吴 平 陈 森 张师平

（北京科技大学数理学院，北京 100083）

“现代物理实验”是面向具有一定实验训练基础的物理系高年级本科生开设的一门物理实验课，是物理系本科教学的重要组成部分，实验内容常常具有本系学科方向的印记.同时，高年级学生在理论知识、实验知识和技能方面已经有了一些积累，具备了对他们进行更深入科学实验能力培养的基础.但是限于硬件条件、资金投入等多方面因素，我校前期的“现代物理实验”课程教学存在着一些不足：实验内容以学习和验证相关理论课程内容为主，缺乏一定的系统性和综合性，不利于学生的独立思考和创造性思维的培养；鉴于精密设备的昂贵，代表新理论和先进科学技术的实验项目不能引进到实验课程教学中；实验内容与学科发展、教师科研联系不紧密，实验项目内容先进性、前沿性不够.针对这些不足，基于应用物理学学科特点，结合创新人才培养需求，尤其是拔尖创新人才的培养需要，我们对“现代物理实验”课程的教学模式、内容进行了改革、创新，以适应学科发展和科学技术进步，满足学生接受高水平实验训练的多样化需求.

在我校研究型教学示范课程建设项目的支持下，我们结合物理系的学科优势和物理实验课程教学团队教师多为教学科研双肩挑的优势，提出了基于课题型的研究型实验教学新模式，以缩短实验课程训练与科学研究之间的距离，建立沟通桥梁.以本系学科为依托，设置课程内容和配置仪器设备平台，面向高年级本科生开设出一些反映学科发展热点，内容与科研、工程、社会应用实践紧密联系的研究型实验课题.模拟科学研究过程与环境，以课题为主线，将整个课程的内容串通起来，把学习过程变成学生主动探索与研究过程，激发学生主动学习、主动探索的积极性，培养和锻炼学生的科研能力与创新意识，使学生初步了解科学研究思维方式和方法，提高学生的就业适应面和竞争力.

1 以学科建设为依托，配置开放的通用仪器设备平台

在配置“现代物理实验”课程的仪器装置时，我们尽量避免购置纯教学仪器装置，在经费允许的条件下，购置可以开展一定科学研究工作的仪器装置.将学科建设、修购项目等多个实验室建设项目进行通盘规划，购置振动样品磁强计、高真空磁控溅射镀膜仪、原子力显微镜、电弧炉、阻抗仪、变温霍尔效应特性测量仪、磁电阻测量仪、傅里叶变换红外光谱仪、振动台、拉曼光谱仪等；自制真空变温电特性综合测量实验仪、薄膜应力测量装置等；搭建了4个通用、开放的实验教学设备平台：薄膜样品制备平台、薄膜物性测量平台、表面形貌表征平台、软物质（颗粒物质）实验平台.这些开放的通用实验教学设备平台为基于课题型的现代物理实验课程研究型项目的开出提供了有力的设备保障.

2 以学科建设和发展为基础，设置课程内容

研究型实验课题的恰当选择是达到预期教学目标的关键.课题内容要具有一定的前沿性、综合性、开放性、复杂性.前沿性：课题内容均是目前相关学科研究的热点，学生通过查阅文献和自己的思考可以尝试进一步深入到科研的最前沿.综合性：课题内容涉及多方面的物理知识，学生要对物理概念、物理因素进行学习、思考、选择、比较.开放性：学生需要自己寻找关注点，搭建实验系统，尝试多种实验设备、技术、方案等.复杂性：实验过程中影响因素较多，学生必须对实验结果进行深入分析和探讨.此外，制定课题的研究目标和内容时还需要考虑本科生的知识水平和实验技能基础，既要给学生留下大的发挥空间，课题难度又要恰当，不至于使学生难以上手.我们从几个途径来提出研究型实验课题：（1）以本系学科方向为依托，既可以充分利用教师的科研优势，为课题型实验提供新的选题（选题源泉），也有利于学生未来毕业论文和研究生工作；（2）对当前科学研究与技术发展的前沿课题进行调研，找出科研前沿与课程实验内容的结合点，提炼出反映学科发展和热点的研究型课题；（3）实验教学内容与科研、工程、社会应用实践紧密联系起来，形成良性互动；（4）课题内容也可以由学生根据自己的兴趣阅读文献资料与指导老师讨论后确定.

