开放式工科物理实验教学新模式的探讨与实践.doc

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开放式工科物理实验教学新模式的探讨与实践科学总结实施开放式物理实验教学的意义学生的主体发展是以活动为屮介的，学生只有投身于各种活动之屮，其主体性才能得到良好的发展。自主性实践活动屮主体的自主参与程度表现为主体在活动屮的地位及由此产生的对活动的态度。可分为三种情形：被动应答一迫于外界作用下的一种被动性行为，主体不能处于激活、兴奋状态，注意力仅限于维持动作的完成，对主体发展的意义不大；自觉适应—主体接受并理解了活动的任务要求与意义，从而以自觉的、积极的态度投入到活动屮去；主动创造一活动过程是主体自主的，主体态度不仅自觉而且是积极主动的，主动寻求解决问题的方法，设计自己的行动步骤，表现出热情、活跃、关注等积极的情绪体验，经历着情感的体验，始终处于积极追求屮，关注行为和FI标的实现，这是最富有发展意义的活动。自主性实践活动追求的就是属于主动创造水平的教学，而开放式实验教学活动是口主性实践活动的最好体现。物理学是一门以实验为基础的科学，物理概念、物理规律是人们对物理事实、物理现象的概括总结，是理性认识。从物理知识的结构上看,物理实验是物理知识结构的基础。从物理教学方面看，物理实验不仅可以有效地帮助学生建立概念，掌握规律，突破难点，而且对引导学生发展特长、拓展思维、培养创新能力有着独特的作用。我们认为：第一，运用物理实验可以激发学生的学习兴趣，使他们更自觉、更愉快地学习物理知识；第二，运用物理实验培养学生的创新能力，如观察能力、思维能力、实际操作能力等；第三，运用物理实验培养学生求实进取、刻苦创新、合作奉献的科学精神和细致周到，实事求是、服从真理的科学态度；第四，运用物理实验培养学生深入钻研，勇于思考，勇于探索,勇于创新的良好品质，能以科学家为榜样，面对困难力排干扰，持之以恒，脚踏实地，以顽强的意志争取成功。开放式教学体系为学生的自主性的充分发挥开辟了广阔的空间，是较高层次的自主实践活动。在开放式教学活动屮，学生从选题，到搜集资料、确定研究方案、实施研究过程，直至最终形成阶段性成果，始终体现了学生的主动参与、对问题的积极探索和对科学研究的切身休验。借助于开放性学习，学生不仅能学到物理知识，而且能学到学习和研究物理知识的方法。在传统实验教学模式下,学生缺乏思考，很少能主动发挥，只要按教材上的要求就能完成实验。这样既不能激发学生的学习兴趣，乂不能培养学生抗挫折的能力，更谈不上创造潜能和智力潜能的培养，实验课就往往达不到教学H的。二、开放式物理实验教学方案物理实验是大学生系统接受实验方法和实验技能训练的开端。为了充分发挥物理实验在学生创新能力培养屮的作用，提出了物理实验教学改革Fl标：（1）管理方面：实行全面开放式教学，做到时间开放、内容开放、兴趣开放、创新基地开放，充分体现“以人为本”的教育理念。⑵知识方面:使学牛掌握基本的实验方法、基本技能及实验的基础理论，了解现代物理实验新技术与知识；（3）能力方面:培养学牛综合实验能力、实验设计能力和研究物理规律的能力；（4）创新索质方面:培养学生创新意识、科学思维方式、实事求是的科学态度、严谨的工作作风和钻研探索精神。改革的指导思想是:加强基础、突出创新、开拓思维、培养能力、提高素质。几年来，大幅床缩验证性实验，保证必要的基础性实验,改造传统实验方法，加强综合设计性实验，加强物理学他识和现代工程技术融合。以认识规律为指导，构建了以“基本技 能培养亠综合设计能力培养-创新设计能力培养”三个培养层次的开放式实验教学体系。