應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目式教學(xué)探索

宋淑梅 孫 琿 辛艷青 王昆侖

（山東大學(xué)空間科學(xué)與物理學(xué)院 山東·威海 264209）

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，高校理工科各專業(yè)都會(huì)開設(shè)各種層次和類別的物理實(shí)驗(yàn)課程。通過實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)含的豐富物理學(xué)知識(shí)和思想、物理實(shí)驗(yàn)方法和手段，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和工作作風(fēng)，而且在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、觀察能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、創(chuàng)新能力、分析問題和解決問題的能力等方面具有其他課程不可替代的作用。[1-2]

專業(yè)物理實(shí)驗(yàn)是我校應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)本科生在普通物理實(shí)驗(yàn)及近代物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開設(shè)的一門必修實(shí)驗(yàn)課，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綜合性很強(qiáng)，涉及知識(shí)面寬，專業(yè)性強(qiáng)，旨在通過復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過程，為應(yīng)用物理專業(yè)本科生提供科學(xué)研究的鍛煉機(jī)會(huì)，加深對(duì)大型科研儀器結(jié)構(gòu)的了解和工作原理的認(rèn)識(shí)，拓寬學(xué)生的知識(shí)面，使學(xué)生對(duì)科研實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)和復(fù)雜有切身體會(huì)，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的綜合能力。

1 應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程傳統(tǒng)教學(xué)工作存在的不足

我院應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)所用儀器幾乎全是大型專業(yè)設(shè)備，課程涉及的內(nèi)容廣泛，包括：射頻磁控濺射制備透明導(dǎo)電薄膜、電子束蒸發(fā)法制備多層光學(xué)薄膜、透明導(dǎo)電薄膜快速退火處理、臺(tái)階儀測(cè)量薄膜的厚度、X 射線衍射分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)、掃描電子顯微鏡與X射線能譜儀實(shí)驗(yàn)、電輸運(yùn)測(cè)試綜合實(shí)驗(yàn)、海洋食品的傅立葉紅外光譜表征方法、硬質(zhì)涂層的制備、硬質(zhì)涂層的力學(xué)性能表征等。在多年從事應(yīng)用物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)工作中，我們發(fā)現(xiàn)該課程還存在一些較為明顯的不足，具體包括：

（1）教學(xué)方法單一，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。目前的教學(xué)方式主要是教師講解設(shè)備工作原理、用途和特點(diǎn)等，然后邊演示實(shí)驗(yàn)過程，邊講解設(shè)備操作過程和注意事項(xiàng)等。由于是大型專業(yè)設(shè)備，儀器涉及的原理較難，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精密性高，操作過程繁瑣，需要注意的事項(xiàng)很多，除了個(gè)別操作稍微簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)之外，學(xué)生基本上沒有全程親自動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，因此很難掌握專業(yè)實(shí)驗(yàn)的全部?jī)?nèi)容。由于直接動(dòng)手操作的參與度較低，影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高。

（2）受到課時(shí)限制，教學(xué)效果不盡如人意。目前我們的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，一個(gè)實(shí)驗(yàn)一般安排四個(gè)學(xué)時(shí)，對(duì)于一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)來說，理論部分涉及知識(shí)面很廣，難度大，操作步驟復(fù)雜，學(xué)生很難在上課時(shí)間內(nèi)完全掌握實(shí)驗(yàn)的原理、應(yīng)用范圍、操作過程、注意事項(xiàng)、安全制度等內(nèi)容。例如：射頻磁控濺射制備透明導(dǎo)電薄膜實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生首先要學(xué)習(xí)磁控濺射、射頻磁控濺射的工作原理和特點(diǎn)，旋片式機(jī)械泵、渦輪分子泵、電阻真空計(jì)、電離真空計(jì)等的工作原理和使用范圍。然后，需要了解透明導(dǎo)電薄膜的特點(diǎn)及應(yīng)用等內(nèi)容。最后，需要掌握從更換靶材、襯底清洗、抽本底真空、進(jìn)氣、起輝、濺射、取樣等一系列制備過程。整個(gè)過程需要花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于很多同學(xué)來說，難以在四個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)圓滿完成教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)效果大打折扣。

