大學物理演示實驗動感創新教學平臺的探索與實踐*

盧榮德 程福臻 孫臘珍 葉邦角 周幸祥 陶小平 黃環

(中國科學技術大學物理學院 安徽 合肥 230026)

大學擔負著培養高質量創新型人才的重任．大學課堂向學生傳授大量前人長期積累和沉淀的豐富知識和經驗.物理實驗主要是傳授人類從實踐中獲取知識的技能和方法，是培養學生理論聯系實際,分析、解決問題能力的重要教學環節[1]．演示實驗旨在引導學生觀察和分析實驗現象，建立物理圖像和模型，總結規律，是理論教學與實驗教學的橋梁和紐帶[2]．大學物理演示實驗室作為培養創新人才的重要陣地,是理論、實驗及科研一體化的必由之路，其質量與水平是大學科技創新能力的重要標志．從一定意義上講,演示實驗室的構建水平可體現大學的教學、實驗、科研和管理水平[3]．

近年來,國家對高等教育的投入明顯加大,大學實驗室在儀器設備的數量與質量方面得到了一定的改善,聚集了許多優質資源,為提升大學教學質量、開展科研工作提供了重要的保障[4]．但同時也必須冷靜地意識到：目前國內大學實驗室建設特別是演示實驗還存在一系列問題, 演示實驗教學在人才培養中的作用還沒有得到充分地發揮．只有切實轉變觀念,將演示實驗教學放到創新人才培養的高度去認識,進一步加強演示實驗室建設與管理,加快演示實驗教學改革,才能為學生創新能力培養和創新型國家建設做出應有的貢獻．本課題以構建大學物理演示實驗教學平臺為典范，力圖建立一種實用的演示實驗動感創新性教學平臺，并試圖將其推廣到大學物理教學實踐中去．

1 構建動感創新教學平臺的思路和運行模式

在大學物理演示實驗教學平臺的探索實踐中,逐步形成了“通過演示實驗使課堂與實驗教學無縫對接,對學生進行系統、規范、創新的演示實驗教學,給學生一個科學、寬松的理論聯系實際的動手機會,為學生提供一個發揮自主思考和實踐的活動空間”的建設理念．

運行模式為：一手抓課堂教學與演示實驗結合,另一手抓演示實驗與實驗教學結合，把演示實驗室歸并為四大功能模塊；實行演示實驗開放管理,加快演示實驗項目的改進與創新．

1.1 實行課堂實驗教學無縫對接制定新的演示實驗模塊教學體系

對剛剛從中學應試教育進入大學的一年級本科生, 立刻對他們要求創新型的實驗設計和課程論文工作,是不現實的．但可在這個層面上圍繞營造創新氣氛、培養創新意識、增強探索能力開展演示實驗教學是有益的．再加上在中學階段學生習慣于“被動接受”的學習模式, 許多知識的背景和方法被忽略掉,僅僅記憶結論部分．要想在大學一二年級的學生課堂與實驗中滲透創新教育, 至少應使學生面對書本知識的時候,不再霧里看花或迷信照搬．

因此,通過演示實驗作為突破口，進行課堂與實驗教學的方法和手段改革.

(1)以課堂演示實驗作為導學系統，有意穿插相關現象的來龍去脈，使學生弄明白知識點的框架構建在什么前提之下，同時讓學生認識到課本上的做法并不唯一．

(2)引導學生對具體問題做具體分析；重視對實際實驗現象的捕捉,學會利用這些現象判斷實驗結果；對設備元件選擇和實際操作合理性可做出判斷；對演示實驗中出現的問題善于觀察、勇于探索；使學習的過程成為學生自主探索知識的體驗；對演示實驗方案的設計有較多的理解.這樣，對實踐能力的提高就有了保證．

(3)大學物理教學不僅是傳授知識，驗證理論和掌握技能,更重要的是培養學生能夠真正具有獨立的工作能力和良好的科學素養.演示實驗教學不僅授人以知識與技術,培養動手能力和分析、解決問題的能力,而且可影響人的世界觀、思維方式和作風．

