“一核雙翼三階”物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系研究與實(shí)踐

劉志海, 孟 霆, 武立華, 張 楊, 李 平, 王立媛, 李 松

(哈爾濱工程大學(xué) 理學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

物理學(xué)是一門理論與實(shí)踐結(jié)合緊密的科學(xué)[1-3]。物理學(xué)探究物體與物體間的相互作用、物體的能量和它們之間的相互作用。物理學(xué)探索著自然界萬(wàn)物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,推動(dòng)社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,是其他一切學(xué)科研究,以及整個(gè)社會(huì)文明發(fā)展和進(jìn)步的基礎(chǔ)[4-6]。所以通過(guò)學(xué)習(xí)物理學(xué)可以提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力,提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、養(yǎng)成積極探索研究的科學(xué)習(xí)慣,培養(yǎng)創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)精神[7-9]。社會(huì)的發(fā)展要求高校培養(yǎng)的人才不僅具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ),還要有較高的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神[10-12]。為實(shí)現(xiàn)這一培養(yǎng)目標(biāo),通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究、實(shí)驗(yàn)儀器及教學(xué)手段更新、實(shí)驗(yàn)課程實(shí)施、學(xué)生科創(chuàng)活動(dòng)組織、創(chuàng)新競(jìng)賽設(shè)計(jì)、考核方式轉(zhuǎn)變、高校示范輻射作用、社會(huì)服務(wù)等多個(gè)教育教學(xué)維度協(xié)同發(fā)展,構(gòu)建了“一核雙翼三階”的全新物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),為此建設(shè)了3個(gè)不同作用的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助平臺(tái)。

1 “一核雙翼三階”多維實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系結(jié)構(gòu)組成

“一核”指以人才培養(yǎng)為核心,通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和學(xué)生培養(yǎng)體系的協(xié)同發(fā)展提升學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新精神。

“雙翼”指在“人才培養(yǎng)”核心教育任務(wù)下,構(gòu)建了高水平物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和協(xié)同創(chuàng)新的人才培養(yǎng)體系。“雙翼”中的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系是指以教師為主體、以轉(zhuǎn)變教育觀念和教育思想為先導(dǎo),開展課程體系、課程內(nèi)容和教學(xué)模式的改革和建設(shè),以及發(fā)揮物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的示范輻射作用以及服務(wù)社會(huì)的功能。“雙翼”中的協(xié)同創(chuàng)新的人才培養(yǎng)體系則是以學(xué)生為主體,以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)、大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)為起點(diǎn),以物理演示儀器創(chuàng)新與設(shè)計(jì)課程、大學(xué)生科技訓(xùn)練計(jì)劃為實(shí)踐環(huán)節(jié)、物理儀器創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽為競(jìng)賽內(nèi)容,以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程、大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)為效果檢驗(yàn)、分析、評(píng)價(jià)及反饋的人才培養(yǎng)途徑與模式。

“三階”指建立以演示實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生探索科學(xué)的好奇心的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)作為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問(wèn)題的綜合素質(zhì)的三階教學(xué)平臺(tái)。圖1是“一核雙翼三階”多維實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系的結(jié)構(gòu)組成圖。

圖1 “一核雙翼三階”多維實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系結(jié)構(gòu)組成圖

