以物理实验为平台培养创新型人才

2013-08-15郇维亮

实验技术与管理 2013年8期

郇维亮，李志，徐崇

（辽宁科技大学理学院，辽宁鞍山 114051）

高等教育的快速发展，为我国经济社会的健康和可持续发展作出了巨大贡献，但是高等教育质量还不能满足经济社会发展的需要。如何培养具有创新意识、创新精神和创新能力的高素质人才，已成为高等教育的紧迫任务［1－2］。物理学是一门实验科学，大学物理实验是我国高校理工科各专业必修的公共基础课［3］，在培养学生独立思考、动手操作、观察记录、综合分析和解决问题的能力等方面起着非常重要的作用。但作为一门基础课，它的一些实验题目过于传统和陈旧［4－5］。

近年来，辽宁科技大学物理与计算科学实验中心在教学改革实践中以物理实验为平台，深入挖掘传统实验的深刻内涵，走出了一条具有自身特色的培养创新型人才之路。

1 改革教学模式

1.1 建立有利于创新型人才培养的教学模式

我校开设大学物理实验课的专业有36个，涉及的专业面广，学生人数多，程但是知识基础参差不齐。经过几年的研究和实践，我校物理与计算科学实验中心针对学生特点，构建了分单元、分层次、适合不同学生的基础及能力、紧密结合学校办学特色的大学物理实验课程体系，使学生的实验能力循序渐进地得到提高，为后续的专业实验奠定一个良好的基础［6］。

所谓分单元，就是将所有的工科专业分成A单元和B单元，每个单元实验题目各不相同，各专业根据自己的专业特点选择A单元或B单元。在实验内容安排上，不同的专业侧重面有所不同，例如建筑专业的力学实验可多些，而自动化专业的电子、电路实验可多些，结合专业特点，强调物理知识的具体理解和应用［7］。

每个单元的教学又分为4个层次，由浅入深分别是：基础性实验，提高性实验，综合设计性实验和开放性实验。

（1）基础性实验注重教师的讲授和辅导，使学生能够很快地了解和掌握物理实验的基本要义，严格遵守实验室规范，养成良好的实验习惯。基础性实验需要严格训练，以培养学生的动手能力和严谨的科学态度。

（2）提高性实验多采用启发式教学，课堂上不需要面面俱到地讲解，有些内容点到即止，留给学生更多的思考空间。

（3）在综合设计性实验阶段，实验室为学生准备若干设计性实验题目，学生选择其中的一个实验题目并提出设计方案，教师审查设计方案，针对其中的问题提出修改意见，由学生最后完成实验。学生最后提交的综合设计性实验报告要以科技论文的格式书写。综合设计性实验需要学生活学活用知识，着重考察和培养学生的综合素质和能力，包括自学能力、文献检索能力、创新能力、科技论文写作能力等［8］。

（4）开放性实验的题目不是学生必修的内容，而是面向一些对物理实验特别感兴趣而且有较强实验能力的学生开设的。题目可以由学生自拟，也可由实验室给出。学生利用课余时间完成实验，经过答辩合格的学生，其期末成绩可以得到一定的加分。由于学生可以自由选择感兴趣的实验题目，因此积极性很高，而且更容易取得较好成绩。例如：我校07级一位学生根据开放实验题目完成了“西林电桥测量电容方法的研究”，论文已发表在2010年的一个省级期刊上［9］。

1.2 以传统的仪器启发学生发散性思维

一些比较传统的物理实验题目，我校已经开设多年。有人认为传统的物理实验对培养学生的创新能力不太可能有什么贡献，但事实并非如此。

例如：我校应用物理09级一位学生在做“电子示波器的调节和使用”这个传统实验时，看到利用电极板可以控制电子束的偏转，电子束打在荧光屏上产生光点，他想到利用光电转换可以把光信号变成电信号，从而完成一个自动控制电路来实现对洗衣机注水量的控制。虽然这位学生的想法显得有些笨拙，甚至是“用大炮打蚊子”，但教师并没有简单地否定他，而是提示他可以将控制电路用到温度控制等其他方面。在教师的帮助下，学生组成了一个兴趣小组，利用课余时间进行探讨和研究，终于设计出了烟草自动烘干机，此项作品获得辽宁科技大学首届金蝶杯创业团队大赛三等奖。在此基础上，学生们经过进一步钻研，设计出了“智能控温仪”，并获得在第八届“挑战杯”辽宁省大学生创业计划竞赛三等奖。

