張 萍 宋金璠 鄭長(zhǎng)波

(南陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,河南南陽(yáng) 473061)

“一體兩翼”的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探究

張 萍 宋金璠 鄭長(zhǎng)波

(南陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,河南南陽(yáng) 473061)

從培養(yǎng)高水平創(chuàng)新型人才的教育目標(biāo)出發(fā),結(jié)合我校實(shí)際,闡述了改革物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、教學(xué)方法及手段的建設(shè)思路和措施.實(shí)踐表明,充分挖掘經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)性同樣能提高創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)效果.

創(chuàng)新能力;物理實(shí)驗(yàn)教學(xué);教學(xué)體系;技能訓(xùn)練平臺(tái)

引言

在我國(guó)物理教育中不同類型的高校有著不同的分工,在人才培養(yǎng)上存在差異化和層次性,其實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量工程的建設(shè)也應(yīng)有不同的定位和分工[1].經(jīng)過(guò)近幾年的國(guó)家實(shí)驗(yàn)示范中心的創(chuàng)建過(guò)程,現(xiàn)代先進(jìn)的教學(xué)理念被普遍接受,與之相應(yīng)的“分層次、模塊化”的實(shí)驗(yàn)課程體系也逐步建立.然而在重新整合實(shí)驗(yàn)題目和內(nèi)容的過(guò)程中,過(guò)分強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新性、綜合性、分層次,而忽略了基礎(chǔ)性、物理性、系統(tǒng)性,使所有高校都有了同一種教學(xué)理念“創(chuàng)新”、同一種教學(xué)體系“分層次”、同一種教學(xué)模式“開(kāi)放”.作為基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),就課程內(nèi)容而言其教學(xué)本質(zhì)是通識(shí)教育,全國(guó)各個(gè)高校物理實(shí)驗(yàn)課程所開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)選題都經(jīng)歷過(guò)歷史的考驗(yàn),并被證實(shí)是培養(yǎng)學(xué)生各種能力的好題目,其教學(xué)體系內(nèi)容也很完善,經(jīng)典實(shí)驗(yàn)往往就是革命性的實(shí)驗(yàn),如許多諾貝爾物理獎(jiǎng)實(shí)驗(yàn),這些實(shí)驗(yàn)實(shí)際上包含了不少創(chuàng)新精神和創(chuàng)新點(diǎn).

通過(guò)學(xué)習(xí)和借鑒兄弟院校的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),結(jié)合我校的人才培養(yǎng)目標(biāo),把我們的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革歸納定位為:“加強(qiáng)基礎(chǔ)、發(fā)展能力、突出創(chuàng)新”,提出了以改革物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式作為“一體”,以實(shí)踐創(chuàng)新、平臺(tái)擴(kuò)展作為“兩翼”的發(fā)展方向(圖1),其中“一體”是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的基礎(chǔ),“兩翼”是特色,“一體”促進(jìn)“兩翼”發(fā)展,“兩翼”為“一體”服務(wù).由于我校地處經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū),無(wú)法和國(guó)內(nèi)許多知名大學(xué)相比,經(jīng)費(fèi)短缺,科研薄弱,對(duì)現(xiàn)在所要求的設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)選題,我們著眼于踏踏實(shí)實(shí)、充分挖掘已有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)性、研究性,對(duì)課程體系、教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法深入改革,堅(jiān)持好物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)性,保持好物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)豐富的物理內(nèi)涵,完善物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)寬廣的內(nèi)容體系,逐步形成了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)代化新格局.

圖 1

1 深化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革

1.1 緊貼科學(xué)前沿,更新教學(xué)內(nèi)容

為滿足不同專業(yè)、不同層次學(xué)生在不同階段學(xué)習(xí)的需要,2006年建立了新的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系:打破了傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)按力、熱、電、光進(jìn)行劃分的教學(xué)體系,變孤立實(shí)驗(yàn)為以比較、聯(lián)系、發(fā)展為特征的認(rèn)識(shí)和實(shí)踐過(guò)程,建立了物理實(shí)驗(yàn)循序漸進(jìn)的階梯式教學(xué)模式,分級(jí)、分層次的教學(xué)體系.新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的組成部分為:基本實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、研究型實(shí)驗(yàn)等,形成了從低到高、從基礎(chǔ)到前沿、從接受知識(shí)到培養(yǎng)創(chuàng)新能力,逐級(jí)提高的一、二、三、四級(jí)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系.每一級(jí)的實(shí)驗(yàn)大致用一個(gè)學(xué)期的時(shí)間完成,不同的級(jí)別標(biāo)志著不同實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)思維水平.這樣,物理實(shí)驗(yàn)課不再是課堂教學(xué)內(nèi)容的簡(jiǎn)單重復(fù)和驗(yàn)證,而是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立自主、探索求新的綜合實(shí)踐模式[2].

