以物理實驗為平臺培養創新型人才

郇維亮，李 志，徐 崇

（遼寧科技大學 理學院，遼寧 鞍山 114051）

高等教育的快速發展，為我國經濟社會的健康和可持續發展作出了巨大貢獻，但是高等教育質量還不能滿足經濟社會發展的需要。如何培養具有創新意識、創新精神和創新能力的高素質人才，已成為高等教育的緊迫任務［1－2］。物理學是一門實驗科學，大學物理實驗是我國高校理工科各專業必修的公共基礎課［3］，在培養學生獨立思考、動手操作、觀察記錄、綜合分析和解決問題的能力等方面起著非常重要的作用。但作為一門基礎課，它的一些實驗題目過于傳統和陳舊［4－5］。

近年來，遼寧科技大學物理與計算科學實驗中心在教學改革實踐中以物理實驗為平臺，深入挖掘傳統實驗的深刻內涵，走出了一條具有自身特色的培養創新型人才之路。

1 改革教學模式

1.1 建立有利于創新型人才培養的教學模式

我校開設大學物理實驗課的專業有36個，涉及的專業面廣，學生人數多，程但是知識基礎參差不齊。經過幾年的研究和實踐，我校物理與計算科學實驗中心針對學生特點，構建了分單元、分層次、適合不同學生的基礎及能力、緊密結合學校辦學特色的大學物理實驗課程體系，使學生的實驗能力循序漸進地得到提高，為后續的專業實驗奠定一個良好的基礎［6］。

所謂分單元，就是將所有的工科專業分成A單元和B單元，每個單元實驗題目各不相同，各專業根據自己的專業特點選擇A單元或B單元。在實驗內容安排上，不同的專業側重面有所不同，例如建筑專業的力學實驗可多些，而自動化專業的電子、電路實驗可多些，結合專業特點，強調物理知識的具體理解和應用［7］。

每個單元的教學又分為4個層次，由淺入深分別是：基礎性實驗，提高性實驗，綜合設計性實驗和開放性實驗。

（1）基礎性實驗注重教師的講授和輔導，使學生能夠很快地了解和掌握物理實驗的基本要義，嚴格遵守實驗室規范，養成良好的實驗習慣。基礎性實驗需要嚴格訓練，以培養學生的動手能力和嚴謹的科學態度。

（2）提高性實驗多采用啟發式教學，課堂上不需要面面俱到地講解，有些內容點到即止，留給學生更多的思考空間。

（3）在綜合設計性實驗階段，實驗室為學生準備若干設計性實驗題目，學生選擇其中的一個實驗題目并提出設計方案，教師審查設計方案，針對其中的問題提出修改意見，由學生最后完成實驗。學生最后提交的綜合設計性實驗報告要以科技論文的格式書寫。綜合設計性實驗需要學生活學活用知識，著重考察和培養學生的綜合素質和能力，包括自學能力、文獻檢索能力、創新能力、科技論文寫作能力等［8］。

（4）開放性實驗的題目不是學生必修的內容，而是面向一些對物理實驗特別感興趣而且有較強實驗能力的學生開設的。題目可以由學生自擬，也可由實驗室給出。學生利用課余時間完成實驗，經過答辯合格的學生，其期末成績可以得到一定的加分。由于學生可以自由選擇感興趣的實驗題目，因此積極性很高，而且更容易取得較好成績。例如：我校07級一位學生根據開放實驗題目完成了“西林電橋測量電容方法的研究”，論文已發表在2010年的一個省級期刊上［9］。

1.2 以傳統的儀器啟發學生發散性思維

一些比較傳統的物理實驗題目，我校已經開設多年。有人認為傳統的物理實驗對培養學生的創新能力不太可能有什么貢獻，但事實并非如此。

例如：我校應用物理09級一位學生在做“電子示波器的調節和使用”這個傳統實驗時，看到利用電極板可以控制電子束的偏轉，電子束打在熒光屏上產生光點，他想到利用光電轉換可以把光信號變成電信號，從而完成一個自動控制電路來實現對洗衣機注水量的控制。雖然這位學生的想法顯得有些笨拙，甚至是“用大炮打蚊子”，但教師并沒有簡單地否定他，而是提示他可以將控制電路用到溫度控制等其他方面。在教師的幫助下，學生組成了一個興趣小組，利用課余時間進行探討和研究，終于設計出了煙草自動烘干機，此項作品獲得遼寧科技大學首屆金蝶杯創業團隊大賽三等獎。在此基礎上，學生們經過進一步鉆研，設計出了“智能控溫儀”，并獲得在第八屆“挑戰杯”遼寧省大學生創業計劃競賽三等獎。