又如，我校资源与土木工程学院的一位学生在做“液体表面张力测量”实验时，看到液体被铝环拉伸时，液体表面形成的凹面与金属棒被拉伸时形成的凹面很类似，便提出它们之间的力学规律是否也类似的问题。在教师的鼓励下，她查阅了大量资料并反复进行了实验，在取得测量数据的基础上，与教师一起完成了论文“塑性固体和液体拉伸实验的比较”，该论文发表在一个省级刊物上［10］。

还有一名化工学院的学生在做“液体表面张力测量”实验时，发现提拉金属环的速度对测量结果影响很大，而人力提拉金属环的速度很难控制，导致每次测量的结果都不相同，他想到通过一个管道缓慢放出液体而降低液面高度，这样更加容易控制。该学生将实验仪器进行了改造，收到了很好的实验效果，并写出了论文“液体表面张力系数测量实验的改进”，在一个省级刊物上公开发表［11］。

2 参与科研训练

2.1 实施大学生科研训练计划提高学生的创新能力

辽宁科技大学每年都有大学生科研训练计划，实验中心鼓励实验指导教师积极申报科研训练项目。

2011年我实验中心有3个项目获得学校的立项。这些项目能够充分利用物理与计算科学实验中心的师资、教学资源和科研资源，营造不同学科交叉、复合的氛围，因材施教；能够培养大学生严谨的科学态度、创新意识、创业和团队合作精神；能够提高大学生科学研究能力、创新能力和实践动手能力；能够使学生接触与掌握学科发展前沿信息和动态变化。一些项目在仪器设计开发阶段就让学生参与进来，这样使学生能够完整地了解一个科研课题从立项到实施以及结题的全过程。

学生所受的训练并没有固定的模式，而是随着科研的实际情况充满了变数。学生看到了科研工作更真实的一面，这对培养学生的科研能力和毕业后的工作适应能力都是十分有利的。

由于本科生平时接触科研的机会比较少，亲自参加课题研究的机会更少，因此，学生都非常珍惜这样的机会。为了完成科研课题，每个本科生都在课堂教学内容的基础上，自学大量的课堂上没有涉及到的内容，并灵活运用。在这一过程中，他们提高了分析问题、解决问题的能力，提高了创新能力、自主学习能力，也培养了战胜困难的毅力，初步形成了良好的学习和研究习惯［12］。他们利用课余时间，全身心地投入到课题研究中，取得了较好的成绩。

例如大学生科研训练计划项目“测量固体导热系数实验仪器改进”，已公开发表了2篇科技论文，分别是物理09级一位学生撰写的“导热系数测量实验中平衡温度的测量技巧”和热能10级一位学生撰写的“基于VB6.0的固体导热系数数据处理系统”［13］。另一个大学生科研训练计划项目“检流计偏转格数与电桥灵敏度关系的研究”，也有学生撰写的论文“用实验方法探讨检流计偏转格数与电桥灵敏度的关系”发表在《大学物理实验》上［14］。上述2个大学生科研训练项目分别获得了校二等奖和三等奖。

2.2 自制仪器设备，开发培养学生创新意识的新题目

近些年，学校鼓励各实验室自制教学仪器设备，一方面可以为学校节省购买仪器设备的经费，另一方面可以增加一些综合设计性的实验题目。物理与计算科学实验中心的教师在完成教学工作以外，积极投身这些创新工作。近2年实验中心有3项自制仪器设备项目获得学校的批准和资助。

为了能够完成这些项目，实验中心全体教师的积极性都被调动起来，认真研究、群策群力，实验中心的工作更加充满活力［15］。

这些项目有的可以吸收学生参与，作为大学生科研训练计划的内容，如大学生科研训练项目“利用迈氏干涉的方法测量金属热膨胀系数”就来自于物理与计算科学实验中心自制仪器项目“金属热膨胀系数干涉测量仪研制”。该项目的完成，实现了由验证性实验题目转化为综合性、设计性的实验题目，提高了综合性、设计性实验的比例。

