“一帶一路”視野下以創新能力培養為導向的留學生物理實驗課程設計與實踐

凌翠翠, 郭天超, 祝 磊, 魏云昕

(1. 中國石油大學(華東) 材料科學與工程學院, 山東 青島 266580;2. 中國石油大學(華東) 理學院, 山東 青島 266580)

來華留學生教育是共建“一帶一路”教育行動的重要內容,加強與“一帶一路”沿線國家的教育交流與合作,不僅是為對方國家培養復合型創新專業人才,而且能促進與這些國家的相互交流、相互合作、相互信任,促進民間外交發展[1-2]。

在“一帶一路”教育行動背景下,我國高等教育既面臨機遇又面臨挑戰[3]。目前高校留學生培養的核心任務是,培養熟悉國際準則、具備參與國際事務能力、能夠適應國際競爭、全面發展的創新型專業人才,這對于加強高校的國際化建設并擴大自身影響力也具有重要意義。

大學物理實驗是理工科院校各專業必修的、獨立設置的基礎實驗課程，目的是使學生系統地掌握基本的物理實驗方法和實驗技能。我校物理實驗中心長期以來把教學研究和教學改革作為中心任務,在培養大學生創新能力方面取得了一系列成果[4-10]。指導學生多次參加山東省及全國物理實驗創新大賽,并獲特等獎、一等獎、二等獎等30余個獎項。

本文結合我校大學物理實驗課程建設實踐,對留學生物理實驗教學建立三階段、五模塊培養體系,以創新能力培養為導向,對“大學物理實驗—英文”的教學內容、教學方法、教學評價等進行了一系列改革。

1 教學特色和創新

1.1 三階段、五模塊

根據留學生參差不齊的學習基礎和能力建立三階段、五模塊教學模式,如圖1所示。

圖1 三階段、五模塊的留學生物理實驗教學模式

以科研基礎培養為目的的多樣性、基礎性實驗：為不同文化背景的留學生設立內容豐富、文理交融的跨學科、跨專業的基礎性實驗內容,學生可根據自己的興趣選擇學習。此類實驗注重實驗的啟發性,強調理論知識與實驗內容的有機聯系。

以科研技能訓練為目的的設計、綜合性實驗：在基礎性實驗的基礎上,考慮個性和差異性,給學生自由發揮的空間。以探究活動為主線,指導學生自主設計和管理實驗。通過師生互動和生生互學及實施創新性的教與學來激發學生的獨立創新意識和參與實踐的主動性。

基于科研課題研究的創新性研究實驗：引導留學生參與教師的科研活動,采用科研課題的形式,培養學生的獨立思考能力、分析能力、批評能力和解決問題能力,以及科研素養和創新實踐能力[11]。

1.2 采用差異性的教學模式[12]

見圖1,在第一階段基礎性實驗中,采用講解、演示等教學方法,設置驗證性實驗(模塊1)和定量測量實驗(模塊2);在第二階段設計、綜合性實驗中,采取討論式、啟發式教學方法激發學生的學習興趣,設置單一內容的設計性實驗(模塊3)和多內容的設計性、綜合性實驗(模塊4)。根據基礎的強弱程度,學生可選擇第一階段的模塊1和第二階段模塊3,也可從第一階段模塊1、模塊2循序漸進過渡到第二階段模塊3、模塊4。

在第3階段創新性研究實驗中,教師結合科研項目和成果給出小課題,構建教學和科研相融合的教學模式,讓學生自行做實驗,完成課題研究。

1.3 教學評價考核模式

在三階段、五個模塊基礎上,視留學生的不同情況采用多樣化、創新化的教學評價考核模式。第一階段基礎性實驗模塊1和模塊2中,采用與本土學生相近的“過程考評+期末考評”方式,并以過程考評為主。第二階段設計、綜合性實驗模塊3和模塊4中,采用方案設計、實驗過程和課程論文考核為主的綜合考核模式,培養留學生的思維能力和實踐應用能力。同時還根據學生的不同程度實行分類考核。例如,將參與模塊1、2、3、4學習的學生歸為A類,將參與模塊1和模塊3學習的學生歸為B類,對A類和B類學生分別進行考核。