(4)學生在演示實驗中可感受、理解知識產生和發展的過程,養成科學精神和創新思維的良好習慣；從實驗的準備、操作以及總結分析實驗現象的全過程中,培養和提高學生收集處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析解決問題的能力、語言文字表達能力以及團結協作和社會活動的能力．

傳統演示實驗模式已難以適應現代教育體系創新和發展的需要．因此,新型的大學物理演示實驗既不依附于課堂教學，又不附屬于實驗教學，成為課堂、實驗教學的橋梁與紐帶,而且成為理論、實驗與科研一體化教學相輔相成的相對獨立教學體系．

1.2 實行開放管理加快演示實驗的改革與創新

為適應新的培養目標,在具體的運行和操作過程中,演示實驗室實行開放管理,增設項目,不斷改革與創新．

(1)演示實驗室以基礎演示實驗與新型演示實驗相結合來制定每門實驗課程的教學計劃,各自有不同的教學目的和要求．

要求各演示實驗課程在原有實驗內容的基礎上,每學期至少創新或增加一個具有新穎性、趣味性、探究性、前沿性等特征的演示實驗．

(2)增設開放性實驗：演示實驗根據課程組或教學團隊的研討提供出不同的實驗系列、實驗項目菜單供學生選擇．

在演示實驗進行過程中,采取目標管理,從方案設計、儀器選擇、實驗操作、現象探究到結果分析,均要求學生自主獨立完成．

(3)實行開放管理,為廣大師生從事各種教研、科技活動提供場所．

演示實驗開放管理就是要求實驗室在完成既定教學任務的前提下,面向廣大師生、科研人員開放,把演示實驗辦成良好的課堂、實驗教研與科技活動的基地．

同時,開放演示實驗還使不同課程、不同學科之間互相呼應、互相借鑒、互相啟迪,這些交流對提高演示實驗的水平大有裨益．

在開放中,逐步形成為教學服務的同時參與科研活動,以科研促進教學發展的良性循環．

建設與改革表明實行理論、實驗課程一體化教學,制定新的演示實驗模塊化教學體系,實行演示實驗室開放管理,增設開放性演示實驗等建設思路和運行模式是正確的、可行的．

1)兩年來的實踐使我們深刻地感受到一體化而相對獨立演示實驗教學體系更具有系統性,演示內容和教材能以更快的速度進行調整和更新．

2)反映當前水平的新知識、新技術更容易通過演示實驗手段表述；更重要的是,演示實驗教學的系統性和超前性可促進理論教學的改革．

3)新型演示實驗模塊化教學體系的設置,改變了專業覆蓋面窄、設備重復、資源浪費、職能分工不明確等弊端,同時還可不斷地優化資源配置,提高管理效益,為加快演示實驗教學改革打下堅實的基礎．

2 構建演示實驗教學創新體系的措施

培育高素質的創新人才,必須充分發揮大學自身的學科、師資、專業、體制等優勢,構建新型富有成效的大學物理演示實驗教學創新平臺是可行的．

2.1 演示實驗動感創意平臺的管理體制

大學學科門類齊全,人才培養體系健全．充分發揮這種學科優勢,建立以校一級和院系兩級管理實驗室的管理體制,搭建以數字化探究型教學為目標的物理演示實驗教學平臺.

(1)逐步形成以國家級精品課程、國家教學團隊為核心來組建的重點實驗室；國家示范中心為龍頭,基礎物理實驗室為骨干,功能實驗室為主體的管理體制,充分發揮實驗室的整體效益．

(2)不斷完善科學有效的運行機制,例如通過實施主管教員負責的演示實驗教學運行機制、主管技術人員負責實驗室儀器設備使用管理運行機制.以及演示實驗室建設規劃優化分工協作運行機制,對實驗經費、儀器設備、實驗用房等資源實行統一管理．

(3)以講座教授帶領下教學團隊為主體規劃安排演示實驗內容,精選實驗項目,注意課程前后之間的聯系,循序漸進,構成一個由淺入深、具有內在聯系的有機整體．

(4)充分利用學校現有實驗室、儀器設備和人員隊伍,做到既符合學校實際,又有一定超前性；重視理論、實驗教學與科研相結合,形成一個具有整體優勢和效益、結構合理、規模相當的理論、實驗與研究一體化培養體系[7]．