有些自制仪器设备项目可以作为应用物理专业学生的毕业论文题目，既能丰富学生毕业论文选题种类，也能帮助教师完成了自制仪器设备项目，是一个双赢的结果。例如：物理06级一位学生2010年的毕业论文选题“地磁场测量的实验研究及系统开发”就来源于实验中心一位教师的自制仪器设备项目“巨磁阻效应的弱磁场测量仪”。该学生的毕业论文被评为理学院优秀毕业论文，指导教师也被评为院级优秀指导教师。通过自制仪器设备，既锻炼了实验室全体人员的能力，为学校节约了5万多元资金，同时也增强了实验室队伍的凝聚力。

2.3 将教学实验项目与国家级科研项目联系起来

我实验中心有两套“金属纳米粒子制备试验仪”，可以利用蒸汽冷凝法制备纳米粒子。但是，该仪器制备的纳米粒子稳定性比较差，主要用于应用物理专业开设近代物理实验。而我校纳米材料研究中心是省重点实验室，研究人员以物理教师为骨干。我实验中心也有一些教师加入到其中的科研团队，承担一些国家自然科学基金项目和国家“863”项目。我实验中心把原来一个单纯金属纳米粒子制备实验扩展开来，讲授纳米材料中心的化学沉淀法、水热合成法制备纳米粉体技术等内容，使学生获得的知识更加全面，也容易获得好的成绩。

我校应用物理07级的一位学生毕业论文的选题就是我实验中心的纳米粉体技术。通过教师的精心指导和学生个人的努力钻研，该学生的毕业论文《镧钴掺杂锶铁氧体纳米粒子的制备及性能研究》获得了2011年校级优秀毕业论文，指导教师也获得了校级优秀指导教师。学生本人还考取了北京钢铁研究总院的研究生，研究方向仍为纳米材料技术。另有一位物理07级学生的毕业论文选题也为纳米技术，他所参与撰写的论文“稀土掺杂BTO基纳米陶瓷的制备及介电性能”在2012年的某中文核心期刊上发表［16］。

3 结束语

21世纪，中国的崛起是不可阻挡的，高等院校培养大学生的创新意识是责无旁贷的。作为公共基础课的物理实验如何能够发挥自身优势，克服自身的不足，在培养学生创新意识和创新能力方面找到一条可行之路是每一个物理实验教师应该思考的问题。在这方面我实验中心的教师进行了一些大胆的尝试，取得了一些成绩，仅希望以此经验为其他院校的实验室建设工作提供一点参考。

（References）

［1］曾秀琼，赵华绒，王国平.化学实验教学课程体系的新发展及其实践［J］.实验技术与管理，2012，29（8）：4－7.

［2］董汇泽，田春山，李会山.构建新型物理实验教学模式［J］.实验技术与管理，2006，23（2）：11－13.

［3］杨凯华，高凤英.我国大学物理实验教学改革研究的几点思考［J］.高等理科教育，2008（4）：101－104.

［4］张艳亮.大学物理实验实施探究式教学的探索［J］.大学物理实验，2009（9）：104－105.

［5］张朝晖，吕斯骅.综合物理实验和研究性创新物理实验的建设［J］.大学物理，2009（11）：48－49.

［6］王阳恩，徐大海.地方高校物理实验教学改革与实验中心建设［J］.实验室研究与探索，2011（9）：255－257.

［7］肖文波，何兴道，邓懿媛，等.大学物理实验教学与创新能力培养的讨论［J］.大学物理实验，2010（2）：83－84.

［8］刘燕，周岚，胡经国.大学物理实验教学改革的探索与实践［J］.实验室研究与探索，2009（11）：171－173.

［9］徐崇，丁春天，史韡朝.西林电桥测电容的方法研究［J］.大学物理实验，2010（2）：47－49.

［10］冷雪松，俞清荣，郭宏云.塑性固体和液体拉伸实验的比较［J］.实验科学与技术，2006（5）：29－31.

［11］徐崇，刘哲语，郇维亮.液体表面张力系数测量实验的改进［J］.大学物理实验，2005（4）：7－10.