又如，我校資源與土木工程學院的一位學生在做“液體表面張力測量”實驗時，看到液體被鋁環拉伸時，液體表面形成的凹面與金屬棒被拉伸時形成的凹面很類似，便提出它們之間的力學規律是否也類似的問題。在教師的鼓勵下，她查閱了大量資料并反復進行了實驗，在取得測量數據的基礎上，與教師一起完成了論文“塑性固體和液體拉伸實驗的比較”，該論文發表在一個省級刊物上［10］。

還有一名化工學院的學生在做“液體表面張力測量”實驗時，發現提拉金屬環的速度對測量結果影響很大，而人力提拉金屬環的速度很難控制，導致每次測量的結果都不相同，他想到通過一個管道緩慢放出液體而降低液面高度，這樣更加容易控制。該學生將實驗儀器進行了改造，收到了很好的實驗效果，并寫出了論文“液體表面張力系數測量實驗的改進”，在一個省級刊物上公開發表［11］。

2 參與科研訓練

2.1 實施大學生科研訓練計劃提高學生的創新能力

遼寧科技大學每年都有大學生科研訓練計劃，實驗中心鼓勵實驗指導教師積極申報科研訓練項目。

2011年我實驗中心有3個項目獲得學校的立項。這些項目能夠充分利用物理與計算科學實驗中心的師資、教學資源和科研資源，營造不同學科交叉、復合的氛圍，因材施教；能夠培養大學生嚴謹的科學態度、創新意識、創業和團隊合作精神；能夠提高大學生科學研究能力、創新能力和實踐動手能力；能夠使學生接觸與掌握學科發展前沿信息和動態變化。一些項目在儀器設計開發階段就讓學生參與進來，這樣使學生能夠完整地了解一個科研課題從立項到實施以及結題的全過程。

學生所受的訓練并沒有固定的模式，而是隨著科研的實際情況充滿了變數。學生看到了科研工作更真實的一面，這對培養學生的科研能力和畢業后的工作適應能力都是十分有利的。

由于本科生平時接觸科研的機會比較少，親自參加課題研究的機會更少，因此，學生都非常珍惜這樣的機會。為了完成科研課題，每個本科生都在課堂教學內容的基礎上，自學大量的課堂上沒有涉及到的內容，并靈活運用。在這一過程中，他們提高了分析問題、解決問題的能力，提高了創新能力、自主學習能力，也培養了戰勝困難的毅力，初步形成了良好的學習和研究習慣［12］。他們利用課余時間，全身心地投入到課題研究中，取得了較好的成績。

例如大學生科研訓練計劃項目“測量固體導熱系數實驗儀器改進”，已公開發表了2篇科技論文，分別是物理09級一位學生撰寫的“導熱系數測量實驗中平衡溫度的測量技巧”和熱能10級一位學生撰寫的“基于VB6.0的固體導熱系數數據處理系統”［13］。另一個大學生科研訓練計劃項目“檢流計偏轉格數與電橋靈敏度關系的研究”，也有學生撰寫的論文“用實驗方法探討檢流計偏轉格數與電橋靈敏度的關系”發表在《大學物理實驗》上［14］。上述2個大學生科研訓練項目分別獲得了校二等獎和三等獎。

2.2 自制儀器設備，開發培養學生創新意識的新題目

近些年，學校鼓勵各實驗室自制教學儀器設備，一方面可以為學校節省購買儀器設備的經費，另一方面可以增加一些綜合設計性的實驗題目。物理與計算科學實驗中心的教師在完成教學工作以外，積極投身這些創新工作。近2年實驗中心有3項自制儀器設備項目獲得學校的批準和資助。

為了能夠完成這些項目，實驗中心全體教師的積極性都被調動起來，認真研究、群策群力，實驗中心的工作更加充滿活力［15］。

這些項目有的可以吸收學生參與，作為大學生科研訓練計劃的內容，如大學生科研訓練項目“利用邁氏干涉的方法測量金屬熱膨脹系數”就來自于物理與計算科學實驗中心自制儀器項目“金屬熱膨脹系數干涉測量儀研制”。該項目的完成，實現了由驗證性實驗題目轉化為綜合性、設計性的實驗題目，提高了綜合性、設計性實驗的比例。

有些自制儀器設備項目可以作為應用物理專業學生的畢業論文題目，既能豐富學生畢業論文選題種類，也能幫助教師完成了自制儀器設備項目，是一個雙贏的結果。例如：物理06級一位學生2010年的畢業論文選題“地磁場測量的實驗研究及系統開發”就來源于實驗中心一位教師的自制儀器設備項目“巨磁阻效應的弱磁場測量儀”。該學生的畢業論文被評為理學院優秀畢業論文，指導教師也被評為院級優秀指導教師。通過自制儀器設備，既鍛煉了實驗室全體人員的能力，為學校節約了5萬多元資金，同時也增強了實驗室隊伍的凝聚力。

