大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)及大學物理實驗室建設(shè)實踐研究

馮 杰 肖桂娜 趙立竹 倪 敏 張 浩

(上海師范大學數(shù)理學院物理系 上海 200234)

大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)及大學物理實驗室建設(shè)實踐研究

馮 杰 肖桂娜 趙立竹 倪 敏 張 浩

(上海師范大學數(shù)理學院物理系 上海 200234)

我國高等教育承擔科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重任．當前，我國高等學校在培養(yǎng)創(chuàng)新人才的教學過程和環(huán)節(jié)中，實驗教學硬環(huán)境建設(shè)存在許多值得研究的方面：大學物理實驗室建設(shè)的目標、結(jié)構(gòu)和內(nèi)容；大學物理實驗室的教學功能、實驗教學評價與考核辦法及其對大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的影響．

高等教育 大學生創(chuàng)新能力 大學物理實驗室

當前世界科技創(chuàng)新活動發(fā)展的趨勢表明：科技創(chuàng)新成為世界規(guī)模強大的潮流，可持續(xù)發(fā)展成為科技創(chuàng)新的基本使命，科技創(chuàng)新戰(zhàn)略是引導(dǎo)國家發(fā)展的重要指針．科技創(chuàng)新成果源于創(chuàng)新人才，創(chuàng)新人才的成長要靠教育．在當前我國的大學教育中，實驗教學過程和環(huán)節(jié)是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的基礎(chǔ)性工程．人們對此已經(jīng)達成共識，即實驗教學軟環(huán)境的研究已經(jīng)達到了較高的水平.比如，對廣義創(chuàng)新能力的界定、狹義創(chuàng)新能力內(nèi)涵的探討；大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)過程中教師的角色和作用；影響大學生創(chuàng)新能力的心理因素、智力因素以及環(huán)境因素；如何評價大學生的創(chuàng)新能力；等等．

本文討論我國高校當前實驗教學硬環(huán)境建設(shè)問題，即研究大學物理實驗教學過程和環(huán)節(jié)，實驗室的建設(shè)實踐問題及其對大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的反思．

1 大學物理實驗室建設(shè)的目標

我國高等學校大學物理基礎(chǔ)實驗室的總體目標是建設(shè)成為充滿教學理念創(chuàng)新、教學手段先進、實驗課程與教材系統(tǒng)完善、實驗設(shè)施齊全、實驗儀器設(shè)備精良、教學隊伍結(jié)構(gòu)合理、教學內(nèi)容和項目特色鮮明的現(xiàn)代化開放式實驗教學中心；并以此為基礎(chǔ)，加大創(chuàng)新性實驗的培養(yǎng)力度，有效提高大學的理、工科學生物理實驗?zāi)芰蛣?chuàng)新能力，使之成為大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基地和創(chuàng)新人才的孵化器；應(yīng)當同時推動理工科應(yīng)用性專業(yè)物理實驗課程建設(shè)．具體目標有如下幾個方面.

1.1 實施創(chuàng)新能力培養(yǎng)構(gòu)建分層次教學的實驗教學新體系

根據(jù)各專業(yè)的培養(yǎng)目標與教學計劃，按分層次、多模塊相互銜接的教學模式組織實施實驗教學．按照“重基礎(chǔ)、突現(xiàn)代、求綜合、達創(chuàng)新”的教學改革原則，將大學物理實驗整合為大學物理基礎(chǔ)實驗、大學物理特色實驗(機電、信息、材料、光學)和大學生創(chuàng)新性實驗三大模塊，構(gòu)建大學物理實驗課的新體系．秉承淡化專業(yè)限制、強化基礎(chǔ)訓(xùn)練、培養(yǎng)科學素質(zhì)與創(chuàng)新能力的分層次培養(yǎng)模式，將大學物理基礎(chǔ)實驗室建設(shè)成為培養(yǎng)大學生創(chuàng)新實踐能力的基地．

