創新人才培養模式下大學物理實驗教學的改革

摘要：培養學生的動手實踐能力是實驗教學的一個重要目標，通過近幾年實踐教學，總結長沙理工大學大學物理實驗中所采取的諸多改革措施——開設和開放各種實驗室，構建網絡交互式教學平臺，對學生進行全程性考核。這種教學模式有利于學生的動手能力和學習熱情的提升。

關鍵詞：大學物理實驗；開放實驗；創新能力

作者簡介：鄧小清（1974-），女，湖南寧鄉人，長沙理工大學物理與電子科學學院，講師；楊昌虎（1964-），男，湖南常德人，長沙理工大學物理與電子科學學院，副教授。（湖南 長沙 410004）

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）19-0143-02

目前，教育部普通高等學校的本科實踐教學工作的評估中[1，2]提出了要對實踐教學的內容進行改革，要大力加大綜合性、設計性實驗的比例，盡可能進行開放式教學。作為理工科學生的一門重要基礎課，大學物理實驗在高校中是作為必修課來設定的，近年來開始受到了高校領導和教師的重視。長沙理工大學物理實驗中心近年來也積極進行了諸多改革[3]，取得了非常好的成果和成績。

一、開放式實驗教學

按照長沙理工大學物理與電子科學學院的教學計劃，大學物理實驗分為實驗A和B，課程教學時數為64學時和32學時，共計上課21次和10次，包括1次緒論課，20和10次實驗課，以及1次實驗考核。除了少量的驗證性實驗，大部分為設計性實驗和綜合性實驗。近6年來，實驗中心進行了如下的改革。

1.改革和開放了傳統的物理實驗室

與傳統的教學模式不同，開放式實驗教學[4，5]使得學生可以在實驗教師規定的時間內自由上課，時間上學生有更多選擇，由于開設的實驗項目比較多，學生可以選擇一些自己喜歡的實驗，這樣有利于提高學生的學習興趣。學生可以在網上選課，由于已經將實驗的開放時間、項目、實驗負責人等信息都公布在網上，學生可以在網上先了解一些實驗項目的主要內容、相關文獻資料、操作流程以及注意事項等。因此學生就能寫好預習的內容，包括實驗原理，在約定的時間進入實驗室時能做到有備而來。設立實驗報告箱，網上實驗答疑，使學生隨時可以按實驗項目上交實驗報告和進行實驗咨詢。在實驗內容上，一共開設了32個實驗項目，其中驗證性實驗為8個，占整個實驗項目的25%，綜合性實驗為16個，占整個實驗項目的50%，考慮到設計性實驗難度較大，目前只開放了8個，占整個實驗項目的25%。

驗證性實驗主要是對中學階段實驗的一些鞏固和提升，比如長度和密度的測量，主要是讓學生學會使用游標卡尺、千分尺的以及物理天平，這些在中學開學過，但發現大部分學生不會正確操作和讀數，同時對數據處理方面增加了線性回歸法，誤差方面引入了標準偏差的計算。類似的實驗還有動量守恒定律的驗證，光電效應測普朗克常數等；設計性實驗相對更加注重知識的拓展和應用，比如電位差計的原理與應用，學生在中學根本沒有接觸過電位差計，相對來說就有點難度，不僅要學會根據電位差計的補償原理來調試電位差計，而且要應用到實際中，比如校正直流電表、測量未知電阻以及測量電池的電動勢和內阻等。綜合性實驗對學生的要求更高，首先不僅要了解原理，還要根據需要設定一些參數，然后設計實驗，最后進行驗證，比如熱敏電阻溫度計的設定，學生首先要測量熱敏電阻的阻值與溫度的關系，其次自己設定一個電橋，而電橋中有很多參數是需要根據自己的要求去設定的，然后進行實驗，最后根據實驗的測量數據去驗證線性關系。