1.2 實(shí)施充滿活力的教學(xué)方法

1)設(shè)計(jì)豐富新穎的實(shí)驗(yàn)方案

(1)“利用同一儀器設(shè)計(jì)多種實(shí)驗(yàn)”.分光計(jì)(光學(xué)測(cè)角儀)是用來(lái)精確測(cè)量入射光和出射光偏轉(zhuǎn)角度的一種儀器,用它可以測(cè)量物體的折射率、色散本領(lǐng)、光波波長(zhǎng)、光柵常數(shù)等物理量[2].分光計(jì)的調(diào)整和棱鏡折射率的測(cè)定是大學(xué)普通物理實(shí)驗(yàn)必設(shè)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較經(jīng)典,隨著物理光學(xué)方面的一系列理論和實(shí)驗(yàn)研究的不斷完善和光電檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展,我們?cè)黾恿艘粋€(gè)新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容——關(guān)于表面等離子體共振的新型綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái).學(xué)時(shí)數(shù)由原來(lái)的6學(xué)時(shí)增加到9學(xué)時(shí),學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間,通過(guò)自己閱讀實(shí)驗(yàn)講義熟悉分光計(jì)的調(diào)整方法,自行到實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)分光計(jì)的調(diào)整和使用,然后在此基礎(chǔ)上,分3次分別完成棱鏡折射率的測(cè)定、用透射光柵測(cè)波長(zhǎng)和采用表面等離子體共振技術(shù)測(cè)量不同濃度蔗糖溶液的折射率對(duì)SPR傳感器共振角的關(guān)系.最后部分的實(shí)驗(yàn)采用的光源是波長(zhǎng)為655nm的半導(dǎo)體激光器,自制硅光電池放大電路作為檢測(cè)元件,利用分光計(jì)的轉(zhuǎn)盤來(lái)精確地改變?nèi)肷涔獾娜肷浣嵌?自行組裝角度指示型的SPR傳感器綜合實(shí)驗(yàn)裝置.這一實(shí)驗(yàn)表明將表面等離子體共振理論引入到普通物理實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生能更好地了解消失波的概念、表面等離子體共振現(xiàn)象及電介質(zhì)折射率對(duì)共振角的影響等[4].

(2)“用不同儀器或方法完成同一目的的實(shí)驗(yàn)”.如分別采用邁克耳孫干涉儀法、光柵衍射法、激光散斑照相法、等色譜法等測(cè)定光波波長(zhǎng);又如在光學(xué)材料折射率的綜合測(cè)量實(shí)驗(yàn)中,要求學(xué)生設(shè)計(jì)多種方法進(jìn)行折射率測(cè)量有:最小偏向角法、掠入射法、全反射法、位移法、邁克耳孫干涉儀法、夫瑯禾費(fèi)雙縫干涉法、偏振法等.

(3)“對(duì)比性實(shí)驗(yàn)”.創(chuàng)新的根本內(nèi)涵是超越以往,也就是說(shuō)在新舊事物、方法的交替中才能體現(xiàn)出創(chuàng)新.因此通過(guò)一定量的對(duì)比性實(shí)驗(yàn),可以有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,把最理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果放在后面,以體現(xiàn)出思維和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步.例如“測(cè)量衍射光強(qiáng)分布實(shí)驗(yàn)”中,先采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法即用絲桿帶動(dòng)光電池(或光電二極管),用靈敏電流計(jì)順次逐點(diǎn)測(cè)出各處的光電流,繪出其光強(qiáng)分布曲線,進(jìn)而得出相對(duì)光強(qiáng)和相對(duì)光強(qiáng)分布規(guī)律.再采用高精度的光柵傳感器測(cè)量位移,用硅光電池測(cè)量光強(qiáng),因而可精確測(cè)出衍射光強(qiáng)的分布,全部數(shù)據(jù)采集和處理由計(jì)算機(jī)控制,提高了測(cè)量精度,所得測(cè)量結(jié)果與理論公式計(jì)算結(jié)果符合較好.前述方法測(cè)量原理易懂、測(cè)量簡(jiǎn)單、但誤差大,后者使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)程控技術(shù)在科研中的實(shí)際應(yīng)用,體會(huì)現(xiàn)代技術(shù)手段的準(zhǔn)確、快速和高效[5].

