)、貿(mào)易、傳媒等專業(yè)[9～12]．創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)相融合，就是把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入專業(yè)人才培養(yǎng)目標的定位、專業(yè)課程體系的架構(gòu)、教學內(nèi)容的設(shè)定、師資隊伍的培育、實驗實習基地的建設(shè)以及人才培養(yǎng)效果的評價等[13～14]．創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與理科專業(yè)特別是物理學專業(yè)的融合就是結(jié)合物理學專業(yè)特點，把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育滲透進專業(yè)教學的每一個任務(wù)點．物理學是一門實驗科學，實驗教學是物理專業(yè)教學的重要組成部分．把物理原理應(yīng)用于具體實際，設(shè)計創(chuàng)作新的作品，或者是針對物理實驗過程中的實驗原理相對落后、實驗步驟相對繁雜、實驗儀器老化不配套、實驗現(xiàn)象不明顯、儀器利用功能單一等“痛點”，選取合適的實驗項目，針對“痛點”尋找解決方案，然后進行實物制作，最后把項目提煉，相應(yīng)成果升華成創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)點，使創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與實驗儀器的創(chuàng)新設(shè)計深度融合，推動創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育縱深發(fā)展．

3 依托專業(yè)實驗室 開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育

地方高校應(yīng)該遵循教育發(fā)展規(guī)律，以培養(yǎng)適應(yīng)時代發(fā)展的基層服務(wù)型、應(yīng)用型人才為己任．根據(jù)我校建設(shè)服務(wù)基層社會和經(jīng)濟發(fā)展的地方大學的辦學目標，我校應(yīng)用物理學專業(yè)在人才培養(yǎng)目標的定位中，依據(jù)學生個性特征并結(jié)合專業(yè)特點，對學生發(fā)展進行合理化分流，經(jīng)過4年的逐步培育和專業(yè)實訓，使約30%的學生能夠繼續(xù)升學學習；使約20%的學生能熟練掌握專業(yè)技能，成為有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的行業(yè)專門人才；使約50%的學生成為專業(yè)技術(shù)工人．

在人才培養(yǎng)過程中，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育貫穿人才培養(yǎng)的所有過程，特別是實驗實踐環(huán)節(jié)．我校自合并升本以來，從 2008年面對理工科本科生開設(shè)大學物理實驗課，在國家級、省級實驗教學示范中心輻射作用下，依據(jù)《理工科類大學物理實驗課程教學基本要求》的文件精神[15]，從2012年開始逐步增加綜合、設(shè)計性物理實驗內(nèi)容，旨在更好地培養(yǎng)學生的應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力．2015年開始嘗試《物理實驗儀器的創(chuàng)新設(shè)計與改進》相關(guān)實驗內(nèi)容的選題、立體化教案的制作、典型案例的整理等相關(guān)工作．逐步改變了以下各種現(xiàn)狀：創(chuàng)新、設(shè)計性實驗開設(shè)的項目較單一；受教學時數(shù)不足的影響學生自主實驗體現(xiàn)不充分，對設(shè)計性實驗感到困惑，不知如何入手；教師不得不按照傳統(tǒng)的教學方法把目的、原理、儀器、實驗方法、步驟一一講解，最終在教學形式、方法上逐步打破傳統(tǒng)，建立了以培養(yǎng)有積極創(chuàng)新意識、有基礎(chǔ)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)知識、有一定創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)技能的全新實驗實踐課程體系．

培養(yǎng)創(chuàng)新人才的教育目標對教師和學生提出更高的要求．教學開放性給修習大學物理實驗的理工科學生帶來一個切實可行的創(chuàng)新途徑，也給了學生更大的創(chuàng)造空間．針對物理實驗過程中的實驗原理相對落后、實驗步驟相對繁雜、實驗儀器老化不配套、實驗現(xiàn)象不明顯、儀器利用功能單一等“痛點”，利用已經(jīng)掌握的專業(yè)知識，借助多樣化的測量手段，依附更先進的測量儀器和設(shè)備，因陋就簡、就地取材，自制新儀器或改進已有的實驗儀器，讓學生參與到自制實驗儀器或改進實驗儀器的活動中來，把實驗過程中的“痛點”解決后形成創(chuàng)新點，落實到具體的實驗儀器的升級、改造項目，并進一步把項目實體化、成果化，是一種切實可行而又理想的尋找創(chuàng)新項目、提高創(chuàng)新能力、形成創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成果的絕佳辦法．

首先，通過項目化的物理實驗儀器的創(chuàng)新設(shè)計與改進開發(fā)了學生的智力，項目實施過程中培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，問題的解決過程會促進學生綜合素質(zhì)和能力的提高.

