建立實驗室開放平臺,培養大學生的創新能力

梅忠義 石 凱

(合肥工業大學應用物理系,安徽合肥 230009)

建立實驗室開放平臺,培養大學生的創新能力

梅忠義 石 凱

(合肥工業大學應用物理系,安徽合肥 230009)

實驗室開放與大學生課外創新活動相結合,彌補了各自的不足,形成了優勢互補.通過開放實驗室,組織大學生開展設計性和研究性實驗,自制儀器、維修設備、編制CAI課件、參與教師的科研項目等課外創新活動,有效地提高了實驗教學質量,發展了學生的興趣愛好和特長,提高了學生的實踐能力和創新能力.

開放實驗室;大學生;課外創新活動;認識;實踐

實驗室是培養創新人才的搖籃,是現代大學的心臟[1].從科學發展的角度看,人們在認識自然、改造自然所進行的各種科學實驗中,造就了一批又一批科學巨匠,給人類進步帶來美好的希望.事實證明,實驗室從來就是歷史上許多重大技術革命的發源地.因此,如何加強高校實驗室的建設,是一件具有現實意義的事情.近年來,各高校已逐漸實行了實驗室開放,這樣既有利于充分利用實驗室的空間和資源,又有利于學生自主地進行實驗活動,自主安排學習的時間,從而調動和激發學生學習的主動性和積極性.

1 對實驗室開放必要性的認識

1.1 實驗室開放是實施素質教育的必然要求

在傳統實驗教學中,實驗教師是傳授知識和技能的主體,而學生則被動地接受知識和技能.這種教學多采用灌輸式,其實驗課題的選擇,儀器設備的準備等都由實驗教師進行.實驗前,實驗教師一般要進行詳細講解,甚至操作示范;同時實驗教材又把實驗原理、步驟,甚至某些實驗現象都寫得一清二楚.實驗時學生只需按規定的步驟機械地操作即可.實驗內容還具有理論驗證性和單一性的特征,使學生失去了想象空間和思維的空間.學生在規定的時間內,只需動手完成實驗講義上的步驟,記錄實驗測量數據,然后下課.這種教學模式嚴重阻礙了學生學習的積極性、主動性、創造力,已經不能適應培養高素質人才的要求.

因此,必須對當前的實驗教學進行徹底改革,使之適應我國教育事業的發展和高素質人才培養的需要.素質教育是一種理念,是一種教育思想,它本身不能直接作用于教學活動,必須依托有效的載體,只有把素質教育這一理念貫穿于教學活動中,才能真正有效地實施素質教育[2].在實驗教學中實施素質教育的一個重要措施就是開放實驗室,開放實驗室可以為學生提供一個自由發展的空間,充分發揮學生之間協作攻關的潛能,使他們在知識、能力、情感和價值觀等方面得到全面的發展,特別是對于糾正傳統教育對人的發展所帶來的一些弊端,適應現代社會對人才綜合素質的需求具有重要作用.

1.2 實驗室開放能體現“以學生為本”的教育理念

傳統的實驗教學根據統一的大綱要求,用統一的教材、統一的進度和同一的教學方法,很難體現“以學生為本”的教育理念.這一問題反映在兩個方面:從時間安排上來看,全班同學在同一時間段內,在同一地點,進行同樣的實驗,這樣對于基礎較好的學生可能會有比較富余的時間,而對于原有基礎薄弱或動手能力差的學生就可能無法按時完成任務.從實驗內容安排上來看,存在同樣的問題,基礎好的學生“吃不飽”,而基礎差的學生卻“吃不了”.學生在規定的時間內完成規定的實驗任務,沒有給學生留有完成其他感興趣環節的時間.另外學生突發靈感,或對某件事很有興趣時,沒有給他們提供施展的場所.這種規定內容、規定時間的教學模式就很難培養出新時代所需的人才,而實驗室開放后,學生進入開放實驗室,就可以根據自己的實際情況自愿、自由、自主地進行不同層次的實驗,從而使每個學生在各自的小天地里獲得成功.