1.2 優(yōu)化實驗設(shè)備配置積極推進新教學方法、現(xiàn)代教學手段改革

大學物理實驗室建設(shè)需要致力于大學物理實驗內(nèi)容與方法密切聯(lián)系于學科專業(yè)學習、技術(shù)應(yīng)用和創(chuàng)新實踐，優(yōu)化實驗設(shè)備和儀器配置，引入先進的多媒體教學手段，引入電腦仿真實驗操作，用現(xiàn)代教育技術(shù)和信息技術(shù)手段引領(lǐng)大學物理實驗教學．

1.3 更新、整合實驗內(nèi)容

大學物理實驗教學內(nèi)容與方法要密切聯(lián)系學科專業(yè)特點，增加探究型、綜合型實驗，倡導(dǎo)創(chuàng)新型、設(shè)計型實驗，減少程序化的驗證型實驗，淘汰技術(shù)陳舊的傳統(tǒng)性實驗．采取在學生實驗后，進行專題討論等多種形式的教學方法，激發(fā)大學生學習大學物理的興趣和創(chuàng)新熱情，有效提高大學物理的教學質(zhì)量．

1.4 積極開展實驗教學研究實行開放式實驗教學模式

需要重視大學物理實驗教學研究，組織一批教學經(jīng)驗豐富的教師，積極實驗開展教學研究，總結(jié)和反映了大學物理基礎(chǔ)實驗中成熟的實驗教學方法，創(chuàng)造性地提出了符合培養(yǎng)學生和實驗室條件的設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗課題或項目，總結(jié)大學生物理實驗創(chuàng)新成果．

對設(shè)計型、創(chuàng)新型和研究型實驗，實行開放式實驗教學模式．采取學生自我實踐為主，教師指導(dǎo)為輔的教學方式．鼓勵對物理實驗有興趣的學生，在教師指導(dǎo)下，結(jié)合學科專業(yè)特點，開展設(shè)計性、創(chuàng)新性實踐活動．建立大學生物理實驗學習為基礎(chǔ)的創(chuàng)新基地，為在實踐與創(chuàng)新能力上有進一步發(fā)展?jié)摿Φ膶W生提供發(fā)展空間．

1.5 加強適應(yīng)實驗創(chuàng)新教學新體系的教學隊伍建設(shè)

實驗教師和創(chuàng)新項目指導(dǎo)教師應(yīng)作為創(chuàng)新能力的指導(dǎo)者和學生的助手，學生實驗構(gòu)思、設(shè)計的主導(dǎo)者和實驗過程的控制者．要求教師尊重學生的創(chuàng)造、發(fā)明和革新．實驗創(chuàng)新教學新體系需要營造民主、寬松的創(chuàng)新氛圍，促使學生進行獨立而且具有高質(zhì)量的新想法、新發(fā)現(xiàn)和新行為．為學生創(chuàng)新活動開展起到導(dǎo)引和橋梁性的作用．要求教師以促進和激勵學生創(chuàng)新能力的發(fā)展為出發(fā)點．

1.6 建立大學創(chuàng)新實驗中心網(wǎng)站

提供校園內(nèi)、外網(wǎng)絡(luò)化自主式學習的途徑．按照省、部級以上精品課程網(wǎng)站要求，網(wǎng)站內(nèi)涵包括大學物理實驗內(nèi)容、類型、實驗方法、教學要求和學習評價；大學物理演示實驗項目庫；大學物理實驗教學錄像庫；大學物理仿真、模擬實驗庫；大學物理實驗教學導(dǎo)學庫；以及大學物理創(chuàng)新實驗項目庫．

2 大學物理實驗室的結(jié)構(gòu)