第二，對物理實驗儀器的創(chuàng)新設(shè)計與改進是學生在教師指導下自主完成的一項創(chuàng)造性的研學活動，創(chuàng)新制造過程可以促進學生手腦協(xié)調(diào)發(fā)展，創(chuàng)新制造過程也是一個不斷自我否定、理論進步、然后具體實踐的論證與探索過程，它具有探索性.

第三，物理實驗儀器的創(chuàng)新設(shè)計與改進的選題必須突出創(chuàng)造性，選題目的不在于繁雜與簡單，而是要突出創(chuàng)新與發(fā)展，只要有創(chuàng)造性，論題新穎，有實用和推廣價值就行．

針對學生具體情況和我校大學物理實驗中心儀器出現(xiàn)的相關(guān)問題，我們選取了約20個實驗項目，針對每個實驗項目進行嘗試性，尋找“痛點”—尋找解決方案—嚴密論證—實物制作—項目提煉—成果升華，爭取在這些項目的實施過程中提煉出實用價值較高、受眾面廣、成果顯著的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)點．本項目在實際教學過程中可采用3種教學模式:

一是在教學計劃內(nèi)的大學物理實驗課上穿插進行,以課程設(shè)計、實驗小論文、儀器小制作為目標的小型項目的實施，適用于全體學生,它是大眾創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的基石部分，也即“大眾模式”.

二是開放實驗室以課內(nèi)課外結(jié)合，與大學生科技創(chuàng)新項目的申報、實施，各種學科行業(yè)競賽，實習基地項目等相結(jié)合的形式穿插進行,適用于部分對實驗充滿興趣的學生,設(shè)計實驗儀器需要反復探索,實驗室和實習基地提供必要工具和部分經(jīng)費，有條件的對實驗充滿興趣的學生進行開放．創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)項目的實施過程使學生在失敗和成功中思考、總結(jié)、吸取經(jīng)驗和教訓,培養(yǎng)創(chuàng)新意識,獲得創(chuàng)新素質(zhì)，獲得創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)體驗,繼而達到創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng).

三是開放實驗室實行實驗導師制,適用于少數(shù)優(yōu)秀的有實驗天賦的有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意愿和創(chuàng)新能力的學生,也即創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的“精英模式”．開放實驗室, 結(jié)合教師的科研課題、實驗創(chuàng)新設(shè)計與改進課題項目實行項目導師制,從項目中提煉創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)源頭，滿足學生的求知欲望,創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)愿望，讓他們對科學研究和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)有一個全程體驗,體驗一個原創(chuàng)性實驗的開發(fā)和創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新的艱難與艱辛．

3種模式體現(xiàn)了大眾創(chuàng)新教育與精英創(chuàng)業(yè)教育的統(tǒng)一與兼顧．

物理實驗儀器的創(chuàng)新設(shè)計與改進項目的實施大致分類如下：

第一類，演示實驗儀器的創(chuàng)新設(shè)計．針對某個物理原理或物理規(guī)律在實際生活的應(yīng)用以及驗證，設(shè)計簡單實用的小實驗．如學生根據(jù)半導體熱電偶的電熱效應(yīng)原理、水循環(huán)制冷以及風冷原理設(shè)計制作的簡易小冰箱，原理清晰、結(jié)構(gòu)簡單、實驗設(shè)備開放可調(diào)，該項目成功申請2019年湖北省大學生科技創(chuàng)新項目，學生系列成果成功申報國家專利(表1)．