(1) 好奇心的喚醒——實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。大多數(shù)本科生入學(xué)后首先接觸的就是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)這門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程。學(xué)生剛剛走過(guò)10多年的應(yīng)試教育的艱苦求學(xué)之路,在之前的題海戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練中,學(xué)生認(rèn)識(shí)事物和探索自然的好奇心已經(jīng)所剩無(wú)幾。怎樣再次激發(fā)學(xué)生已經(jīng)基本被磨滅的好奇心,再次燃起學(xué)生探究自然規(guī)律的渴望,喚起學(xué)生消失許久的認(rèn)識(shí)自然、探索自然和改造自然的本能,就變成大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教師的工作任務(wù)和首要、且最重要的工作目標(biāo)。所以,根據(jù)物理演示實(shí)驗(yàn)室中展示的物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,撰寫演示物理規(guī)律的演示實(shí)驗(yàn)教材《觸摸科學(xué)·體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)》,并與“著名物理學(xué)家科研經(jīng)歷定期講座”“大一新生探討課”“3D影像介紹科技新發(fā)現(xiàn)”等課程相結(jié)合,構(gòu)建激發(fā)學(xué)生探索自然規(guī)律的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)平臺(tái)。此平臺(tái)擁有數(shù)百項(xiàng)演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容供學(xué)生實(shí)踐體驗(yàn),實(shí)驗(yàn)室占地總面積600余m2,包括“海洋的奧秘”“力學(xué)的探秘”“數(shù)學(xué)的神奇”“光學(xué)的奇妙”“光纖的美妙”“電磁學(xué)的神秘”“光學(xué)的炫麗”等演示實(shí)驗(yàn)室、多媒體放映廳以及特色功能區(qū)。這些帶給學(xué)生的不僅僅是一頓視覺(jué)盛宴，或一個(gè)個(gè)扣人心弦的科學(xué)疑難,更是通過(guò)參觀引導(dǎo)學(xué)生慢慢學(xué)會(huì)享受物理,享受物理帶來(lái)的無(wú)窮驚喜，圖2為演示實(shí)驗(yàn)室一角。

圖2 物理演示實(shí)驗(yàn)室

(2) 科研素養(yǎng)培養(yǎng)——物理學(xué)的基礎(chǔ)理論與實(shí)踐相結(jié)合的平臺(tái)。眾所周知,科研工作不能單憑熱情和好奇心,它要依靠的是系統(tǒng)的完善的基礎(chǔ)理論及不同層次的實(shí)踐檢驗(yàn)用以夯實(shí)學(xué)生的理論功底和解決問(wèn)題的實(shí)踐能力,培養(yǎng)學(xué)生的科研習(xí)慣和提高學(xué)生的科研能力。為達(dá)到培養(yǎng)綜合素質(zhì)、適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的人才,撰寫了用于課堂教學(xué)的普通物理參考書——《解析深邃思想·領(lǐng)會(huì)物理精神》和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)參考書——《操縱物理儀器·獲取實(shí)驗(yàn)方法》。在理論上,不僅對(duì)于物理基本概念、定理和定律進(jìn)行清晰的闡述,而且特別注重從物理本質(zhì)上做出深刻的敘述與分析。通過(guò)力、熱、聲、光、電等一系列基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的學(xué)習(xí)習(xí)慣,提高學(xué)生理論指導(dǎo)實(shí)踐的能力，圖3是學(xué)生實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

(3) 創(chuàng)新與探索——提高科技創(chuàng)新能力。喚醒了學(xué)生對(duì)形式多樣、內(nèi)容豐富的科研工作的好奇心之后,通過(guò)科研素養(yǎng)培養(yǎng)平臺(tái),使學(xué)生又有了科研探索和創(chuàng)新的能力,因此學(xué)生的改造自然和創(chuàng)造新事物的愿望自然會(huì)涌上心頭。社會(huì)的進(jìn)步離不開科技的創(chuàng)新,科技創(chuàng)新是國(guó)家繁榮昌盛的源泉。青年學(xué)生是科技創(chuàng)新的主力軍,所以培養(yǎng)滿足國(guó)家發(fā)展需要的綜合素質(zhì)高的人才是高校一切教學(xué)活動(dòng)的終極目標(biāo)。為達(dá)到這個(gè)目標(biāo),設(shè)計(jì)并構(gòu)建培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新與探索精神的物理實(shí)踐教學(xué)平臺(tái),設(shè)計(jì)并建設(shè)理學(xué)之光科技創(chuàng)新中心,中心現(xiàn)有用房面積300 m2,固定資產(chǎn)投資150余萬(wàn)元,為大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)提供了有力的場(chǎng)所和資源保障。另外本教學(xué)團(tuán)隊(duì)還和美國(guó)海洋光學(xué)公司聯(lián)合建立了“哈爾濱工程大學(xué)—美國(guó)海洋光學(xué)聯(lián)合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”。由美國(guó)微芯(Microchip)科技公司出資,在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建立了“哈爾濱工程大學(xué)-微芯科技微處理器聯(lián)合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”,成為企業(yè)支持學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)的亮點(diǎn)。