1.3 能夠變學生的“被動學習”為“主動學習”

大學生思維活躍,容易對某些傳統理論提出質疑,特別愿意多做一些有自主思考價值的實驗.開放實驗室可以最大限度地滿足學生這種需求,給學生創造自主地進行實驗活動的環境,可以將學生的“要我做實驗”轉變為“我要做實驗”.在開放的實驗室中學生的主體性得到了充分的尊重,學生的主體地位體現在他們不是被動地接受知識,而是主動地學習和運用知識;學生可以參與從活動設計到評價的全過程,既是學習者也是活動的組織者.教師的作用主要是向學生提供必要的指導和建議,師生之間指導與被指導的縱向的單向交流,為學生與學生之間的互相促進的多向交流關系所取代.學生可以運用所學的知識,自己設計實驗題目,實驗內容、實驗條件、實驗步驟,進行創新研究和探索.因此,學生不會感到枯燥無味,而感到探索的奇境其樂無窮.

1.4 實驗室開放是培養學生創新能力的重要舉措

創新教育是現代教育的根本要求,每一個大學生都有創新的潛能,關鍵是要開發和培養.事實表明:只有在一個寬松、積極主動的條件下,學生才能迸發出智慧的火花,被動式的教學方式只能使學生機械地接受知識[3].開放實驗室,開展課外創新活動,能為學生提供一個發揮個人潛能的廣闊空間,不僅有利于學生將理論知識與實際應用結合起來,而且也使學生在實驗與制作的過程中對生產過程有更深的了解,對現代工程師應具有的能力與素質有了更深的認識.在這些活動中,學生必然會碰到許多新情況、新信息、新問題,使思維處于非平衡狀態,這就要求學生必須進行創造性加工,即在新情況、新信息、新問題的沖擊下,對舊的知識經驗進行選擇、重組、改造,從而產生新思想、新行動,使思維從舊的有序到新的無序再進入到新的有序狀態,這時的思維過程體現出很強的獨立性、綜合性、新穎性和靈活性,而這些正是創造力所具有的特性.

2 基于實驗室開放平臺,培養學生創新能力的實踐

開放實驗室,并不是簡單地將實驗室的門打開,將實驗時間延長,而是應該有利于培養學生創新意識和實踐能力,這是實驗室開放的本質要求.即實驗室開放不能僅作為一種形式,除了按規定的開放時間安排指導老師、提供設備外,還應將實驗室開放工作與學生科技活動相結合.學生科技活動開展存在制作場地、儀器設備、指導老師等方面問題,而實驗室的開放就可以解決這些問題;同時學生科技活動的開展又解決了實驗室開放期間冷冷清清、學生寥寥無幾的現象.因此實驗室開放與學生科技活動相結合,彌補了各自的不足,形成了優勢互補[4].為了充分發揮實驗室的育人作用,滿足不同層次學生的需要,我們在開放實驗室中采取了以下多種形式:

2.1 設置預備性實驗

筆者曾對我校新生的物理實驗基礎進行過抽樣調查,在回答“在中學階段,物理教材上的學生分組實驗你都親自動手做了嗎”這一問題時,僅有34%的學生反映全部或多數實驗都做了,有59%的學生反映較少做實驗,還有7%的學生反映一個實驗都沒做.可見來自于不同地區和學校的新生物理實驗基礎嚴重參差不齊!為了給中學物理實驗基礎較差的學生提供補課的機會,我們在開放實驗室中設置了預備性實驗,實驗項目由一些在中學物理知識基礎上可進行的部分傳統實驗改造而成,如薄透鏡焦距的測定、電表的改裝等,內容源于高中物理,但又高于高中物理,很受學生們的歡迎.

2.2 開放基礎性實驗

基礎性實驗是培養學生實驗技能的重要一環,通過這一環節的訓練,可以使學生牢固掌握實驗的基本理論和方法,培養學生嚴肅認真、實事求是的科學態度,形成良好的實驗操作技能和心智技能,是培養學生創新能力的基礎.為了加強學生們的基礎實驗訓練,我們將教學大綱規定的全部實驗項目都面向學生開放,并安排教師或實驗技術人員到場進行指導,每天10小時,學生可隨時進入開放實驗室,為他們的實驗預習、復習、實驗技能訓練提供良好的條件.

