物理類專業實驗教學體系設計與創新

余江應， 李義寶， 黃 凱

(安徽建筑大學 數理學院，安徽 合肥230601)

0 引 言

創新實踐活動是培養創新型人才的有效途徑，開展大學生創新實踐活動已經成為高校人才培養的一項重要內容［1］。近年來，對大學生創新實踐能力的培養已引起教育界的高度重視，如國家級、省級大學生科技創新計劃項目的實施［2-3］，各高校大批大學生創新基地、大學生創新活動中心的建立等［4］。而“實驗教學”是學生科技創新的主要途徑之一，它不僅是對理論課程的驗證、補充和拓展，而且在培養學生的創新能力、動手能力和解決實際問題能力等諸多方面發揮著重要的作用［5-6］。

物理學是一門古老而又富有時代氣息的學科，其學科專業發展枝繁葉茂。物理類專業在各大理工科高校幾乎都有開設;物理是以實驗為基礎，物理實驗的教學對物理類專業的人才培養起著至關重要的作用［7］。因此，為實現創新型人才培養的目標，有必要針對物理類專業的特點，對當前的實驗教學體系進行改革創新。

1 物理類專業的實驗教學體系現狀分析

為適應社會對應用型創新人才需求，大部分工科院校的物理類專業均構建了以實訓、實驗、實習、設計為核心的專業實踐教學體系，并在實習基地建設、畢業設計規劃等實踐環節進行了卓有成效的創新［8］。其中“實驗”環節的改革，以“開放式實驗教學”最為常見［9-10］;但許多高校因受實驗室建設、實驗資源、學生人數、師資力量等因素的影響，在實際實施過程中仍難以擺脫傳統的教學模式，集中表現在以下幾個方面:

(1)實驗課程體系不完善，難以適應創新型人才培養的要求。工科院校的物理類專業實驗課程體系大多局限于普通物理實驗—近代物理實驗—課程實驗［11］。其中基礎物理實驗偏多;近代物理實驗中涉及現代物理在工程技術方面應用實驗較少;課程實驗方面對綜合性、設計性實驗大多停留在理論課程的延續，不能與近代物理實驗課程融為一體，無法對學生一個系統的訓練。特別是一些地方工科院校的開放式創新性實驗、小型科研型實驗幾乎是空白，這些都難以適應創新型人才培養的要求。

(2)實驗項目設置不科學，難以體現專業的最新發展。隨著社會的發展，對物理類應用人才的需求也在發生變化。調研表明，一些工科院校的物理類專業方向的定位，大多經歷了一個很長時間的反復調整期，由此也給實驗教學帶來許許多多的問題。突出表現在新老專業所開設的實驗項目之間不能很好銜接，缺乏連續性和層次性;同時，因新設專業方向在師資、實驗室建設等方面的資源緊缺，可能會導致實驗教學體系落后理論課程體系的建設，甚至很多涉及專業方向的實驗項目無法運行，這些都嚴重制約了學科專業的發展。

(3)實驗教學方法滯后，阻礙了學生的創新積極性。當前實驗教學通常采用填灌式、驗證式的傳統教學方法:教師講授—演示實驗—學生實驗，最后學生再按照教師要求的固定形式撰寫實驗報告。這種只注重套路的教學方法，使得學生在實驗過程中僅僅是個被動參與者，很多學生上課時只是照搬別人的實驗做法，不知其所以然，學生的動手實踐能力沒能得到應有的訓練，嚴重阻礙了學生的創新積極性［12］。

2 探索實驗教學體系改革，實現創新型人才培養目標

2.1 分區、分層次構建實驗課程體系，滿足創新型人才培養要求

打破傳統的實驗課程體系，根據專業培養目標重新整合實驗教學資源，并遵循由淺入深、由效仿到學生獨立創新的順序，逐步推進，分區、分層次構建實驗課程體系。

(1)完善專業基礎實驗。通過全面論證普通物理實驗與后續的專業實驗、課程設計的邏輯關系，科學、合理設置基礎實驗項目，形成能體現專業方向課程要求、能鍛煉基本實驗技能的專業基礎實驗課程。

(2)專業實驗系統化［13］。將近代物理實驗、專業特色實驗、課程實驗等進行統籌規劃、總體協調，形成一門系統化、模塊化的物理類專業實驗課程。以應用物理學專業(光電器件方向)為例，整個專業實驗課程圍繞一條主線，從器件材料的制備、結構表征、性能測試到光電器件制作，構成一個系統化的實驗課程。同時，按系統化思路，將實驗內容模塊化，建設一系列各有偏重的實驗課程模塊，并保持系統內的各個實驗模塊相互融合。

(3)創新實驗項目化。結合專業實驗條件，采用項目驅動的形式，科學設置綜合性、創新性實驗課程。創新性實驗以科研項目和大學生科技創新項目為依托，糅合與項目內容相關聯的專業基礎實驗、專業實驗和課程實驗組織實驗教學內容。