我们以所建立的通用实验装置和测试方法为实验平台，提炼出一批课题型实验项目.每一个课题型实验都可以让学生经历一个从文献阅读、具体研究问题的提出、研究方案设计、实验、分析讨论与总结的完整的研究过程，并在这个过程中掌握相关的仪器设备与测试方法的原理与使用，从而以课题型实验项目将整个课程内容串通起来，将学生的传统学习方式转变为主动探索学习.由于实验平台的开放性和通用性，也允许同学自行提出和展开更多课题型实验项目.例如，从长期研究的科研课题中提炼了磁电阻薄膜制备与磁电阻特性研究、梯度薄膜的制备与应力研究，透明电极材料电学性质的研究，高K介电薄膜材料介电特性研究，陶瓷薄膜材料的制备及电绝缘特性研究，单斜相氧化铒薄膜红外特性的研究，硼元素在晶界的非平衡偏聚的研究等课题型实验项目.在实验项目开出之前，我们对每个实验项目都进行了深入研究和实践，确保课题的研究内容难度恰当，既给学生留下大的发挥空间又不至于难以上手.同时，这些选题也是物理、材料研究领域颇受人们关注的热点问题，实验教学内容与科研、工程、社会应用实践联系比较紧密，实验中所涉及的内容、实验方法、测量仪器的原理与使用、实验测量数据的分析以及相关技能等与学生未来的工作和就业适当接轨，有助于学生将来在企业以及科学研究单位从事研究开发工作.

3 精心策划教学组织过程，把学习过程变成学生主动探索与研究过程

在实验教学过程中，引入了“文献观点－相关条件－现实条件－新的观点”的行动路线图，每个实验项目为学生提供如表1所示的项目任务书.学生需要根据项目任务书的要求查阅文献，提出具体研究方案，完成实验内容，分析总结以及进行成果展示等.这样的教学过程注重培养学生文献查阅、分析归纳总结能力、提出和分析问题的能力、成果展示能力，促进学生形成批判性、创造性的学习习惯，还有助于潜移默化地进行人格培养，包括求真务实的态度、坚韧不拔的毅力等.

这样的教学模式使教学活动始终以学生为主体来进行，使学生由知识的被灌输者成为知识的主动建构者，让学生经历了一个课题研究的全过程，包括选题、实验条件准备、实验研究实施、数据处理分析、总结、撰写研究报告、答辩等环节.学生在一个较长时间段内处于科学研究氛围当中，在他们满怀兴趣的探索过程中，学习了相关理论知识与科学研究方法，掌握了相关仪器设备与测试方法的原理与使用，经历了科学研究训练，培养了科学研究意识与思维，具备了基本的科学研究实验能力.

表1 课题型实验教学具体案例

课题型实验项目以小组团队协作方式进行，每组3人左右，充分发挥学生的自我组织、管理能力.课题由组长负责研究过程的组织与实施，小组定期与教师研讨，明确各阶段课题所要掌握的理论知识和课题所要完成的具体研究内容与要求，组员分工协作，发挥每一个人在小组中的特长，既独立完成各自的任务，又要共同协调相关问题，以此培养他们的独立性与责任心、交流与合作能力.

实验室全天开放，给学生提供需要的科学实验环境，课题小组利用实验室通用、开放的实验设备平台搭建实验系统，完成样品制备、数据测量与分析工作.在条件允许的情况下，也可以调配、补充配件，让学生搭建他们需要的实验条件.

教师每周与学生开研讨会，检查课题进展，进行综合讲评，指导学生解决实验中遇到的问题；各课题小组也要作交流报告，讨论解决实验中遇到的难点问题，最后完成研究报告和答辩.