2.增設并開放了演示實驗室

談到演示，很容易讓人想到中學課堂上，教師拿著一套教具在講臺上操作和實驗，講臺下全體學生在觀望，教室前面的學生看得比較清楚，后面的學生只能聽教師講的過程和實驗的結果，可見教學效果是很受限制的。比較而言，大學的講課信息量大，教師的教學規劃中，教學內容大大增加，知識的難度也進一步加大，教師要提升課堂教學效果，學生要很快速并扎實地掌握大學物理的知識，需要補充一些實驗來鞏固知識。為此，長沙理工大學物理與電子科學學院向學校申請，建立了大學物理演示實驗室，包括力學演示實驗室、電學和磁學演示實驗室以及光學演示實驗室，演示實驗室項目很多，內容豐富，實驗現象非常直觀，深得學生的喜愛。比如力學演示實驗室中，轉動慣量守恒定理的驗證中，一個學生坐在一張能轉動的椅子上，兩手分別拿著啞鈴，在轉動的過程中，當雙手往胸前收縮，可以明顯看到椅子的轉速加快，而兩手水平伸展的時候，椅子的轉速會減慢；另外還有彈性碰撞、動量定理、水波的共振等25個實驗現象的演示。電磁學演示實驗室內容包括靜電感應球、LED顯示原理、冰箱的工作原理演示儀，半導體制冷、紅外線報警設備，電腦人機交互，光致和電致發光原理、微波輻射測量等28個演示項目。對于光學演示實驗室，學生非常感興趣的就是3D電影的原理、激光光柵演示的滿天星效果，另外還有黑體輻射、光纖通訊、雙折射、偏振光等25個項目。上課的時候，教師要求學生一般先預習，熟悉原理、儀器和實驗演示過程，然后每個學生負責一個實驗項目進行講解和演示，遇到講解不全面的，指導教師再做補充。

3.建立和開放了仿真實驗室

目前，隨著高校計算機的普及，很多學校把計算機應用到了教學中，一方面增加了教學的方便，另一方面由于很多前言的實驗儀器比較復雜、精密和貴重，學校沒有那么多資金去購置這些設備，同時，由于各個專業的要求不同，為了學科的發展，有些院系注重對專業課程的投入，對大學物理實驗這種公共基礎課則給定的學時和學分較少，比如有些學院制定的大學物理實驗課程只有1個學分，學生就只能做9個實驗，這樣學生掌握這門課的知識就有局限，也阻礙了一些學生在這方面的求知欲。為此，通過跟學校和學院的協商，大學物理實驗中心建立了物理仿真實驗室，有專門的電腦機房提供給學生使用，通過專門的仿真軟件，學生可以在電腦上進行實驗的界面操作，可以修改實驗參數，得到不同的實驗結果，并進行數據處理和誤差分析，這樣反復的實驗操作，使得學生對設備流程和操作方法能大大加深印象；對于一些比較前言的先進實驗，比如磁懸浮效應、納米磁性效應、超導效應以及熱電效應等，則會大大地拓展了學生的見識和視野，這種仿真實驗使得學生對實驗教學表現出更強的學習興趣和更飽滿的學習熱情。

二、構建了網絡交互式教學平臺

盡管目前高校實驗裝備的投資力度得到增加，實驗教學環境和手段得到了改善，但仍然存在經費比較緊張，實驗設備不夠完善，以及人機矛盾等方面的問題。為此，利用現代教育技術變成為實驗教學中極為重要的手段之一，近年來數字化網絡教學[6]開始走進了高校的校園，這是一種以網絡教學資源建設為核心而進行網絡多媒體輔助教學模式，為此，學校網站專門建立了數字化教學資源庫和網絡教學平臺，平臺內容包括網絡課程，作業提交系統、考試系統，答疑系統、在線答疑、課件發布系統、精品課程、教學平臺、網絡課件、網絡教學、網絡教案、網絡課堂、智能化、遠程教學與技術等，這種教學網絡交互式教學模式，具有靈活性、開放性、多層面性等特點。作為省級級精品課程的大學物理課程，為大學物理實驗提供了很好的理論指導和前言成果數字化資源，除了把大綱和現有教材中的實驗內容注入教學中，一些先進的科學實驗和技術成果也被補充到教學平臺中，有些教師結合自己的科研實驗，將一些相關的成果（包括論文、專利以及小制作等）通過這個平臺傳輸給學生。網絡教學平臺上內容豐富，包括以下一系列文件：文本、圖形圖像、音頻、視頻、動畫、課件等。為了提高教師的網絡教學水平，學校和學院每年組織教師進行多媒體教學培訓，多媒體課件制作比賽等，教師們也積極向一些計算機水平高的同行學習，使得網絡教學平臺不斷豐富和完美，內容也及時得到了更新。

三、實施了全程性實驗考核

全程性考核[7]是實驗考試考核改革的一種有效方式，考核的范圍比較全面，包括實驗預習部分、上課以及最終的實驗報告和思考等，而期末的實驗考核，則是對整個學期實驗的一個隨機抽查檢測，這種具有連續性的考核方式對教學起到了較好的促進作用，考核具體包括以下內容：