（3）成績(jī)?cè)u(píng)定方式簡(jiǎn)單，考核成績(jī)難以反映學(xué)生真實(shí)表現(xiàn)。關(guān)于該課程的考核方式，多年來一直是依據(jù)課前預(yù)習(xí)、課堂實(shí)際操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告（包括數(shù)據(jù)處理）三個(gè)方面的表現(xiàn)，按照一定的比例給出學(xué)生該課程的成績(jī)。這種方式很容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)報(bào)告因抄襲而雷同，難以區(qū)分學(xué)生成績(jī)，導(dǎo)致考核成績(jī)與學(xué)生真實(shí)表現(xiàn)往往存在差異，不僅打擊了優(yōu)秀學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)也讓部分同學(xué)鉆了空子、濫竽充數(shù)，最終導(dǎo)致成績(jī)?cè)u(píng)定有失公平。

（4）實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫浪費(fèi)時(shí)間，與教學(xué)目標(biāo)背道而馳。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫環(huán)節(jié)，很多學(xué)生將實(shí)驗(yàn)報(bào)告當(dāng)成是一項(xiàng)任務(wù)，為交報(bào)告而寫報(bào)告。通過網(wǎng)絡(luò)、書籍等渠道搜集資料，生搬硬抄大量實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作過程等內(nèi)容，卻沒有做到真正理解。這樣做不僅抹殺了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且與培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生綜合能力的教學(xué)目標(biāo)背道而馳。

2 應(yīng)用物理專學(xué)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目式教學(xué)探索

2.1 項(xiàng)目式教學(xué)法的特點(diǎn)

項(xiàng)目式教學(xué)法啟源于庫(kù)珀的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)理論和杜威的實(shí)用主義教學(xué)理念，其核心思想是通過真實(shí)問題，捕捉學(xué)生的興趣，喚起其深度思考，在解決問題的情境下，使學(xué)生獲得和應(yīng)用新的知識(shí)。[3]與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相比，項(xiàng)目式教學(xué)突破了傳統(tǒng)的“以課堂為中心，以教師為中心，以教材為中心”的教學(xué)模式，改變學(xué)生被動(dòng)接受教師知識(shí)傳授的學(xué)習(xí)方式為主動(dòng)學(xué)習(xí)方式。通過構(gòu)建開放的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，以“學(xué)生為發(fā)展為中心，以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心，以學(xué)習(xí)效果為中心”，[4]充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用和主觀能動(dòng)性，通過主動(dòng)探索的學(xué)習(xí)方式，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提高學(xué)生專業(yè)素質(zhì)和綜合競(jìng)爭(zhēng)力，培養(yǎng)具有高階思維能力的人才，[3]以滿足當(dāng)今和未來社會(huì)的需求。

2.2 應(yīng)用物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)

2.2.1 制定教學(xué)計(jì)劃

結(jié)合我院應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)方案，修訂專業(yè)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)大綱，重新編排教學(xué)內(nèi)容，重新準(zhǔn)備教案。以一種薄膜材料為主線開展薄膜的制備、性能表征、性能的改善、薄膜材料的應(yīng)用等遞進(jìn)式過程，將孤立離散的知識(shí)點(diǎn)貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，通過解決一個(gè)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的項(xiàng)目，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和理解薄膜物理與技術(shù)、材料性能、材料性能表征等方面的理論知識(shí)和實(shí)踐操作。合理設(shè)計(jì)教學(xué)項(xiàng)目、項(xiàng)目實(shí)施規(guī)劃、項(xiàng)目評(píng)價(jià)機(jī)制等有關(guān)內(nèi)容，保證教學(xué)過程順利進(jìn)行。

2.2.2 規(guī)劃教學(xué)項(xiàng)目

從教學(xué)大綱出發(fā)，考慮學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備與學(xué)習(xí)能力，結(jié)合任課教師的橫向與縱向科研項(xiàng)目，利用實(shí)驗(yàn)室的硬件設(shè)備，將原來的薄膜制備、材料性能測(cè)試等十幾個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)重新整合，設(shè)計(jì)包括研究磁控濺射法制備透明導(dǎo)電薄膜及性能研究、多弧離子鍍制備超硬薄膜及性能研究、電子束蒸發(fā)制備光子晶體及性能研究、薄膜晶體管的制備與性能研究、超疏水薄膜的制備及性能研究等多個(gè)類別的項(xiàng)目。通過項(xiàng)目的實(shí)施，學(xué)生將學(xué)習(xí)到薄膜材料的多種物理氣相沉積法的工作原理與工藝流程、真空技術(shù)、材料結(jié)構(gòu)性能表征、材料表面形貌表征、材料光電性能表征、材料力學(xué)性能表征等多方面的知識(shí)。每個(gè)項(xiàng)目涉及的薄膜材料或者器件在光電子技術(shù)、太陽(yáng)能電池、切割刀具、信息技術(shù)、平板顯示等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，項(xiàng)目?jī)?nèi)容與實(shí)際應(yīng)用緊密相連，這將大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與熱情，學(xué)生的文獻(xiàn)查閱能力、動(dòng)手實(shí)踐能力、思考能力、協(xié)作能力都將得到有效提升。