學(xué)生們?cè)谕瓿蛇@些實(shí)驗(yàn)后深有感觸地說(shuō):“這樣做實(shí)驗(yàn),能學(xué)到真本事.”

2)探索多種教學(xué)模式[6]

(1)“問(wèn)題式講解”教學(xué)方法.傳統(tǒng)的教學(xué)模式是以教師為主體進(jìn)行機(jī)械的填鴨式、灌注式教學(xué),學(xué)生“照單抓藥”進(jìn)行機(jī)械性地操作,按部就班完成實(shí)驗(yàn)全過(guò)程.我校從2007年開(kāi)始取消普通物理實(shí)驗(yàn)課前的講解和演示,學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后,依照實(shí)驗(yàn)講義,可以直接開(kāi)始動(dòng)手實(shí)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到棘手的問(wèn)題再請(qǐng)老師講解.教師在課堂中巡視并解答學(xué)生的問(wèn)題,若發(fā)現(xiàn)學(xué)生中普遍存在的問(wèn)題,則會(huì)在講臺(tái)上集中講解一次[7].教師的作用不是“教會(huì)”,而是引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生,促進(jìn)學(xué)生學(xué)會(huì)解決具體問(wèn)題的方法、程序和步驟.如在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中,不限制學(xué)生使用何種電路完成要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,不同量程的電表、實(shí)驗(yàn)元件擺放在公共區(qū),學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)計(jì)思路選取元件完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.學(xué)生最初接觸這種授課方式時(shí),表現(xiàn)出明顯的不適應(yīng),總是翻看實(shí)驗(yàn)講義很久后才開(kāi)始試探性連接電路,實(shí)驗(yàn)每完成一小步,都要小心翼翼地找老師確認(rèn)是否合格、是否可以進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn),在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間課程訓(xùn)練后,學(xué)生的自主能力得到了很大的提高.這種教學(xué)模式,鼓勵(lì)學(xué)生“從做中學(xué)”,即在“做”的過(guò)程中學(xué)習(xí),通過(guò)“做”達(dá)到了“學(xué)”的目的,經(jīng)過(guò)思考而領(lǐng)悟道理.

(2)“討論式解疑”教學(xué)方法.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)學(xué)生在走彎路或遇到挫折時(shí),我們不會(huì)立即指出并加以糾正,而是換一種教學(xué)方法,針對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題,進(jìn)行集體討論,發(fā)掘問(wèn)題的癥結(jié)所在,不勉強(qiáng)學(xué)生接受他人的觀點(diǎn),希望學(xué)生按自己的思路和方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),有時(shí)小小的失敗可能帶給他們的是更大的收獲,這樣更加開(kāi)闊了他們的思維,提高了他們的實(shí)踐能力,讓他們用研究的心態(tài)來(lái)做實(shí)驗(yàn).在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注意給學(xué)生營(yíng)造一個(gè)平等、活躍的學(xué)習(xí)氣氛,以表?yè)P(yáng)鼓勵(lì)為主,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,保護(hù)他們的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造能力,多與學(xué)生交流,把握學(xué)生的心理,因材施教,發(fā)掘每一個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)和創(chuàng)造的潛能,提高他們的實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力.

(3)“競(jìng)賽強(qiáng)化式”教學(xué)方法.主要是針對(duì)有一定難度且工作量較大的研究型層次的實(shí)驗(yàn).在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中提出一些研究性的題目供學(xué)生討論和研究,要求學(xué)生2～4人一組,學(xué)生需要討論、分析各種可能性,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)多個(gè)實(shí)驗(yàn)方案以檢驗(yàn)其分析判斷的合理性與正確性.我們要求每一位同學(xué)均需撰寫個(gè)人報(bào)告,每個(gè)小組需要提供總的研究報(bào)告.為提高競(jìng)爭(zhēng)性,我們嘗試兩個(gè)小組做一個(gè)題目.同一題目的兩個(gè)小組先后進(jìn)行口頭報(bào)告,并對(duì)報(bào)告進(jìn)行辯論.通過(guò)這種方法,使學(xué)生體會(huì)從文獻(xiàn)調(diào)研,方案設(shè)計(jì),報(bào)告撰寫與發(fā)布等科研流程,初步積累科研經(jīng)驗(yàn),同時(shí),學(xué)生在對(duì)話和傾聽(tīng)中,明白了對(duì)同一問(wèn)題也可以有不同的解釋,有助于學(xué)生各自經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮,促使復(fù)雜任務(wù)的完成.鍛煉學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力.例如:我校根據(jù)學(xué)生的專業(yè)、理論基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的不同,對(duì)于電子專業(yè)的學(xué)生,題目測(cè)重于物理電子學(xué)知識(shí),如“設(shè)計(jì)恒溫控制器”、“路燈節(jié)能控制”等題目,對(duì)于物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生,要求學(xué)生偏重物理理論知識(shí)的理解與應(yīng)用,如“疊柵條紋和CCD用于位移和角度的測(cè)量”、“激光束的特性研究”、“光敏電阻基本特性的測(cè)量”等題目.通過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐,使學(xué)生的潛能和聰明才智得到了充分發(fā)揮,親自體會(huì)科學(xué)研究所帶來(lái)的啟迪和成功后的喜悅.其中有的題目已經(jīng)獲得學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革立項(xiàng)的資助,有的題目已作為本科的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目完成.