2.2 發揮專業特色實現教學實驗與科研一體化

大學具備雄厚的專業實力和辦學優勢,體現在課堂、實驗和科研方面就是特色教學．教學與研究的辯證結合是大學提升的重要標志；這種特色是教學、實驗與科研的統一體．因此,大學物理演示實驗教學應該充分體現學校自身的學科、專業、師資特色．

(1)要形成一種有利于營造探索、創造型人才成長的氛圍和環境,更好地利用學校的科研項目和成果資源,并讓其轉化成教學資源,發揮出培養人才的功能,建立一種教學與科研緊密結合的基于研究的教學模式,使大學物理演示實驗教學成為大學課堂、實驗與科研一體化整體中不可分割的一部分[8]．

(2)體現在課堂教學方面,演示實驗融教育與研究為一體,促進教學與研究相結合,強調以探索和研究為基礎的教學；課堂教學和實驗訓練方法應表現較強的科學研究特色,注意培養學生的批判和探索精神．

(3)根據學生從課堂-實驗-應用的不同學習階段,將大學物理演示實驗分為課堂演示實驗(如視頻演示實驗、演示實驗教具箱，成為導學系統)、探究性演示實驗(面上循環)、開放性演示實驗(與課堂遙相呼應)和研究性演示實驗(與研究性實驗、課程論文成龍配套)四個階段；明確各階段的培養重點,有效地組織演示實驗教學內容,有針對性地施行不同的教學方法,真正形成與大學物理教學目標相一致的多元化演示實驗教學機制．

2.3 專職演示實驗教學團隊組建

大學具有相對雄厚的師資隊伍，他們不僅從事本專業領域中尖端技術的探索、研究和開發,掌握著豐富的專業信息和學術發展動態,而且在治學態度、為人處世、研究方法等方面有著豐富的經驗和感悟[9]．

(1)開展研究型教學,搭建大學物理演示實驗動感創意教學平臺,必須充分發揮師資優勢,通過建立和完善相應約束和激勵機制,調動教師從事本科教學,從事研究型教學的積極性和主動性．

(2)在實踐中推行人才特區政策,以超常規的熱情、努力、舉措來抓好課堂、實驗與科研人才建設,通過實施課堂、實驗教師一體化等措施,營造有利于自主創新的環境,使一批創新人才茁壯成長,帶出高水平創新團隊,出高水平的演示實驗創新成果．

(3)形成一個以學科領軍人物為第一梯隊、學術帶頭人為第二梯隊、學術骨干力量為第三梯隊、學術發展力量為第四梯隊的緊密銜接的梯層結構,構成了一個各有所長、合力共進的演示實驗教學“雁陣”[10]．

實踐證明,通過組建專職實驗技術隊伍,根據既分工又合作的原則,既消除了內部壁壘,又實現了低成本、高效率運作目標,有力地促進了教學質量的提高．

2.4 全面開放平臺

通過“985工程”、“211工程”的建設和資金支持,大學擁有了相對優越的實驗條件,包括一些在國內外都非常先進的實驗設備和教學儀器,為改善實驗教學條件、實施開放式教學創造了條件,使大學物理演示實驗教學成為連接課堂教學、創新性能力培養與課題研究的紐帶,也為實驗室的全面開放、推動大學本科教學改革奠定了堅實基礎．

(1)全面開放演示實驗室,創設與重點學科相關的特種探究性演示實驗,配備多學科交叉和綜合演示實驗,由學生根據自己的興趣、愛好與特長自主設計與制作,完成一項創意性演示儀器,從中得到創造精神和實踐能力的全面的鍛煉與提高．

(2)創建特色的大學物理演示實驗室，建立培養與開發學生創造思維,訓練與施展創造能力的科技演示活動基地：

(3)理工科大學可適應高新技術的發展及產業的建立,由學校和科研院所、合肥高新區生產單位合作共建高新產業演示項目的“孵化器”,吸收研究生、高年級本科生及有創新能力的低年級學生與教師、實驗技術人員一起共同完成技術創新與產品開發演示項目．

2.5 演示實驗室的長效機制

形成長效系統機制,激勵師生積極參與大學物理演示實驗教學與研究，對教師可采取的激勵措施有:

(1)為促進大學物理創新演示實驗的全面開放,用加權的方法對開出創新演示實驗課目予以傾斜鼓勵,并納入教師工作量考核.