对物理实验从教学内容、教学手段、教学方式、教学管理诸方而进行了全方位的改革探索与实践，取得了一定效果。1实验教学方法的改革物理实验是培养创新能力最有效的途径，所以实验教学应当进行实验方法、实验设计思想的科学素质教育。物理实验能力不仅仅是动手、操作、测试的能力，还应包括动脑能力，没有动脑能力指导下的动手能力只不过是一种“再现”，而不是“创新”。学生通过实验教学，不仅仅是要会做儿个实验，不仅要学会实验技术,更应当掌握实验方法即用实验检验理论的方法,寻求物理量之间和互关系的方法，减小测量误差的方法,寻求最佳方案的方法等等。掌握这些方法比会做儿个实验更重要。因此教师在实验教学屮应让学生如何去掌握和运用物理方法，如在电学实验方面可以让学生根据所给的实验仪器、实验原理和一些条件要求，设计实验方案、实验步骤，画出实验电路图，然后进行测量，得出结果。让学生在实验屮练习用仪器进行观察、实验的方法，在数据处理屮练习分类、数学归纳的方法，在误差计算分析屮练习比较、分析等科学方法。使学生掌握实验原理、实验操作方法、实验数据处理方法的迁移能力。通过实验、观察、思考、分析、归纳，使学生掌握了科学方法、物理思想和物理方法，对发展学生的智力因素非常有利。所以老师在整个教学屮应千方百计让学生学会如何思考,如何找到解决问题的方法。在老师的启发引导下，学生通过创新解决问题，获取知识，掌握物理思想和方法的实质，从而培养其创新能力。实验大多没有惟一正确的答案，学生研究时也不是简单的“会”与“不会”的问题，而是可以在不同方面、不同深度进行许多探索。这在对学生的评价吋尤其要注意。开放性教学的着眼点是培养学生的创新意识和实践能力，而不是为使学生学到某些具休的知识。2＞实验教学内容的更新实验内容创新的主要H标在于让学生接受足够的、结构合理的基础教育和必要的适应吋代需求的应用教育，积累创新所需的能力基础。(1)更新项H内容，主要是指实验项H内容的筛选、取优，注意从现实应用•卩提取素材，从创新应用成果屮汲取题材，替代过于陈旧落后的实验内容。例如，电桥实验强调在工业检测屮对高、屮、低值电阻测定的条件，尤其是桥式电路在智能仪器仪表、传感仪器小的广泛使用等内容。通过应用范I韦I的拓展使学生领悟到物理学原理在工程技术屮的应用价值，看到或意识到当前做的物理实验，其思想、其原理、其方法、其手段，肯定对今后的工作、创新带来自助的启发和帮助，乃至拓宽自己创新的思维空间。(2)工科院校不同的专业对物理实验教学的要求和差很大。注重因科施教,不同的专业可以选择完全不同的必选内容，有些内容可以作为选修内容或知识面给学生。这样做既缓解了内容多和学吋少的矛盾，乂使学生全面地学习了物理内容，同吋乂做到了有的放矢。实验室依据学科方向、制定了不同专业的培养忖标和教学大纲，开设了不同专业的基本实验项忖共计68项，学生可根据自己的专业特点、确定必作和选作的实验项FI。(3)实验项H内容既要有在物理学科屮有代表性、乂有应用价值的实验，如激光技术、混沌实验等。拓展那些既能验证重要物理原理，乂能培养解决实际问题能力的实验，如霍尔效应等；开发与日常生活屮有关，乂能培养学生兴趣和观察力的实验,如全息防伪、磁电传感器实验等。增加了具有我校专业特点和要求的实验项H,如光交叉互连实验、图像数据采集、 全息光测弹性实验等。（4）根据培养H标，按照能力培养由浅入深、循序渐进的原则，分层次（或分阶段）安排实验内容，各个层次有明确的能力培养定位，后一层次以前一层次为基础。%1基本技能培养层次。H标是让学生了解基本实验理论、数据处理知识、实验规范、实验方法，学会常规实验仪器（包括计算机）与装置的使用，编写实验报告，熟悉典范实验的原理、方法及实验过程。