1.3 物理實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)?cè)u(píng)定方法

物理實(shí)驗(yàn)的考核應(yīng)當(dāng)能真實(shí)地反映出學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平和實(shí)驗(yàn)素質(zhì),我校在實(shí)驗(yàn)課程考核過(guò)程中,學(xué)生的每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的成績(jī)由預(yù)習(xí)成績(jī)、操作成績(jī)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)3部分組成,由教師根據(jù)基本的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)自行掌握.加做實(shí)驗(yàn)、分析討論優(yōu)秀、有創(chuàng)新想法,可酌情加5～15分,注重知識(shí)、能力、素質(zhì)的全面考核.

2 搭建開(kāi)放式的技能訓(xùn)練平臺(tái)

2.1 開(kāi)展學(xué)術(shù)研討,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維方式

進(jìn)行專題科學(xué)報(bào)告,舉辦各種類型的研討班和兄弟院校進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)交流,以及不定期的學(xué)術(shù)講座是我們培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的手段之一,通過(guò)這類活動(dòng)的開(kāi)展,學(xué)習(xí)他人的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),了解、掌握當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀,在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上引入邊緣學(xué)科、前沿學(xué)科和交叉學(xué)科,讓科研進(jìn)課堂、進(jìn)教材.在此基礎(chǔ)上,還不定期地對(duì)學(xué)生開(kāi)展問(wèn)卷調(diào)查,了解學(xué)生的思想動(dòng)態(tài)、興趣點(diǎn),了解他們對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見(jiàn)和建議,從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平.

2.2 拓展學(xué)科知識(shí),加強(qiáng)工程實(shí)踐訓(xùn)練

為進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐能力,將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐,我們利用南陽(yáng)市的光電產(chǎn)業(yè)在全國(guó)具有優(yōu)勢(shì)地位的有利條件,和中光學(xué)集團(tuán)、利達(dá)光電公司、二膠廠等企業(yè)聯(lián)合共建實(shí)驗(yàn)基地,一方面組織學(xué)生分期分批到基地進(jìn)行實(shí)習(xí),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)既增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力,又加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和鞏固;另一方面可以充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地的自身的設(shè)備優(yōu)勢(shì),協(xié)助生產(chǎn)單位進(jìn)行科技攻關(guān),提高產(chǎn)品質(zhì)量,開(kāi)發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品,提升企業(yè)發(fā)展的后勁,助推企業(yè)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了我們服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)的人才培養(yǎng)目標(biāo)[8].

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)近幾年的教學(xué)改革與實(shí)踐,學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合素質(zhì)得到了普遍提高,在3年的實(shí)驗(yàn)操作考試中,優(yōu)秀率達(dá)90.2%,各用人單位也普遍反映學(xué)生動(dòng)手能力強(qiáng),綜合素質(zhì)高,特別是考上研究生的學(xué)生,在復(fù)試的實(shí)驗(yàn)技能考核中,97%的學(xué)生都能獲高分,深受導(dǎo)師的好評(píng).在目前大學(xué)生普遍就業(yè)形勢(shì)不佳的形勢(shì)下,我院物理學(xué)教育專業(yè)的學(xué)生就業(yè)率達(dá)100%.

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2009-06-04;

2009-11-24)

河南省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2009SJGLX244).

張萍,(1967年出生),女,漢,浙江麗水人,實(shí)驗(yàn)師,本科學(xué)歷,主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室管理工作.