2.3 完成真正意義上的設計性和研究性實驗

設計性實驗是指根據給定的實驗題目和要求,由學生自己設計實驗方案、選配實驗儀器、擬定實驗步驟,并獨立完成全過程的實驗,是對今后進行工程設計的模擬訓練過程;研究性實驗從查閱資料、確定研究課題、制定實驗方案、實施實驗過程、記錄實驗結果、分析實驗數據,一直到按照研究論文的形式撰寫實驗報告等整個實驗過程中,都是在教師的指導下由學生按照科學研究的方式進行的,一個研究性實驗就是一個微型科研項目.

近年來,國內在實驗教學改革方面進行了許多有益的嘗試,包括我校在內的一些高等學校在實驗教學中也設置了一些設計性或研究性實驗項目,但由于受到每個實驗的教學時數太少(僅3學時)和教學模式單一(僅為課堂教學)的限制,最終效果還是不夠理想,甚至仍將這些實驗開成了驗證性的或測定性的.而在開放的實驗室中進行實驗設計和實驗研究,學生就會有足夠的時間進行查閱資料,設計方案、實驗操作、互相啟發和討論,才能完成真正意義上的設計性和研究性實驗.例如,“金割效應物理擺”是我校物理實驗室的自制儀器設備,是應用黃金分割法對物理擺進行設計和研究的國家專利產品,曾作為研究性實驗對學生開出.但由于前面所述的原因,僅僅在課堂教學3學時內,學生只能完成一些基本測量,大量的研究性工作根本無法進行,實驗開設的效果只能相當于一個測定性實驗.然而在開放實驗室的情況下,由學生組成的研究小組就可以對該實驗進行深入細致的研究,他們不僅應用黃金分割法優選出物理擺周期的極值,而且還深入研究了物理擺的多項特性,設計并完成了許多實驗研究方案,如利用該物理擺探究系統的質量分布與周期的變化關系、驗證轉動定律與平行軸定理、測量轉動慣量和重力加速度等.學生們的一些研究成果也陸續發表在相關學術刊物上.

2.4 設計和制作新的實驗儀器設備

自制教學儀器設備是教學活動中永恒的課題.同時,自制教學儀器本身就是一項創新活動.在開放的實驗室中組織學生參加新的實驗儀器設備的制作,能夠為學生提供一個很好的創新情境.例如為了解決大學物理實驗中激光光源不穩定的現象,學生在教師的指導下自行設計制作了“激光精密測試平臺”,從一開始的電源部分,模擬、數字電路部分,到激光管部分等每一步都由學生進行精密的模擬設計和測試.為了做好平臺的電源部分,學生們還去了有關變壓器公司親自繞線生產,一次次地進行試驗,親自去電子產品公司購置各種元器件,測試各自的性能.通過自制教學儀器設備的活動,有效地提高了學生的創新能力和實踐能力.

2.5 制作計算機輔助實驗教學課件

隨著信息技術的飛速發展,以計算機技術和網絡技術為核心的現代多媒體技術已開始在教育領域中廣泛應用,為實驗教學提供了豐富的課程資源.但是從外面購買來的計算機輔助實驗教學課件往往并不適合本校實驗儀器和學生的特點,而自己編制則需要花費較多的人力和精力.在開放實驗室的情況下,學生就可以在教師的指導下,根據本校實驗教學和儀器設備的具體情況,參與編制各種計算機輔助實驗教學課件,如各種數據處理軟件、模擬實驗軟件、仿真實驗軟件、計算機實時數據采集和處理系統等.通過這些活動,既鞏固了學生的理論知識、操作技能和計算機應用能力,又有效地推動和改善了實驗教學.

2.6 維修實驗室的儀器設備

實驗室存放著許多年久失修、精度較差的各類儀器,例如:萬用表、電流表、電壓表、示波器等.為了培養學生的能力,我們有意識地讓學生參與儀器設備的維修.在教師的指導下,學生首先在基礎測試實驗中發現這些儀器的問題故障所在,然后針對問題思考討論、分析判斷給予相應的解決方案,并在教師的指導下親自動手排除故障.通過拆、修等實踐環節,使學生對相應理論和原理有了更深的領悟與理解,更加熟悉了常用儀器的使用方法和操作技能,很好地培養了動手能力及獨立解決問題的能力.例如:通過對示波器的維修,學生就能對示波器的基本原理、基本結構以及各項特性等都爛熟于心,做到了實踐動手與理論知識的完美融合.