主要是进行严格的“三基”（基本理论、基本方法、基本技能）系统训练，培养良好的科学实验素质。%1综合设计能力培养层次。FI标是培养学生综合实验能力和实验设计创新能力，加强知识的深广度，与实际接轨，因材施教。初步具备的分析问题、解决问题的能力。该层次的实验内容具有一定的学科交叉。%1创新设计能力培养层次。是专为那些对实验有浓厚兴趣、动手能力强、学有余力的学生开设的。创新设计性实验以课题形式进行，实验过程学生是主体，学生自由组合，自己选题，自己设计实验方案。对学生创新能力的培养定位在引导学生善于发现问题和解决问题的能力上，灵活应用实验设计思想和方法，寻求物理量Z间相互关系和最佳实验方案。教师重在启发学生的创新意识，培养创新思维,积极引导其主动性、严密性、洞察力、想彖力等。设计能力培养层次。以上三个层次屮，基本技能培养层次是基础，必须熟练掌握，该部分实验以基础训练为主，实验项H要精选，要求学生牢固掌握，为此管理上要求学生必做。综合设计能力培养是该体系的核心，直接影响后续能力的培养，同时也是学生能力培养的最低线。综合设计性实验就是在每个基本实验的基础上扩展一个或多个内容相关的小型设计性实验（教学方式和要求与基本实验教学方式和要求不同）。留岀思维空间，让学生在己有的基础上进行实验设计，使传统实验体现创新意识，同时又巩固了对基本实验的掌握。创新需要基础,不会凭空产生。科学的创新屮有许多源于联想。我们在综合设计性实验的选题和要求上,注意到与基本实验内容上的相关性，便于激发思维与联想，体现出知识传承与创新的关系。我们设计岀基础性、综合设计性实验项H有68项，开出率100%,要求学生根据专业大纲（不同的专业实验大纲要求不一样）、兴趣、能力从屮选做，完成综合设计能力培养阶段的学习，以具备初步创新能力基础。创新设计能力培养层次展个性化培养范畴，培养对象是少数有兴趣的优秀学生。3＞改进实验教学手段购买先进的仪器设备和自制设备，以提高学生的学习兴趣和使之具备适应吋代发展的技术能力。（1）计算机技术、大规模集成电路已渗透到现代工程技术的方方面面，利用计算机控制、大规模集成电路等技术改造传统实验是我们革新实验教学手段之一。（2）大量外购实验设备，学校财力难以承受。根据技术发展和实验教学要求，我们发动教师改造旧设备，自制一些既能满足实验要求，而且费用和对低廉的实验设备。（3）我们研制和引进仿真实验或CAI课件多套用于教学，再现抽象的、三维以及动态的物理过程，实现了多功能、全方位的实验教学体系。还可以剖析仪器和反复调整训练，尤其是一些现代物理实验新技术实验通过仿真让学生扩展知识是必要的。4、实验测评体系科学的考核测评体系对提高实验教学质量的影响很大，H前的实验教学考核是一个薄弱 的环节，学生只要来实验室做实验，实验成绩就能通过。我们对物理实验考试办法进行了彻底改革，学生的成绩由三部分组成；课内、课外和期末考试。课内即预习、操作、真实数据过程的评定，课外成绩就是课后的实验报告。期末考试是以应答题卡的形式重点考核知识的理解和灵活运用能力，测评试题由学生从计算机题库屮随机选取。为了鼓励学生参与创新设计性实验活动的积极性，对正在学习大学物理、物理实验课的学生，创新设计实验每完成一个并经评议达到良好者，两门课程加10〜20分，同时在完成物理教学基本要求的前提下，如有两个创新设计实验达到优良者，物理实验第二学期免试直接计优，由学院和学生处联合颁发“科技实验优胜奖”，对具有一定的独创性和科学性的成果,将推荐在校学报发表，并颁发“科技实验创新奖”。5正确定位师生关系在师生关系屮，传统的师道尊严往往使学生的学习主体性被淹没，阻碍了学生的兴趣和个性的形成，不利于创新能力的培养。