大學物理基礎(chǔ)實驗室具體包括配套于大學文、理、工科大學物理學實驗教學的“大學物理基礎(chǔ)實驗?zāi)K”、“大學物理創(chuàng)新型演示實驗?zāi)K”和“大學生創(chuàng)新實踐基地模塊”，同時建設(shè)“大學生物理實驗創(chuàng)新中心網(wǎng)站”．綜合實驗?zāi)K和新型演示實驗?zāi)K是大學物理教與學以及培養(yǎng)學生實驗創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)；創(chuàng)新實踐基地模塊是針對不同院、系、專業(yè)的特點，建設(shè)反映物理學基礎(chǔ)性與學科特色(機電、信息、材料、光學)緊密聯(lián)系的創(chuàng)新實驗系列，為大學生物理創(chuàng)新活動開辟實踐基地，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 大學物理創(chuàng)新實驗室結(jié)構(gòu)圖

2.1 大學物理課程的基礎(chǔ)實驗

大學物理實驗是配合高校理、工以及文科的《大學物理學》公共基礎(chǔ)課程基本實驗教學的獨立課程，大學物理實驗對專業(yè)課程和創(chuàng)新能力培養(yǎng)具有基礎(chǔ)性工程的作用．其具體項目的建設(shè)包括大學物理的5個基礎(chǔ)實驗?zāi)K：力學實驗、熱學實驗、電磁學實驗、光學實驗以及近現(xiàn)代物理典型實驗(包括原子物理學實驗)，其內(nèi)容如圖1所示．

2.2 科技創(chuàng)新功能模塊實驗

根據(jù)學生的興趣和大學文科、理工科各專業(yè)對大學物理學課程內(nèi)容的側(cè)重點不同，實行開放、動手、探究和科技創(chuàng)新拓展式實驗教學方法，設(shè)計與開發(fā)4個特色實驗?zāi)K：機電、信息、材料、光學類物理實驗系列，以展示其創(chuàng)新輻射功能為主要呈現(xiàn)方式，突出科技創(chuàng)新和高新技術(shù)應(yīng)用兩大特征．具體項目如下：

(1)機電類原理與新技術(shù)成果及應(yīng)用實驗系列；

(2)材料類原理與新技術(shù)成果及應(yīng)用實驗系列；

(3)微電子技術(shù)類原理與新技術(shù)成果及應(yīng)用實驗系列；

(4)光學類原理與新技術(shù)成果及應(yīng)用實驗系列．

2.3 大學生創(chuàng)新實踐基地

以4個特色實驗?zāi)K展示的物理學類高新技術(shù)成果為引導(dǎo)，讓學生了解物理學與科技創(chuàng)新的前沿領(lǐng)域，營造良好科技創(chuàng)新氛圍，熏陶和培養(yǎng)學生的科研與創(chuàng)新意識，為在實踐與創(chuàng)新能力上有進一步發(fā)展需求的學生提供創(chuàng)新實踐．同時配合大學物理實驗課程的具體目標要求，采取學生自選研究小課題和實驗室提供創(chuàng)新實驗素材并舉的方式，在授課教師指導(dǎo)下，讓學生自行設(shè)計實驗方案，自行選擇實驗器材，完成研究內(nèi)容．以創(chuàng)新型、開放型為主要特色，實現(xiàn)學生實踐能力培養(yǎng)的基地功能；以授課教師或?qū)I(yè)學科教師帶領(lǐng)學生開展學生科技創(chuàng)新項目的形式；其教、學和研究形式靈活，不受課時限制，可在不同的學年、或課內(nèi)或課外完成．具體項目如下：

(1)機器人創(chuàng)新實驗設(shè)計、制作和展示；

(2)自動化創(chuàng)新實驗設(shè)計、制作和展示；

(3)強、弱電類課題創(chuàng)新實驗設(shè)計、制作和展示；

(4)光伏技術(shù)類課題創(chuàng)新實驗設(shè)計、制作和展示；

(5)光學、光電子和光纖通訊類創(chuàng)新實驗設(shè)計、制作和展示；

(6)計算機多媒體類課題創(chuàng)新實驗設(shè)計、制作和展示．

這一模塊是完善大學物理實驗室的核心性建設(shè)工程，其目的在于有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力．