2.7 參加教師的科研項目

許多老師都主持一些需要進行實驗研究的科研項目,期望得到助手的參與和幫助,而學生又迫切希望參加科學研究活動.開放實驗室為他們提供了極好的機會.在開放的實驗室中,老師可以將課題分成許多小塊,學生成立幾個研究小組,讓學生投身科研第一線,在教師的指導下完成查閱資料,制定方案,實驗研究,總結論證的全過程.學生們對這項內容的興趣極為濃厚,實驗室一位教師主持的單片機控制系統的研究項目,原準備吸納幾位同學參加,可報名的就有50多名.學生在實驗室參加教師的科研項目,使實驗室在培養學生創新能力上發揮了作用,為大學生提前進入科研領域提供了條件.而且學生在參與教師科研課題的同時,也申報并獲批了一些自己主持的創新型實驗研究課題,例如:應用于鐵、銅等金屬的金屬探測傳感器的研究;實驗數據采樣處理集成系統制作;研究性和設計性物理實驗的探究;紅外線傳送與接收系統等,這些項目在老師的指導下,利用實驗室提供的設備及場地進行研究,在很大程度上豐富了實驗室開放的內容.

3 收獲與體會

實驗室的開放為學生提供更多進入實驗室學習和實踐的機會,開展課外創新活動更容易突出學生學習的主動性和張揚學生的個性,有利于發揮學生的潛能[5].這既是課堂教學的補充發展,又是學校培養創新型人才的重要渠道.我們深刻體會到:通過這些活動,學生不僅學會了實驗研究的基本程序,更重要的是學會了科研工作嚴謹、求實、創新的精神以及觀察事物、解決問題的科學方法,使學生的個性、特長、創造力等方面有了發展的空間,同時也提高了校園文化的品位,促進了學風、校風的建設.

總結開放實驗室、開展大學生課外創新活動的經驗,我們看到,這項活動的開展,不僅培養了學生的各種能力,而且在學生的科學態度、價值觀念、學習興趣和堅定的意志等方面的培養也起到了重要的作用,而這些對于學生來說,不管他們明天的職業如何,都是非常重要的,因為這意味者他們是在吸取科學研究中層次最高、最具遷移價值的那一部分財富,將會長久地影響著學生未來的事業和生活.

[1] 馮端.實驗室是培養創新人才的搖籃[J].實驗室研究與探索,2008,(10):1～5

[2] 劉華東,韓紅江.開放實驗室構建實驗教學新體系[J].中國高等教育,2003,(13、14):30～31

[3] 付爭兵.建立開放式實驗室的必要性及其管理模式探討[J].實驗室研究與探索,2008,(3):126～127

[4] 劉紅.實驗室開放與學生科技活動相結合探討[J].實驗科學與技術,2008,(1):80～82

[5] 于文梅.大學生課外創新活動開展現狀與對策探討[J].黑龍江高教研究,2005,(1):115～117

INNOVATIVE ABILITY CULTIVATION OF STUDENTS BASED ON LABORATORY OPENING PLATFORM

Mei Zhongyi Shi Kai
(Department of Applied Physics,Hefei University of Technology,Hefei,Anhui 230009)

The combination between the laboratory opening and the extracurricular innovation activities of the students has made up the respective lacks and complemented the advantages by each other.The experimental teaching quality has been promoted by means of the physics laboratory opening,the organization of designed and investigated experiments,the instruments self-making,the facilities maintenance,the CAI courseware programming and the project participation.Additionally,the interests and specialties of college students have been developed.Abilities of the practice and innovation of students have been improved as well.

laboratory opening;college students;extracurricular innovation activity;cognition;practice

2010-01-25)

梅忠義(1956年出生),男,安徽宿州人,合肥工業大學應用物理系實驗中心主任,副教授,碩士生導師.