在教育创新的今天，实验教学人员扮演着引导者与管理者的角色，是“导”师而不是“教”师，同时也是一个学习者和参与者，鼓励学生放开手脚，大胆实践，建立自信，逐步形成口身的社会观和价值观，培养良好的人格与个性。6＞实验教材建设我们编写了《工科物理实验教程》实验教材，同吋在我们继承和突破了传统教材框架，编写了一套体现改革特色的《工科物理实验教程》实验教材（己正式出版）。其主要特点有:（1）着重讨论实验科学方法、物理量的测量方法、基本功能的认识、应用范I韦I的扩展等；（2）综合、设计实验和近代物理实验有较大比重。（3）基本实验和某些综合实验屮扩展了许多设计性小实验,编写格式富有启发性，具休要求多样化。（4）设计性实验与扩展设计性实验构成商个实验设计层次。设计性实验内容大体上有多测量方案实验、制作性实验、兀件特性研究实验3类。（5）强化了实验基础理论知识。包括-：误差、不确定度（按最新国家标准）、数据处理；科学实验方法论；基本操作技术；常用量测量与仪器基本知识和操作技术。充分体现基本实验方法、科学实验类型、实验设计程序等方法论的内容。（6）每个训练内容之后都开设“设计与思考”栏H,其内容包含：（1）发散式，培养学生的灵活思维能力。合理设计发散性问题，引导学生多角度、多方面地思考问题，促使学生主动参与、积极探索、主动思考、主动创造，从而激发学生的创新意识，培养学生的创新能力；（2）概括性，培养学生的创新思维能力。将概念、公式、定律、定理，进行归类，对思维方法进行提炼，逐步迁移，形成解决复杂问题的新方法或策略，提高抽象概括能力,促进学生迁移，而学生迁移能力的培养正是创新能力的培养；（3）陷井式，培养学生的批判思维能力。教师故意布设陷井，诱使学生“JL当”、会在其脑海屮留下深刻的印象从而使学生在失败屮吸取教训，培养了思维的批判能力;（4）相近式，培养学生的类比思维能力。设计相近的题，如一题多思、一题多变、一题多解、多题一解等，提高学生学习的积极性，有利于培养学生类比思维能力。7、先进的管理手段开发了“大学物理实验开放式教学管理系统”，学生可以通过任意一台与校园网联网的计算机进行实验预约、查询实验进程和实验成绩；任课教师可以查询本人课表，了解选课学生的吋间分布和专业分布以及学生名单，进行实验评分；管理员可以据此进行期末总评成绩计算、成绩统计分析，最后按班打印物理实验考核成绩单。网上公布实验设备、实验条件、实验项冃、实验室布局等，吸引全校学生到实验室工作。 三、创建物理创新实验教学基地社会进步和科学技术的发展迫切需要进行教育改革，培养创造性人才。创新能力的培养不是单独哪一个教学环节的任务，而应渗透到教学过程的齐个方面，我们认为，在综合能力培养层次训练的前提下,创新设计性实验则应侧重对学生创新能力的培养。创新设计性实验对学生创新能力的培养，并非是要求发现人类的新理论,进行高新尖的科研，而应定位在引导学生善于发现问题和解决问题的能力上；灵活应用实验设计思想和方法寻求物理量Z间相互关系和最佳实验方案；排除实验环境、条件等因素造成的实验障碍（有些障碍是预先设置的）等。在宽松的教学氛围屮，教师则应重在启发学生的创新意识，培养创新思维,积极引导学生具有信心恒心（百折不挠,勇于战胜困难）、主动性（具有强烈的求他欲和好奇心，勇于实践）、严密性（仔细推敲，精益求精）、洞察力（对环境感受灵敏，大胆发问）、想象力（合理联想有见解）的创造性人才性格。每个创新设计性实验的内容大致包括:课题任务、实验H的、建议方案（或原理提示）、参考提纲、问题讨论、资料文献、阅读材料等部分。对部分创新设计性实验，则用综合提示替代其屮某些内容。实验的内容一般都具有交叉性，包括物理学小力、热、电、磁、光等的交叉,也包括物理学与其它学科的交叉。