2.2 寓教于研—項目驅動教學模式的探索

教學模式的選擇是實驗教學體系設計中的一個重點，其創新必須與實驗課程體系的改革同步和相互支撐［14］。

(1)項目驅動的開放式實驗教學。由傳統的教學方法(教師講授—演示實驗—學生實驗)轉變為新的教學形式(實驗課題的擬定—文獻資料的查閱—預答辯—儀器操作指導—開放式實驗—成果答辯)。教學以科研項目和大學生科技創新項目為依托，以學生為主體開展開放式實驗教學，以研究成果的形式展示課程成績。比如學生在從事課題實驗過程中，通過對樣品材料的熱學、光學性能的測試，可以將原來各自獨立的熱脹系數、光導、磁光、熱輻射、拉曼光譜等實驗課程有機融合在一起，在獲取課題成果的同時，既能很好地完成教學計劃內的實驗課程學習任務，又能培養和提高自身的科研創新能力。

(2)實驗教學導師制。教師根據實驗課程相關內容，結合科研項目擬定實驗課題，將教學計劃內的實驗課程融于課題研究，做到教以致用，以用導教;學生自主選擇導師，在導師的指導下，可以自行設計創新性實驗、參與科研型開放實驗或自選課題實驗等，逐步建立起實驗教學的導師負責制。

2.3 保障體系和評價體系的完善

(1)教學大綱和實驗講義的編制。依據專業培養目標，修改和完善現有的實驗教學大綱，適當增大綜合性、設計性和創新性實驗的比重，體現創新性應用人才的教學特點。根據新的實驗教學大綱，科學編寫實驗講義，尤其是增設一些與專業特色相關的實驗項目講義的編寫，使實驗教學規范化。

(2)實驗室管理制度的完善。建立實驗室網站，針對設計性和創新性實驗項目，教師可以在網站提交實驗項目名稱和規定選題人數，學生可以申請選題;實驗場所和實驗儀器在正常的教學計劃時間外，實行開放運行，采取用前預約，用后登記［15-16］。

(3)實驗考核方式的改革。改變一次教學實驗一個成績的傳統考核，采用多元化考核方式，通過文獻查閱、論證答辯、實驗設計、綜合操作、數據處理和實驗成果答辯幾個部分來全面評測學生的實踐操作能力和分析應用能力。

3 實例探析

3.1 實驗課程體系設計

專業基礎實驗方面，對原有的力學實驗進行了部分刪減，弱化了原子物理實驗，增加了部分聲、光、熱檢測方面的基礎實驗。

針對專業實驗課程進行系統化和模塊化設計，將近代物理實驗、專業特色實驗、課程實驗統籌安排，重新整合、優化。以節能材料物理性能表征和建筑節能檢測為主線，按實驗課程內容的關聯性劃分模塊，如材料制備、結構形貌表征、光學性能檢測、熱學性能檢測、電磁性能檢測等模塊。論證審定各個模塊包含的實驗內容，并將專業培養計劃中“實驗”課程的學分細化到每個模塊。

依據專業應用方向設計創新性實驗課題，如“半導體氧化物光/氣/熱敏傳感器的研制”，課題涵蓋了幾乎所有的實驗模塊內容，并將近代物理實驗課程，以及半導體物理，納米材料與技術、傳熱學、光電檢測技術、傳感器原理等理論課的課程實驗融合在一起。同時，為避免實驗課題過于寬泛和繁雜，確保實驗的可行性和科學性，我們在此大實驗課題下細化出系列實驗子課題;比如研究不同半導體材料ZnO、TiO2、SnO2等，測試不同的物理性能如光、電、熱性能，以及制作光敏、氣敏、熱敏等不同類型傳感器件。課題在充分融合實驗教學計劃內容(如X 射線衍射、光導、熱電效應、聲光效應、以及數據處理軟件的應用等)的基礎上，形成了基于實驗教學、科技創新、畢業設計為一體的實驗課程體系。

3.2 實驗教學創新

教師通過物理實驗中心網站擬題并規定選題人數，不設純理論模擬計算課題，且擬定的課題中需詳細注明課題內容所涉及的實驗模塊。實驗課題經過系部和實驗中心的審核后，學生通過網站注冊選題，采取導師負責制，一個課題可設多個導師。課程的考核采取多元化的考核方式，導師依據學生的文獻閱讀、方案設計、操作過程、數據處理以及成果答辯等對學生實驗成績做出綜合評價，最后給出總的實驗成績計算學分。

考慮到逐年增加的學生數量、相對緊缺的實驗教學資源、以及導師制對實驗教師科研能力、時間、精力的高要求，實驗教學體系的改革創新采取漸進式推進:從最初選取20%學生到現在的60%，歷經四年多的試點和實踐，寓教于研的教學模式在培養學生動手實踐能力和科研創新能力方面逐步顯示出其優越性。

4 結 語

通過對當前高校物理類專業的實驗教學現狀分析，基于創新型人才培養目標，從系統化、模塊化的實驗課程設計、寓教于研的導師制教學模式以及多元化評價方式等方面對物理類專業實驗教學體系進行改革和創新，并以安徽建筑大學應用物理學專業的實驗教學改革為例，給出了寓教于研——基于創新型人才培養目標的實驗教學體系設計與創新的具體形式。實踐表明，這種新型實驗教學體系的實施，有利于培養學生的創新意識和提高學生的自主探究能力，并對他們起到重要的導向作用。同時，新型實驗教學體系的探索也為高校其他相關專業的實驗教學提供了有益借鑒。

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