2.4 創(chuàng)新型演示實驗?zāi)K

大學物理創(chuàng)新型演示實驗?zāi)K是為大學物理課程的授課教師提供課堂演示的典型創(chuàng)新型小實驗．意義在于促進授課教師豐富和完善大學物理的課堂教學手段，教學相長，與多媒體教學手段優(yōu)勢互補、相得益彰，同時提高學生的大學物理的學習效果、激發(fā)其學習興趣和潛在的創(chuàng)新意識．根據(jù)目前大學物理課程發(fā)展和改革的實際要求，精選大學物理學課程內(nèi)典型的基礎(chǔ)實驗項目，其具體項目的設(shè)計與開發(fā)包括以下3種類型的實驗：

(1)目前教學多媒體教學手段難以展示的演示實驗；

(2)揭示較抽象物理概念和規(guī)律而且難以用直觀語言描述的演示實驗；

(3)具有典型的設(shè)計技巧性的演示實驗．

這一配合大學物理課堂教學的模塊不僅是促進教師教學相長的配套工程，也是大學物理教學的特色工程，是大學物理實驗教學的必要(組成部分)建設(shè)工程．

3 大學物理實驗創(chuàng)新中心網(wǎng)站的功能

實驗室信息化、網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)是當前先進實驗室重要特色和發(fā)展趨勢，充分利用個高校網(wǎng)絡(luò)化資源優(yōu)勢，同步建設(shè)大學物理實驗教學和實驗室管理信息平臺，對物理實驗課程的實施體系和傳統(tǒng)教學模式進行改革，真正實現(xiàn)大學物理實驗課程輔助教學網(wǎng)站的教學功能．

3.1 發(fā)揮信息化網(wǎng)站的輔助教學功能

運用現(xiàn)代化教學手段與方法進行實驗教學，利用網(wǎng)絡(luò)化教學管理提高實驗教學效率，而不以現(xiàn)代技術(shù)替代學生實驗操作過程與實驗計算能力．

(1)建立創(chuàng)新實驗的網(wǎng)絡(luò)資源庫

開發(fā)和運用信息化實驗教學手段，完善大學物理實驗基本操作和多媒體實驗教學課件，充分發(fā)揮計算機仿真、模擬實驗作用；建立多層次、多模式、拓展與創(chuàng)新型并行、開放與研究型并重的實驗教學網(wǎng)絡(luò)資源庫．

(2)建立新型的實驗教與學模式

學生通過網(wǎng)絡(luò)選課和選題系統(tǒng)，進行個性化的實驗題目選擇、教學運作和創(chuàng)新活動的安排．同時在選修部分實驗課程和創(chuàng)新選題上實行學生網(wǎng)絡(luò)選擇的運作．

具體體現(xiàn)在以下4方面．創(chuàng)新性：自由擇題，內(nèi)容廣泛，小組合作與個人獨創(chuàng)相結(jié)合；開放性：文、工、理科各專業(yè)開放；機動性：實驗學時不限定，動手實踐的時間不限定；示范性：配備顧問式指導(dǎo)教師，學生動手設(shè)計、制作、展示和評價．

(3)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的實驗教學功能

實驗報告的網(wǎng)上遞交和批改、學生實驗成績的測評以及創(chuàng)新成果的評價和展示；利用信息平臺開展實驗預(yù)習教學和答疑，學生可利用中心信息平臺查閱實驗預(yù)習課的多媒體課件和儀器使用方法，教師也可利用中心的信息平臺與學生進行溝通與網(wǎng)上答疑．

3.2 發(fā)揮信息化網(wǎng)站的實驗室管理功能

實驗室在儀器設(shè)備的管理上實行數(shù)字化系統(tǒng)的運作，即將各類實驗儀器、實驗資料、教學資料、學生資料和科研資料等分門別類地安放在相應(yīng)的文件夾內(nèi)，并在電腦中進行電子存檔．實現(xiàn)網(wǎng)上輔助教學和網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理．