(2)對自主研究設計出綜合性、設計性演示實驗題目的教師,評職稱時可作為重要評聘指標和標準[10]．

對學生采取激勵措施:

(1)教師將科研項目與大學物理演示創新實驗結合,有目的地引導學生,培養學生的創新意識,對取得成就的學生,學校制定相應的學分政策予以獎勵．

(2)建立大學物理演示實驗創新鼓勵基金,為學生開展創新性演示實驗注入物質活力．

(3)與企業建立長期聯系(如新能源汽車、世博會科大元素等),使學生的實踐應緊密結合社會需求,更進一步加深對物理知識的理解,更好地靈活應用于實踐,在演示創新實驗中達到激勵發明創造的目的．

3 結束語

大學物理演示實驗教學動感創意平臺運行高效,提高了大學物理系列一體化課程教學效果,促進教學、科研隊伍建設．

(1)演示實驗室成為大學物理教師的研究、科技活動的培育基地,從原來沒有研究方向到現在有了自己較明確、有特色的研究方向和領域,以此為研究基地科研項目有了零的突破,已經申請到國家級科研項目和省級科研項目3項,因而形成穩定的教學研究、科研隊伍,不僅吸引和培養了人才,而且為教學和學科的可持續發展奠定了良好的基礎．

(2)探索出了一套行之有效的運行管理制度,即以三名教師和一名實驗技術人員為主體,聘任3～5名研究生為助教參與實驗室運行管理,向全校服務開放．

(3)探索出實踐教學與理論教學的協調運行關系，演示實驗呼應于課堂、實驗教學,實現課堂與實驗教學無縫對接.

理論聯系實踐,理論可先行,實驗有據可依；演示實驗課不必滯后于理論課,演示實驗和課堂、大學物理實驗側重點有所不同,相互交叉有利于實踐訓練的系統化,并能促進學生更深入地理解理論．

多元化的方式進行有機結合會有很好的效果,例如,大學物理階段的大多數驗證性內容可采用實物演示方式,而其他工程性、技術性、探索性內容則進行多元化方式的結合,并以某種方式為主．

(4)通過建設演示實驗的實踐,加強和提升了大學物理演示實驗教學的水平,強化理論課的實踐教學功能,在教學內容和方式上進行課堂和實驗的“一體化”教學改革．

物理演示實驗多元化教學為大學生課外科技活動提供一個良好的平臺,而且促進了素質教育；不僅服務于公共課程的教學,而且為學科建設作了有益的先導性探索,并形成輻射示范效應．

為了適應現代化物理教學發展的要求,如何更好地完善大學物理演示實驗,提高演示實驗的教學效果一直是值得研究的課題．

1 李芝華,黃樂平.高校實驗教學與大學生創新教育的研究.長沙鐵道學院學報(社會科學版),2007 (2):271～272

2 盧榮德,程福臻,陶小平.大學物理課堂研究性教學模式的探索與實踐.教育與現代化,2010(2): 37～42

3 左鐵鏞. 充分發揮實驗教學在創新人才培養中的作用.中國高等教育,2007(23): 18～19

4 周小紅，等.對大學物理理論課與演示實驗及其視頻相配合的新模式的探索.物理與工程,2009,19(4): 32～33

5 汪文明.大學物理演示實驗創新的探索.高等函授學報(自然科學版)，2005，19(6) : 14～16

6 萬其中,李文生. 高校實驗教學改革與創新人才培養. 當代教育論壇，2007 (4) : 103～105

7 劉天寧,徐清. 高校實驗教學改革和實驗室建設與創新人才的培養. 昆明理工大學學報(社會科學版),2007(6):101～103

8 盧榮德. 大學物理數字化演示實驗教學平臺.實驗室的探索與研究,2006(4): 56～57

9 劉圣漢,趙保全,潘利梅.研究型大學創新團隊建設誤區與對策探析.科技管理研究, 2008(3) : 208～209

10 盧榮德，等. 試論高校實驗技術檔案現代化管理之功用.科技管理研究,2008(7):56～58