基于物理仿真實驗平臺的研究生實驗教學研究

張斯文　于文惠　田竹

【摘要】突出實踐創新能力培養的物理實驗在高校培養研究生科學思維和素養方面具有重要的作用。物理仿真實驗平臺可提供豐富的實驗內容，不受客觀教室條件限制，為研究生提供時間自由度、學習自由度更高的實驗教學體驗，極大地增加了受益的研究生人數。將物理仿真實驗以開放實驗形式投入到研究生實驗教學中，實現了更適于研究生培養特點的學生自主選擇實驗時間和內容的教學模式，在研究生實驗實踐創新能力培養中具有重要意義。

【關鍵詞】研究生教育 物理實驗 實驗技能培養 教學研究

一、引言

自教育部啟動“研究生教育創新工程”以來，許多高校掀起了創建以創新為宗旨的研究生創新實驗中心。與本科生教育不同，研究生教育更注重研究生創新思維、科學素養及實踐能力的培養。物理學是工程技術學科的基礎，而實驗是連接物理學和工程技術的橋梁。物理實驗在培養學生嚴謹的科學思維和創新能力，鍛煉學生理論與實際相聯系，特別是與科學技術發張相適應的綜合能力方面有著重要作用。

國內理工類研究生一般在入學第一年，統一學習基本專業知識及基本實踐技能，從第二年開始跟隨導師進入實驗室結合科研課題開展相關研究。目前，國內很多高校均在本科階段設置物理實驗課程，而研究生的物理實驗課程開設的卻很少。研究生本科階段的實踐創新能力培養有限，甚至不足，進入實驗室后，難以快速入手開始科學研究。立足研究生實驗實踐創新能力培養現實，本文提出基于物理仿真實驗平臺的研究生實驗教學研究，在不增加研究生課業負擔的同時以開放實驗的形式培養研究生的實驗實踐能力和創新思維。

二、 物理仿真實驗平臺的教學內容

以培養研究生實驗技能、掌握現代物理技術及啟迪研究生的創造性思維為出發點，建設成了集基礎實驗技能培養和自由創新實驗技能鍛煉為一體的物理仿真實驗平臺。平臺以網絡平臺和微信公眾號平臺為依托，學生可通過登錄密碼和網址直接登錄系統。物理仿真實驗平臺開設的實驗內容主要分為三個層次，分別是基礎型物理仿真實驗、綜合型物理仿真實驗和設計型物理仿真實驗。

基礎型物理仿真實驗側重基礎物理效應的原理學習，基本實驗儀器的使用方法學習以及基本的實驗數據處理方法學習，設置目的在于通過基礎實驗鞏固研究的知識基礎，具體的實驗內容如落體法測定液體的粘度實驗，邁克爾遜干涉儀使用實驗，分光計的使用實驗等。綜合型物理仿真實驗側重于研究生綜合實驗能力的培養，開設的實驗項目大多包含了對物理現象思考及一些應用型較強的實驗內容，設置目的在于鍛煉學生多思考勤動腦的習慣和嚴謹的科學思維，具體的實驗內容如電阻應變式傳感器特性研究，整流濾波電路的研究，太陽能電池特性研究等。設計型物理仿真實驗注重學生理論聯系實際的實踐能力和創新思維的培養，設置的實驗項目如萬用表的設計，基于熱敏電阻的溫度傳感器設計，偏振光的觀察及實驗設計等。

從研究生本身特點和培養目標出發，物理仿真實驗教學的內容設計遵循“鞏固基礎，綜合實踐，創新提升”的教學思路。鞏固研究生基礎實驗方法和實驗思路，綜合培養研究生遇到實驗問題的分析處理能力，最后結合具體的設計題目鍛煉學生的分析能力、實踐能力和創新能力。

三、 研究生實驗教學模式研究

與本科生教學模式不同，研究生只有第一年是固定的課程教學時間，其他時間需要研究生跟隨導師開展課題式的學習。因此，研究生實驗教學模式不能沿用本科生的固定時間、固定地點、固定內容的教學模式。我們嘗試以開放型實驗教學模式作為研究生實驗教學的主要思路，這也是物理仿真實驗平臺教學的優勢之一，研究生可自由選擇實驗時間參與課程學習，增加了教學的時間維度。研究生可以根據自身條件和日常學習特點，合理安排實驗時間，隨時登陸物理仿真實驗平臺開始實驗課程，同時學生可以隨時做實驗隨時保存，待下次再次參與實驗課程時，繼續上次的實驗內容，將教學時間由固定學時拓展為靈活度更高的自由時間。

物理實驗仿真平臺教學模擬的另一優勢是可以由研究生和導師共同定制實驗項目，打破了實驗室負責教師為所有學生指定統一實驗內容的傳統模式。研究生物理實驗培養與本科生的實驗課程不同，需要指派導師為學生“私人訂制”合理的創新培養計劃，將研究生培養需求與平臺的運行對接。一方面，導師可以根據具體的科研方向，或者導師認為研究生需要掌握得實驗技能，指定有關的實驗項目。另一方面，研究生也可以根據自身情況自由選擇實驗項目。將實驗項目的把控權交給導師或者研究生更有利于對研究生的“個性化”培養，真正實現“因材施教”的教學目標，實現研究生教育的“私人訂制”。此外，物理仿真實驗平臺教學模式不僅對選修實驗課程的研究生開放，有需要的其他專業研究生也可以申請賬號，參與到物理仿真實驗技能練習中，在一定程度上極大地增加了受益學生數目。

四、 總結

基于物理仿真實驗平臺的研究生實驗教學體系打破了傳統實驗教學的束縛，采用三層遞進式的教學內容，鞏固研究生實驗時間基礎的同時，培養分析問題、解決問題的綜合能力。設計型實驗項目更鍛煉了學生的創新思維和科研素養。開放式的實驗教學形式提供了時間自由度更高、內容自由度更高的教學模式。物理仿真實驗平臺的管理運行需要研究生、指導教師和實驗平臺維護人員的共同努力。面向研究生實驗教學的物理仿真實驗平臺教學實現了從實驗教師主導的實驗教學到“私人訂制”式的靈活教學體系，體現了研究生實驗實踐能力和創新能力的培養，能夠幫助研究生更快的參與到導師科研工作中。

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作者簡介：張斯文（1984-），女，河北省承德市人，天津理工大學理學院，副教授，博士，主要從事物理學及相關實驗課程教學科研工作。