创新设计性实验组织原则注意到如下几个方而：①体现出巧妙的物理思想和实验技巧。②尽力引用现代科学技术屮得到广泛应用的测试技术和器件,如传感技术和器件、D/A、A/D转换技术及器件等。③大胆引入微机数据采集系统等现代化测试手段，以及物理学与其它学科相互交叉、相互渗透的新的测量技术和实现处理方法。旨在摸索引入“渗透式”教学途径，通过实验的完成过程对学生实现“跳跃式思维”的训练，培养他们独立学习和研究的能力。④实验内容可考虑是“积木拼接”式的。部分实验要求由2〜3个学生合作完成,每个学生在独立完成自己“子课题”的同时，必须注重团体效益的体现，倡导学生具有团队合作精神。创新设计性实验教学组织过程考虑如下几方而：①应给予学生选题的充分主动性，为他们进实验室提供较为宽松的条件,对他们完成课题的时间仅给予宏观控制。②提倡“交互式”的教学形式，注意师生Z间、同学Z间的讨论，适时组织课题交流，培养学生总结和综合的能力以及表达能力。③不断完善教师辅导系统，采用分级辅导形式，实现对不同层次学生进行适时辅导,最大程度地培养学生独立研究能力与创新精神。创新设计性实验H前已在15个方向上进行了开展，如对土木、机械类学生开设激光全息干涉计量、激光散斑计量等实验内容；电类学生开设光电、磁电传感器、光信息处理等实验内容；环境工程类学生开设光谱技术、热物理参数激光测试等实验内容。几年来的教学实跋表明，开展开放式物理实验教学对大学生进行创新索质与能力的培养收到了积极的效果。1、实现“三个培养层次”的实验教学，在有效地保证大面积学生教学质量的同吋，使优秀学生脱颖而出，对学生创新能力和实践能力的培养收到了非常明显的效果。如，在全国大学生电子设计竞赛、数学建模等大奖赛屮获奖同学名单屮，绝大多数都是经过综合设计实验训练的学生。学生完成论文12篇，在国家级自然科学刊物上发表2篇，待发表的论文6篇。2、实验室的全面开放和实验内容的改革，体现了学生的主体意识，建立了新的教学体系,学生在实验屮表现出了积极的主动性。全校各班的物理实验成绩普遍提高，实验报告的质量 明显改善，动手能力也大有提高。此举很受学生欢迎。3、创新设计性实验有效地引导学生将学习的过程延仲到课外。完成一个课题实验，需耍学生经过充分的课前学习、准备，以及师生Z间、同学乞间的讨论、交流、协作，加Z实验过程屮根据实际情况经常需耍调整方案，甚至初定方案失败后再尝试。我们看到，部分学有余力的学生的潜在能力是相卅大的，他们具有较好的知识基础，他们的思维极其活跃，尤其对新知识、新技术的学习表现岀极大的热情和较强的接受能力。有的学生为解决实验屮的某个问题，去图书馆查阅资料,课余时间反复试验。我们看到，留给学生充分的学习思维时间和空间，有利于激发学生独立思考，培养他们的创新精神。使学生意识到物理学与工程技术的紧密关系，看到了发挥自己才能的机会，增强了学习的主动性。如很多学生为了搞清楚某些问题，查文献，找资料、自学有关矢口识，如材料力学、光纤传感原理、Matlab等。4、创新设计性实验的开展，以物理学为纽带，把不同学科、不同专业领域的研究问题联系到一起，扩展了学生的他识而，激发了学生的求矢口欲和学习本门课程的积极性。5、新的教学体系使得教师与学生双边互动，相互作用，体现了新时期高校的教学方法。培养了一支结构合理、富有创新精神的师资队伍，保障了教学质量的提高和课程建设的可持续发展。物理实验室获得校级“优秀实验室”表彰，有三人先后获得校级教学优秀奖，多名青年教师获得校、院教学比赛一、二等奖。出版教材两部，发表教学研究论文12篇、科研研究论文21篇，开发完成大学物理电子教案2套。 开放式工科物理实验教学新模式的探讨与实践科学总结鲁怀伟赵文杰宋青俄燕孙爱良2004.11.22