表1 歷年大學生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目

第二類，廢舊儀器的回收利用．在實驗室部分儀器一旦達到使用年限或部分損壞，便要進入報廢淘汰階段，為了更好地利用國家資源，充分提高產(chǎn)品剩余價值，對面臨報廢淘汰的儀器進行重新組合或回收開發(fā)再利用，是物理實驗儀器的創(chuàng)新設(shè)計與改進的重要途徑．如我校應(yīng)用物理學專業(yè)學生利用接近報廢的邁克爾孫干涉儀，在導軌平臺上加裝載物臺，導軌上方架設(shè)組裝的顯微鏡筒，設(shè)計制作了“高精度數(shù)顯微鏡”，該儀器填補了一般實驗室條件下測量精度介于微米和納米量級之間的常用測量設(shè)備的空白，該項目獲得湖北省大學生物理實驗創(chuàng)新設(shè)計大賽三等獎(表2)．

表2 歷年物理實驗創(chuàng)新設(shè)計大賽獲獎項目

第三類，對現(xiàn)有儀器的升級改造．學生通過熟悉實驗設(shè)備和測量過程，充分了解儀器設(shè)計原理和基本結(jié)構(gòu)，對實驗設(shè)備的不合理、不完善、不適用的諸多問題進行深入的分析與探討，并設(shè)計合理可行的改進方案和措施，對儀器進行一定程度的升級改造，是對物理實驗儀器的創(chuàng)新設(shè)計與改進的重要手段．如我校2015級應(yīng)用物理學專業(yè)學生聯(lián)合機械設(shè)計與自動化、物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)學生對實驗室現(xiàn)有的靜電場描繪儀進行設(shè)計改造，利用單片機控制機械臂進行電勢點的自動尋找和電勢的實時數(shù)碼顯示，設(shè)計制作出自動化靜電場描繪儀，該項目成果獲得湖北省大學生物理實驗創(chuàng)新設(shè)計大賽一等獎，并成功申報國家專利．而且該產(chǎn)品吸引了儀器生產(chǎn)廠家的強烈興趣，已經(jīng)與我校簽訂了合作意向．下一步將進一步升級、完善后進行試生產(chǎn)．

第四類，全新實驗儀器的創(chuàng)新設(shè)計．在高年級階段，部分學生在熟練掌握相關(guān)專業(yè)知識和實驗技能后，就能以自己創(chuàng)造性的視角和靈敏的嗅覺，主動尋找問題并提出假設(shè)，組建相關(guān)設(shè)備，創(chuàng)新制作新的成果．如我校2011級學生利用單片機、傳感器和相關(guān)物理學專業(yè)知識設(shè)計制作了“基于單片機的氣體參數(shù)測量裝置”，該項目成功進入我校創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園，該學生根據(jù)設(shè)計成果形成了畢業(yè)論文設(shè)計，且畢業(yè)論文設(shè)計獲得了“湖北省2015年優(yōu)秀畢業(yè)論文”．

續(xù)表2

4 結(jié)論

物理實驗儀器的創(chuàng)新設(shè)計與改進項目的實施原則上是學生根據(jù)已學過的有關(guān)知識，如大學物理實驗，在此課程基礎(chǔ)上，結(jié)合單片機、傳感器、數(shù)字電路和模擬電路等專業(yè)知識，針對某一課題，主動發(fā)現(xiàn)問題、明確問題、設(shè)計假設(shè)和檢驗假設(shè)，提出實驗方案和儀器架構(gòu)，進而日臻完善，并且能提煉、孵化出切實可行的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目．當然，根據(jù)不同實驗項目的改進與創(chuàng)新，項目提煉成果可以是多種多樣，可以是實物制作并推廣，可以是論文發(fā)表，可以是專利申請并實施，也可以是新的創(chuàng)新、設(shè)計性實驗項目．但是選題也不能過于呆板地固守在學生已有知識的層面上，讓學生有一定的發(fā)展空間，尚未了解的知識可以促使學生通過查閱文獻資料進行驗證和探索達到熟識和了解，而這本身就是一個自主創(chuàng)造性學習的過程．總之設(shè)計物理實驗儀器的選題既兼顧創(chuàng)造性和探索性的原則，又考慮到學生的年齡特點和身心發(fā)展特點，因材施教，量體裁衣．