2.3 將教學實驗項目與國家級科研項目聯系起來

我實驗中心有兩套“金屬納米粒子制備試驗儀”，可以利用蒸汽冷凝法制備納米粒子。但是，該儀器制備的納米粒子穩定性比較差，主要用于應用物理專業開設近代物理實驗。而我校納米材料研究中心是省重點實驗室，研究人員以物理教師為骨干。我實驗中心也有一些教師加入到其中的科研團隊，承擔一些國家自然科學基金項目和國家“863”項目。我實驗中心把原來一個單純金屬納米粒子制備實驗擴展開來，講授納米材料中心的化學沉淀法、水熱合成法制備納米粉體技術等內容，使學生獲得的知識更加全面，也容易獲得好的成績。

我校應用物理07級的一位學生畢業論文的選題就是我實驗中心的納米粉體技術。通過教師的精心指導和學生個人的努力鉆研，該學生的畢業論文《鑭鈷摻雜鍶鐵氧體納米粒子的制備及性能研究》獲得了2011年校級優秀畢業論文，指導教師也獲得了校級優秀指導教師。學生本人還考取了北京鋼鐵研究總院的研究生，研究方向仍為納米材料技術。另有一位物理07級學生的畢業論文選題也為納米技術，他所參與撰寫的論文“稀土摻雜BTO基納米陶瓷的制備及介電性能”在2012年的某中文核心期刊上發表［16］。

3 結束語

21世紀，中國的崛起是不可阻擋的，高等院校培養大學生的創新意識是責無旁貸的。作為公共基礎課的物理實驗如何能夠發揮自身優勢，克服自身的不足，在培養學生創新意識和創新能力方面找到一條可行之路是每一個物理實驗教師應該思考的問題。在這方面我實驗中心的教師進行了一些大膽的嘗試，取得了一些成績，僅希望以此經驗為其他院校的實驗室建設工作提供一點參考。

（References）

［1］曾秀瓊，趙華絨，王國平.化學實驗教學課程體系的新發展及其實踐［J］.實驗技術與管理，2012，29（8）：4－7.

［2］董匯澤，田春山，李會山.構建新型物理實驗教學模式［J］.實驗技術與管理，2006，23（2）：11－13.

［3］楊凱華，高鳳英.我國大學物理實驗教學改革研究的幾點思考［J］.高等理科教育，2008（4）：101－104.

［4］張艷亮.大學物理實驗實施探究式教學的探索［J］.大學物理實驗，2009（9）：104－105.

［5］張朝暉，呂斯驊.綜合物理實驗和研究性創新物理實驗的建設［J］.大學物理，2009（11）：48－49.

［6］王陽恩，徐大海.地方高校物理實驗教學改革與實驗中心建設［J］.實驗室研究與探索，2011（9）：255－257.

［7］肖文波，何興道，鄧懿媛，等.大學物理實驗教學與創新能力培養的討論［J］.大學物理實驗，2010（2）：83－84.

［8］劉燕，周嵐，胡經國.大學物理實驗教學改革的探索與實踐［J］.實驗室研究與探索，2009（11）：171－173.

［9］徐崇，丁春天，史韡朝.西林電橋測電容的方法研究［J］.大學物理實驗，2010（2）：47－49.

［10］冷雪松，俞清榮，郭宏云.塑性固體和液體拉伸實驗的比較［J］.實驗科學與技術，2006（5）：29－31.

［11］徐崇，劉哲語，郇維亮.液體表面張力系數測量實驗的改進［J］.大學物理實驗，2005（4）：7－10.

［12］李小云，史建君，張曉波，等.創新型人才培養模式在物理實驗與實踐教學環節中的應用［J］.實驗室研究與探索，2011（6）：258－260.

［13］陸聲琰，冷雪松，王艷東，等.基于VB6.0的固體導熱系數數據處理系統［J］.實驗室科學，2012（2）：106－108.

［14］徐崇，李志，史韡朝，等.用實驗方法探討檢流計偏轉格數與電橋靈敏度的關系［J］.大學物理實驗，2011（3）：61－64.

［15］黃柳賓，王殿生，劉彥民.物理實驗開放式教學改革及實驗室建設［J］.實驗技術與管理，2003，20（4）：98－100.

［16］孫家軍，何開棘，王開明，等.稀土摻雜BTO基納米陶瓷的制備及介電性能［J］.電子元件與材料，2012（8）：1－4.