第三階段創新研究性實驗中分5個環節進行考核,分別是文獻閱讀與總結、開題報告撰寫與答辯、實驗方案設計與實施、 結果分析與討論、論文撰寫與答辯。同樣按A類和B類分別考核。

1.4 開放實驗教學平臺

在實驗教學機會和平臺方面,將留學生與中國學生同等對待。留學生在遵守實驗管理制度和儀器安全操作守則基礎上,可充分利用學校開放的物理實驗教學平臺并開展創新活動,進行多樣化的設備操作訓練,并且可根據活動的創新性獲得一定的資助經費,支持他們參加“大學生創新、創意及創業挑戰賽”“大學生電子設計競賽”等。此外,還鼓勵留學生接觸教師的科研實驗室平臺,掌握基于現代科技成果的實驗技術和方法。

2 教學實施

首先以電學元件伏安特性測量和半導體PN結的物理特性為基礎性實驗，在此基礎上再引導留學生學習設計、綜合性實驗。然后再提出“光學設計實驗”和“光學傳感器應用與設計”等研究性小課題,讓學生充分調研異質結光響應特性的前沿發展及研究動態,進行文獻閱讀與總結、開題報告撰寫與答辯、實驗方案設計與實施、 結果分析與討論、論文撰寫與答辯。最后根據教學的不同階段,針對留學生的不同情況進行分類考核。

(1) 基礎性實驗。以電學元件的伏安特性研究(驗證性實驗)和半導體PN結的物理特性(定量測量實驗)為內容。在留學生進行模塊1和模塊2學習過程中,指導教師采用常規的教學模式——講授和演示。

(2) 設計、綜合性實驗。以學生為主體,以教師為主導。指導教師提出問題,啟發學生設計綜合性實驗。例如,針對電學元件的伏安特性設計不同材料二極管的伏安特性曲線測量實驗,完成設計、綜合性實驗中的模塊3;針對半導體PN結的物理特性設計不同P型半導體和N型半導體構成的PN和NN結的禁帶寬度、費米能級之間勢壘高度及溫度對抬頭電壓的影響規律等的測量,掌握其影響機制,完成設計、綜合性實驗的模塊4。教師在此階段加強對學科前沿知識的介紹,擴展學生對基于現代科技成果的實驗技術和方法的認知,由淺入深地提出問題,調動和激發學生探索知識的積極性和興趣。

(3) 創新性研究實驗：指導教師提出“光學傳感器應用與設計”等研究性小課題后,要求學生充分調研異質結光響應特性的前沿發展及研究動態,進行文獻閱讀與總結、開題報告撰寫與答辯、實驗方案設計與實施、 結果分析與討論、論文撰寫與答辯,完成創新研究性實驗模塊5。該階段重在培養學生的科研素養和創新實踐能力。

(4) 整理總結+考核：對于A類學生,模塊1和模塊2的實驗學習采用常規考核模式。其中實驗預習成績占20%,實驗操作成績占40%,實驗報告成績占40%。實驗預習和操作成績由指導教師在課堂教學過程中直接給出,實驗報告成績根據學生對實驗數據的整理和處理、對實驗結果的分析及對思考題的回答情況進行評定。模塊3和模塊4的學習則依據方案設計、實驗過程和課程論文3方面進行綜合考核。對于B類學生,僅對模塊1和模塊3階段的學習進行考核,考核方式與A類學生相同。

對學生第三階段學習的考核內容包括：文獻閱讀與總結、開題報告撰寫與答辯、實驗方案設計與實施、 結果分析與討論、論文撰寫與答辯。鼓勵學生參加大學生創新、創意及創業挑戰賽等科技創新活動。

3 結語

在共建“一帶一路”教育行動背景下,培養熟悉國際準則、具備參與國際事務能力,且能夠適應國際競爭、全面發展的創新專業人才是新時期高校留學生培養的核心任務。本文結合我校大學物理實驗課程建設實踐,對留學生教育設立了三階段、五模塊培養體系,對“大學物理實驗(英文)”的教學內容、教學模式、考核模式及教學平臺等進行了一系列改革,旨在強化留學生科研素養與創新實踐能力。