(1)大學物理實驗課程達到精品化；

(2)大學物理實驗教學形式達到優(yōu)質(zhì)化、網(wǎng)絡(luò)化；

(3)大學物理實驗設(shè)備、課程和教學流程管理實現(xiàn)計算機多媒體網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化．

3.3 發(fā)揮信息化網(wǎng)站的實驗創(chuàng)新功能

充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，建立一個內(nèi)容豐富、資料翔實、互動性強、界面新穎的大學物理實驗教學資源網(wǎng)站，有效提高大學物理實驗的學習效率，真正能夠激發(fā)學生的創(chuàng)新意識．

(1)構(gòu)建有效培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的大學物理實驗課程的現(xiàn)代化教學模式的公共教學平臺．

(2)通過大學物理實驗教學中創(chuàng)新機制(比如設(shè)計性實驗、自選研究課題、成果展示和適當獎勵)的落實，培育學生的創(chuàng)新意識，激發(fā)的創(chuàng)新熱情和培養(yǎng)創(chuàng)新能力．

4 關(guān)于大學物理實驗教學評價與考核辦法

雖然大學物理實驗的考試方法是到目前為止的難題，但是，經(jīng)過我國高等學校實驗教學人員和相關(guān)教育專家的幾十年的不懈探索、研究和實踐，在物理實驗?zāi)芰Α⑺降臉?gòu)成要素的設(shè)定，物理實驗考試評價體系的有效性問題，以及考試評價的客觀性等方面取得了行之有效的方法，有些方法還獲得了省級以上的教學成果獎．實踐證明，這些舉措對促進我國高等學校實驗教學和大學生實驗創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到了顯著的積極作用．

4.1 大學物理實驗評價與考核內(nèi)容

(1)基本物理實驗儀器的操作技能和使用方法；

(2)大學物理實驗基本原理和基本步驟的掌握；

(3)大學物理實驗中現(xiàn)象解釋，實驗后處理方法以及基本誤差分析方法，包括實驗數(shù)據(jù)的處理、作圖等．

(4)對探究型創(chuàng)新實驗，著重考核文獻調(diào)研、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，以及依據(jù)實驗結(jié)果，運用所學理論，作出合理解釋的綜合能力．

(5)對設(shè)計型創(chuàng)新實驗，著重考核文獻調(diào)研、實驗設(shè)計、分析問題，以及依據(jù)本專業(yè)的理論，解決實踐應(yīng)用問題的綜合能力．

4.2 評價與考核的方法

(1)考試與考核采取平時成績與期末考試成績相結(jié)合的辦法．平時成績以實驗操作、實驗?zāi)芰Α嶒灲Y(jié)果及實驗報告(論文成果)為主要依據(jù)；期末考試由筆試和實驗操作兩部分組成．

(2)成績評定：平時成績占70%，期末考試成績占30%．

(3)對與專業(yè)聯(lián)系緊密的必做實驗考試，采取理論考試和操作考試兩個部分組成，考試題在由大學物理實驗課程試題庫提供．理論考試閉卷、考試時間統(tǒng)一；操作考試題由學生抽簽試題(試題包括操作和回答問題兩部分)，學生根據(jù)試題要求當場完成操作部分并回答有關(guān)問題．教師根據(jù)學生操作完成情況和問題回答的情況，按評分標準，給出成績．

(4)逐步建立大學物理實驗課程試題庫，考試實行統(tǒng)一命題、閱卷和試卷分析制度．

(5)對設(shè)計型、探究型、綜合型的創(chuàng)新物理實驗的考核成績，由指導(dǎo)教師、理論課授課教師和實驗課教師進行綜合評分，同時參照學生全國大學生的“挑戰(zhàn)杯”及各級各類設(shè)計競賽和多媒體課件競賽等的成績．