圖3 學(xué)生實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2 “一核雙翼三階”多維教學(xué)體系的教學(xué)方案

要實(shí)現(xiàn)上述人才培養(yǎng)的目標(biāo),就要在教學(xué)實(shí)踐中設(shè)計(jì)一系列切實(shí)有效的教學(xué)方案,以達(dá)成這一教育目標(biāo)。

2.1 全方位開放的教學(xué)模式

在“一核雙翼三階”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系的框架下,堅(jiān)持以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為核心任務(wù),利用教務(wù)系統(tǒng)學(xué)生可自由選擇上課時(shí)間,并建立了慕課、微課、翻轉(zhuǎn)課堂及師生見面課等混合型教學(xué)模式,突破了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)室空間的約束。在時(shí)間上,學(xué)生可以自主選擇上課時(shí)間；針對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)與不同專業(yè)學(xué)生專業(yè)背景嚴(yán)重脫節(jié)的問(wèn)題,在選擇和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)充分考慮到這點(diǎn),力爭(zhēng)為不同的專業(yè)提供盡量多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,設(shè)計(jì)并開放培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題能力的綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)可以為學(xué)生提供相應(yīng)的設(shè)備支持,在操作過(guò)程中可以反復(fù)實(shí)驗(yàn)以達(dá)到理想結(jié)果,遇到問(wèn)題可以小組討論合作解決,鼓勵(lì)學(xué)生提出創(chuàng)新思想并將其付諸實(shí)踐以促進(jìn)科研能力的提高。在空間上,利用創(chuàng)想工作室進(jìn)行不定期科技小發(fā)明競(jìng)賽、科學(xué)微電影科學(xué)話劇等豐富多彩的教學(xué)模式,結(jié)合學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作、教師統(tǒng)一指導(dǎo)的學(xué)習(xí)模式,拓寬學(xué)生學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)的范圍。此外,加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)室硬件建設(shè),為培養(yǎng)學(xué)生能力提供高水平硬件平臺(tái)。同時(shí),采用新版彩色印刷實(shí)驗(yàn)教材,有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，圖4為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教材插頁(yè)[13]。

圖4 為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教材插頁(yè)

2.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與實(shí)驗(yàn)技術(shù)

按照因材施教的思路,在常規(guī)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,為“陳賡班”開設(shè)具有拔高的DIY研究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(見圖5),同時(shí)以團(tuán)隊(duì)的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。目的在于充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣和能動(dòng)性,讓學(xué)生盡可能地以團(tuán)隊(duì)方式參與到整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中,創(chuàng)造一個(gè)科學(xué)探索的氛圍,從實(shí)踐中提升能力,培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神。

圖5 DIY研究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

同時(shí),本團(tuán)隊(duì)將實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究同科學(xué)研究置于同等重要的地位,充分調(diào)動(dòng)了全體教師參與實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究的積極性,不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù),并已取得相應(yīng)研究成果。近年來(lái)承擔(dān)教育部教改項(xiàng)目1項(xiàng)、省級(jí)教改項(xiàng)目5項(xiàng)、校級(jí)教改項(xiàng)目22項(xiàng)、獲校實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究立項(xiàng)15項(xiàng)。學(xué)生參與自制物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器20多種。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及自制教學(xué)儀器不但更新了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,還被全國(guó)80多所高校(包括香港理工大學(xué))使用。

2.3 學(xué)生培養(yǎng)體系設(shè)計(jì)與實(shí)施

依托我校深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革示范高校平臺(tái),開設(shè)了“物理實(shí)驗(yàn)儀器的創(chuàng)新與設(shè)計(jì)”“體驗(yàn)創(chuàng)客”課程通識(shí)教育選修課程,已連續(xù)開設(shè)4年,形成了完整的課程教學(xué)大綱和課程講義。該課程有效地聯(lián)接大學(xué)物理、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)及學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng),深受廣大學(xué)生歡迎。