實驗預習方面：學生進入教室以后，教室會對學生的預習進行檢查，內容主要是實驗原理和注意事項方面，方式包括檢查預習實驗報告和口頭提問等。實驗操作方面：上課的時候，教師會將實驗原理、主要實驗步驟以及實驗注意事項進行講解，必要的時候會進行部分演示操作，然后學生會按照實驗要求進行相關操作，教師會針對學校的上課表現給予考核，包括上課的紀律、實驗儀器的調試、實驗數據是否正確以及對實驗故障的處理能力等。課后的實驗報告方面：學生做完實驗后，需要將課堂上的知識進行總結，寫完實驗報告，報告中要求學生對課堂的測量數據進行計算、對結果進行誤差分析以及對實驗的思考題進行解答。鼓勵學生有獨到的思維見解，寫實驗心得，對基礎好的學生，提倡學生利用計算機處理實驗數據，有部分學生甚至能自己編寫實驗數據處理程序。通過這種多方面的考核方式，一方面對學生的實驗起到了監督作用，另一方面能提高學生的學習興趣和熱情。

除了平時的實驗，到期末的時候還會有一次隨機考核，對學生的實驗成績加權評定為平時實驗占80%，期末考核占20%。期末考核是對平時實驗的一個綜合測試，考查學生對平時實驗的熟悉程度，只有平時實驗掌握較好、基本熟悉每個實驗的流程，實驗數據處理得當的學生才能取得較好成績。在實驗中心，這種考核采用電腦隨機抽取實驗考核項目，學生只有在考試前15分鐘才知道自己的實驗內容，進入考核的地點后，教師會以多種方式（口試、筆試以及實驗操作等）考核學生，這樣對學生的實踐操作和口頭表達都有一定的要求。對基礎實驗、設計性實驗和綜合性實驗[8]等實驗考核的側重點也不同，基本實驗考核，主要考核學生基本的實驗技能、簡單實驗操作以及實驗數據處理是否規范等；對于綜合性和設計性實驗，主要考核學生對實驗的分析能力，實驗設計能力以及解決實驗故障和突發問題的能力。

當然，這種改革也給實驗教師帶來了一些不便。比如說，由于學生大部分是大二，很多是工科學生，學生的課程多，任務重，為了完成實驗，學生會逃掉他們的專業課來上實驗課，從而導致專業學習受到影響。為此，大學物理實驗中心的教師會盡量把一些開放的時間放在中午、周六、周日以及晚上，有利于學生的選課和上課。而且長沙理工大學的新校區處在離市中心有30公里的郊外，交通不太方便，而要完成實驗任務，教師要克服很多困難。另外，網上教學也增加了教師的投入，要做電子文檔、課件、開發實驗教學資源，改變教學方式，更新教學內容，關注科技前言等。當然，一切以學生為中心，為了培養更多優秀人才，實驗中心在師資不足的條件下，兢兢業業，盡職盡責地工作：近5年來有部分本科生發表了30余篇相關的實驗論文，參加了10余項教育部創新性開放實驗項目，另外學院每年組織學生參加湖南省大學物理競賽，學校的“物電杯”實驗競賽，以及全國大學生電子競賽等，這些活動調動學生的學習熱情、研究興趣和創新能力，也取得了很多優異的成績。

參考文獻：

[1]關于加強高等學校本科教學工作提高教學質量的若干意見（教高[2001]4號）[Z].

[2]關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見 （教高[2005]1號）[Z].

[3]潘蕾.深化實驗教學改革，適應人才培養需要[J].實驗技術與管理，2002，19（2）：96-99.

[4]夏守之.開放實驗室教學改革障礙的研究[J].化工高等教育，2006，5（2）：94-97.

[5]張雅琴.實驗教學內容改革的實踐與思考[J].實驗技術與管理，2003，20（3）：59-62.

[6]李桂峰，肖春玲.運用現代教育技術培養學生的創新能力[J].農業與技術，2008，（3）：175-176.

[7]劉力斌.大學物理實驗考試改革初探[J].大學物理實驗，2003，16

（3）：80-82.

[8]陸源，厲旭云，葉治國，等.基礎性和綜合性實驗的研究性教學設計與實踐[J].實驗室研究與探索，2011，（6）：275-277.

（責任編輯：劉輝）