4 全过程综合评价体系

对于基于课题型的研究型实验教学模式，我们建立了全过程综合评价办法.从学生选择课题难易、文献总结、实验方案、仪器搭建、实验操作、数据处理分析、报告论文、答辩等各个环节进行全过程评价，给定每组的实验成绩.进行全过程评价时有3个强调：（1）强调能力，主要考核学生提出问题、分析解决问题的能力，团队协作能力，成果展示能力等；（2）强调创新，考查学生在课题型实验中表现出来的创造性意识和思维；（3）强调新思路、新观点、新方法.

每个协作小组内，采取自评和互评相结合的方式，每位学生对自己和小组其他成员对课题贡献的大小进行排序.

最后，指导教师综合每个课题组的成绩、每个学生排序情况、平常表现等确定学生个人成绩.

5 教学实践效果

基于课题型的研究型实验教学已经在我校三年级学生“现代物理实验”课程教学中实施多年，每年大约有16～45名本科生参加.教学实践结果表明，这种教学模式有助于学生创新思维的形成，有利于提高学生的实验设计、实验操作、数据处理、分析解决问题的能力，尤其是能够促进学生的学习主动性和科学研究意识、社会能力的培养.

自2011年以来由本课程研究型实验进一步发展而获得的研究结果在学术期刊发表论文7篇.2011年、2012年学习“现代物理实验”课程的部分同学，在申请出国、保研以及参加北京大学夏令营、中科院研究生院暑假学校时，介绍了他们在基于课题型的研究型实验中所做的工作和收获，他们的实验能力和科学素养得到相关老师的认可，有9名同学获得北京大学研究生免试资格，6名同学获得中国科学院研究生免试资格，8名同学获得北京师范大学等重点高校研究生免试资格，1名同学被美国芝加哥大学物理系录取.

实施基于课题型的研究型实验教学，不仅要求教师必须从事科学研究，还需要得到实验室技术人员的大力配合与奉献，满足学生在课程计划学时之外的时间进行实验的要求.此外，这种教学模式比传统教学模式更具挑战性，除了课内计划学时外，学生还需要较多课外时间阅读文献，制定研究方案，做实验，分析处理数据，撰写研究报告等，有进一步深造愿望、成绩优秀的学生多愿意选择这种教学模式.

6 结语

（1）课题型的实验教学模式是一种可以在高年级学生实验课程中采用的研究型教学模式.

（2）课题型的实验教学有效促进了学生的自主性、创造性学习活动.

（3）课题型的实验教学强化了学生科研思维能力、团队协作能力、成果展示能力的培养.

［1］ Pei Y L，Wu P，Li X F，et al.Sputtering Power on electrical characteristics of Er，Ti co－doped HfO2films［C］.ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress ＆ Exposition，2011，Denver，USA.

［2］ 陈森，张师平，吴平，等.热处理及厚度对Co90Fe10薄膜磁电阻的影响［J］.实验室科学，2012，15（6）：90－93.

［3］ Xie Z A，Wu P，Zhang S P，et al.Separation patterns between Brazilian nut and reversed Brazilian nut of a binary granular system［J］.Physical Review E，2012，85：061302.

［4］ 陈森，张师平，吴疆，等.光电倍增管光谱特性实验设计［J］，大学物理实验，2013，26（1）：27－29.

［5］ 张师平，陈森，朱少奇，等.利用红外光谱测量氮化镓薄膜的载流子浓度和迁移率［J］.物理实验，2013，33（3）：4－6.

［6］ 陈 森，张师平，吴平，等.磁场退火温度对Ni80Fe20薄膜磁畴结构的影响研究［J］.实验技术与管理，2013，30（3）：56－59.

［7］ Xie Z A，Wu P，Wang S，Huang Y M，et al.Behaviour of a Binary Particle System under the Effects of Simultaneous Vertical Vibration and Rotation［J］.Soft Matter，2013，9（20）：5074－5086.

［8］ 黄峰，常清荫，贾贵儒.在近代物理实验中积极开展研究型教学［J］.物理与工程，2008，18（3）：27－29.

［9］ 何文森，杨华军，江萍，等.对“空间光通信创新实验”课程进行教学研究型改革与实践的探索［J］.物理与工程，2013，23（3）：41－44.