2.2.3 實(shí)施教學(xué)項(xiàng)目

（1）項(xiàng)目開題：前期指導(dǎo)學(xué)生分組，每組選定負(fù)責(zé)人，組織小組成員進(jìn)行文獻(xiàn)查閱，在某個(gè)項(xiàng)目類別里選定某一種或者兩種具體的薄膜材料，比如透明導(dǎo)電薄膜項(xiàng)目類別里選定銦錫氧化物半導(dǎo)體薄膜、在超硬薄膜類別里選定碳氮化鈦硬質(zhì)薄膜等作為具體的研究材料。學(xué)生在老師的指導(dǎo)和幫助下，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，撰寫項(xiàng)目任務(wù)書、選定研究方法、制作開題報(bào)告陳述PPT 等。在此過程中學(xué)生將進(jìn)行小組協(xié)作、文獻(xiàn)調(diào)研、學(xué)術(shù)型PPT制作等多項(xiàng)訓(xùn)練，也促進(jìn)了學(xué)生對(duì)以往所學(xué)知識(shí)的升華和對(duì)新知識(shí)的探索。

（2）項(xiàng)目實(shí)施：教師合理使用傳統(tǒng)式教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)、個(gè)性化教學(xué)、研討式教學(xué)、[5]線上線下相結(jié)合教學(xué)等多種教學(xué)方法全程指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。建立開放性實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以結(jié)合自己的課程安排，靈活合理地規(guī)劃實(shí)驗(yàn)時(shí)間，合理利用相關(guān)薄膜制備和性能測(cè)試等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，這樣做既可以增加學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，解決之前受課時(shí)限制，教學(xué)效果不理想的狀況，還可以大大增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的利用率，學(xué)生也得到了更多的鍛煉和學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。在項(xiàng)目實(shí)施之初，需要教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行大型設(shè)備的操作，講解注意事項(xiàng)。儀器設(shè)備的工作原理則完全可以交由學(xué)生自行進(jìn)行學(xué)習(xí)、討論與交流，遇到難點(diǎn)則可以隨時(shí)與教師進(jìn)行研討，遇到課余時(shí)間教師不在實(shí)驗(yàn)室的情況，則可以利用線上交流的方式與老師溝通。項(xiàng)目實(shí)施過程中，要定期組織學(xué)生匯報(bào)研究進(jìn)展、展示研究過程，組內(nèi)討論與小組之間的討論。隨著學(xué)習(xí)過程的不斷深入，學(xué)生不僅要制備薄膜材料，還需要思考解決如何提高薄膜材料或者器件的性能。通過項(xiàng)目的實(shí)施，學(xué)生不僅理解了儀器設(shè)備的工作原理、操作方法與步驟，更重要的是鍛煉了思考能力、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題與解決問題的能力。

（3）項(xiàng)目結(jié)題答辯與評(píng)價(jià)：學(xué)期末學(xué)生提交項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告，并組織學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目結(jié)果展示與答辯，同時(shí)給予各個(gè)項(xiàng)目客觀評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方法多樣化，包括教師評(píng)價(jià)、小組自評(píng)、小組互評(píng)等方式，通過小組自評(píng)和小組互評(píng)有效發(fā)揮學(xué)生的主體性與能動(dòng)性。通過互評(píng)實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)主體的互動(dòng)，通過自評(píng)促使學(xué)生更深入的自我判斷、自我歸因、自我反思，從而有效促進(jìn)學(xué)生自我發(fā)展、自我實(shí)現(xiàn)，切實(shí)提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)多維化，教師評(píng)價(jià)考核點(diǎn)包括項(xiàng)目開題、項(xiàng)目實(shí)施、項(xiàng)目答辯等主要教學(xué)環(huán)節(jié)。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)涵蓋學(xué)生報(bào)告書寫能力、學(xué)術(shù)答辯PPT 制作能力、項(xiàng)目實(shí)施過程實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作能力、項(xiàng)目實(shí)施過程分析問題與解決問題的能力等。

3 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)今隨著科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，培養(yǎng)高素質(zhì)人才是教育者的歷史使命。作為高校教師，如何在授課過程中培養(yǎng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力、探索能力、創(chuàng)新能力、分析問題和解決問題的能力是我們必須思考和解決的重要課題。通過應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目式教學(xué)的探究，促進(jìn)該課程教學(xué)方法的改革，正是解決這一課題的有效嘗試。