作為實(shí)踐環(huán)節(jié),設(shè)計(jì)并實(shí)施了學(xué)生科研“物理儀器創(chuàng)新設(shè)計(jì)”專題立項(xiàng)。設(shè)計(jì)并實(shí)施了“物理演示儀器創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”,為學(xué)生提供展示科技創(chuàng)新成果的平臺(tái)。哈爾濱博敏科技有限責(zé)任公司是在校大學(xué)生創(chuàng)辦的科技服務(wù)型公司,以哈爾濱工程大學(xué)物理儀器創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽為依托,宗旨是把學(xué)生創(chuàng)業(yè)、學(xué)生創(chuàng)新等與物理思想及科學(xué)研究結(jié)合起來(lái)。

成立的假日科學(xué)廣場(chǎng)是發(fā)揮高校社會(huì)服務(wù)功能的窗口,該廣場(chǎng)為學(xué)生提供向社會(huì)展示科研成果的平臺(tái)。廣場(chǎng)通過(guò)多樣化的活動(dòng)設(shè)計(jì)、多面性的科學(xué)主題、多元化的活動(dòng)內(nèi)容,面向社會(huì)開放,提供參觀者親近科學(xué)、學(xué)習(xí)科學(xué)、了解科學(xué)的機(jī)會(huì)。圖6為中學(xué)生觀摩本校學(xué)生創(chuàng)新作品。該活動(dòng)自開展以來(lái)舉辦科普講座300多次,接待大、中、小學(xué)生等社會(huì)各界人士參觀24 000余人,受到“哈爾濱新晚報(bào)”“黑龍江晨報(bào)”的連續(xù)報(bào)道,并被認(rèn)定為“黑龍江省科普教育基地”。2012年“假日科學(xué)廣場(chǎng)”獲得國(guó)家“首屆科技場(chǎng)館科學(xué)教育項(xiàng)目展評(píng)”三等獎(jiǎng),是唯一入選高校;2014年“假日科學(xué)廣場(chǎng)”活動(dòng)獲全國(guó)科普日優(yōu)秀特色活動(dòng)稱號(hào)。

圖6 中學(xué)生觀摩本校學(xué)生創(chuàng)新作品

3 結(jié)語(yǔ)

構(gòu)建了“一核雙翼三階”的多維實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系,形成了國(guó)內(nèi)一流的多功能、多層次、開放型理工類物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健ＴO(shè)計(jì)并建設(shè)“激發(fā)好奇心”“培養(yǎng)科研素質(zhì)”和“培養(yǎng)創(chuàng)新能力” 3個(gè)層次遞升、蘊(yùn)意深遠(yuǎn)、內(nèi)涵樸實(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并發(fā)展了與之相應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)教材新體系。從體系構(gòu)建的角度講,其中大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程、大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)、假日科學(xué)廣場(chǎng)既作為教學(xué)環(huán)節(jié),也是分析、評(píng)價(jià)、反饋環(huán)節(jié)。實(shí)踐課程、科技立項(xiàng)、學(xué)科競(jìng)賽構(gòu)成了實(shí)踐環(huán)節(jié),假日科學(xué)廣場(chǎng)為學(xué)生提供了社會(huì)活動(dòng)的平臺(tái),科技作品(物理演示實(shí)驗(yàn)儀器)亦促進(jìn)了學(xué)生的創(chuàng)業(yè)活動(dòng)。因此該體系是一個(gè)教研環(huán)節(jié)、教學(xué)環(huán)節(jié)、實(shí)踐環(huán)節(jié)、社會(huì)活動(dòng)、創(chuàng)業(yè)活動(dòng)多維度協(xié)同工作的特色創(chuàng)新培養(yǎng)體系。目前該體系已在我校實(shí)踐4年,其教育教學(xué)成果已獲得省教學(xué)成果獎(jiǎng)。