(6)探索有效激發(fā)學生創(chuàng)新意識的高校物理實驗教學質(zhì)量評價體系．每學期期中召開不同專業(yè)(來自不同學院)學生座談會，聽取學生的意見和建議，及時調(diào)整教學方法，以學生滿意度為衡量實驗教學質(zhì)量和教師評優(yōu)的一個重要指標．

5 結(jié)束語

第一，對大學物理創(chuàng)新實驗課程實施體系、模式進行改革，建設(shè)與我國理工科大學物理實驗教學的分層次與多模式、拓展與創(chuàng)新型有機結(jié)合的大學物理實驗室；

第二，實現(xiàn)開放與研究型實訓(xùn)大學物理教學形式，建設(shè)和開放大學物理實驗資源庫，構(gòu)建大學物理創(chuàng)新實驗課程有效培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的現(xiàn)代化教學模式的公共教學平臺．

第三，通過大學物理創(chuàng)新實驗教學中創(chuàng)新機制，培育我國大學生的創(chuàng)新意識，結(jié)合指導(dǎo)教師的工作，將大學生的設(shè)計性實驗、自選研究課題以及成果展示和適當獎勵的落實，激發(fā)其創(chuàng)新熱情和培養(yǎng)其創(chuàng)新能力．

第四，運用現(xiàn)代化教學手段與方法進行實驗教學，完善大學物理創(chuàng)新實驗教學與管理．充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢，使大學物理實驗課程達到精品化、優(yōu)質(zhì)化和網(wǎng)絡(luò)化．

總之，大學物理創(chuàng)新實驗室的建設(shè)，是有效培養(yǎng)我國大學生實踐創(chuàng)新能力的必要條件．其建設(shè)目標和內(nèi)容與大學物理實驗課程體系建設(shè)、教學功能完善與管理機制健全是相互聯(lián)系的有機整體．大學物理創(chuàng)新實驗室建設(shè)目標的達成是有效培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力、促進和提高我國大學生專業(yè)能力培養(yǎng)的必由之路．

1 國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年).北京：人民教育出版社，2010

2 中華人民共和國教育部高等學校物理學與天文學教學指導(dǎo)委員會，物理學類專業(yè)教學指導(dǎo)分委員會.高等學校物理學本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范.北京：高等教育出版社，2011

3 楊述武主編.普通物理實驗(第四版).北京：高等教育出版社，2007

4 呂斯驊.基礎(chǔ)物理實驗.北京：北京大學出版社，2002

5 閻旭東.大學物理實驗.北京：科學出版社，2004

6 沈元華.設(shè)計型、研究型物理實驗教程(第一版).上海：復(fù)旦大學出版社，2004

7 胡德敬.設(shè)計型物理實驗錦集(第一版).上海：上海教育出版社，2002

8 馮杰.大學物理專題研究.北京：北京大學出版社，2011

9 李天發(fā)，趙立竹，王珊珊，等.大學物理實驗教學的發(fā)展演變.物理通報，2016(7)：93～96

10 馮容士，李鼎.DIS二維實驗系統(tǒng)及實驗Ⅱ.物理教學，2012(2)

PracticeResearchontheCultivationofUniversityStudents′innovationAbilityandtheConstructionofUniversityPhysicsLaboratory

FengJieXiaoGuinaZhaoLizhuNiMinZhangHao

(CollegeofMathematicsandPhysics，ShanghaiNormalUniversity,GuilinRd,Shanghai200234)

The important tasks to cultivate innovation talented person is undertaken by higher education in our country.At present,there are many problems about the teaching hardware circumstances which can be investigated in course of teaching of institute physics experiments in colleges and universities.It should be taken into account the objective,composition and substance of the laboratory;the teaching function of the laboratory.We are also carefully thought out assess,examination of teaching of institute physics experiments.And the very important thing is that effect on the cultivating of the ability to innovate of students in the colleges and universities.

higher education;the ability to innovate of students;institute physics laboratory

2016-07-22)