创新研究型物理实验教学改革初探

毋志民 ,江 金 ,曾 毅 ,冯 庆

(重庆师范大学,重庆 400047)

创新研究型物理实验教学改革初探

毋志民 ,江 金 ,曾 毅 ,冯 庆

(重庆师范大学,重庆 400047)

从培养高水平创新型人才的教育目标出发,通过对物理实验教学体系、教学内容和考评体系的改革,建立了以学生为主体、教师为主导,分级、分层次的教学模式,大量开设创新研究型物理实验,有效地提高了学生的科学素养和创新能力。

物理实验;创新能力;教学体系;教学内容;考评体系

物理学在人才的科学素质培养中占有重要的地位,而物理学是建立在实验基础上的一门科学,纵观物理学的发展,绝大多数的物理概念和规律都是通过物理实验总结得出,并不断加以验证的。物理实验是科学实验的先驱,体现了大多数科学实验的共性,在实验思想、实验方法以及实验手段等方面是各学科实验的基础,在培养学生严谨的科学思维和创新能力,培养学生理论联系实际能力,特别是与科学技术发展相适应的综合能力等方面起着重要作用[1]。因此,物理实验教学不仅应该重视科学知识的传授和技能的训练,让学生从感性上理解物理概念、认识物理规律、获取物理知识;更应该重视对学生终身学习愿望、科学探究能力、创新能力和科学精神的培养,培养学生理论联系实际、提出问题、分析问题和解决问题的能力,特别是与科学技术发展相适应的综合能力[2-4]。

但是,长期以来,我国大部分高校的物理实验教学基本上处于一种封闭的状态,多年不变的教学体系和教学内容与当今飞速发展的前沿科学新理论,新技术严重脱节,陈旧落后的实验教学设备,因袭多年的传统教学模式、方法和手段更是远远落后于科学技术进步的步伐。原有的物理实验被人为地分割为基础物理实验与近代物理实验两门独立课程,其中基础物理实验又被分为力、热、电、光等各自独立部分[5]。物理实验实际上只是处于理论教学的从属地位,其内容往往只是教科书上已有的基本物理规律、定律的简单重复,并且20世纪后期科学技术发展的巨大成就很少能在基础物理实验中得到反映[6]。因此,学生对基础物理实验课越来越感到枯燥无味,相当严重地阻碍了学生学习的积极性、主动性、创造性以及现代科学思维方法的形成[7-8]。此外,物理实验课往往是一个班的学生或是一部分学生在同一时间,用同一种方法,按同一种要求和模式,用相同的仪器做同一个实验,这种教学模式使学生产生严重的依赖心理,不利于提高学生发现问题和解决问题的能力,不利于引导学生突破思维定式的障碍,不利于学生创新思维方法的形成和科学素养的培养[9]。

而自主创新能力是国家竞争的核心,建设创新型国家,核心就是把增强自主创新能力作为发展科学技术的战略基点,推动科学技术的跨越式发展,培养高水平创新人才,形成有利于自主创新的体制机制。重庆师范大学作为师范类院校,毕业的学生在国家创新型人才的培养中起着承上启下的作用。当前,学校与学院正处于学分制改革的关键时期,大力提倡对学生创新能力的培养,鼓励教师结合自己的科研课题对学生进行分类指导,并出台了相应的政策予以支持。因此,从面向21世纪科技发展和人才科学素质需求的角度来考虑,物理实验教学的改革,必须建立一种适合当代科技发展、有利于培养具有深厚的基础知识的创造性人才的教学新体系。教学内容应反映当代教育思想和高科技成果,教学方法和手段应改变过去的单一模式,建立多级开放实验室,满足不同层次的学生独立进行学习和研究的需求,大力提高学生的创新能力,将创新精神融入到物理实验教学的各各环节中[4]。

1 物理实验教学体系的改革

采取以学生为主体、教师为主导的教学方法和教学模式,以提高本科生的科学素养、实践能力、创新能力和科学精神为教学目标,打破传统的物理实验教学按力、热、电、光进行划分的教学体系,变孤立实验为以比较、联系、发展为特征的认识和实践过程,建立物理实验循序渐进的阶梯式教学模式和分级、分层次教学体系。以基本实验仪器的使用、常用物理量及物理参数的测量、主要物理测量方法的训练为主线,以培养素质、培养能力、培养创新精神为宗旨,建立分级物理实验的教学体系结构[10]。

一级实验为预备性实验,针对实验能力较差、高中阶段做实验较少的学生开设,内容以中学物理实验为主,主要包括基本测量方法和数据处理的基础知识。通过预备性实验,培养学生物理实验的基本能力和数据处理的基本方法,使学生养成按操作规范进行物理实验的良好习惯。

二级实验为基础性、提高性实验,内容侧重在实验技巧方法的提高、主要仪器设备的使用、基本实验技能和基本知识等方面的训练。通过二级实验,使学生的实验技能、实验素质和分析解决问题的能力得到明显提高。

三级实验为综合设计性实验,内容主要为一些力、热、电、光相互渗透的综合性提高实验和只给学生题目、设计要求、提供实验所需仪器的设计性实验,使学生在自己设计实验、解决问题的过程中,充分发挥自己的聪明才智,培养学生的创新能力。

四级实验为近代物理实验,内容大多体现物理学前沿领域的成果和发展,通过本课程能把近现代物理领域中的一些重要的实验、它们的思想方法、研究手段和一些新的应用技术和重要的实验技术介绍给学生,拓宽学生的知识面。

五级实验为研究创新型实验,供学生选修,鼓励教师(包括理论课教师)结合自己的科研课题开设创新实验项目,让学有余力的学生以小组申报的方式参与进来,使学生接受真实科学研究环境和氛围的熏陶,培养学生的创新能力和科学素养。

通过循序渐进的阶梯式教学模式和分级、分层次教学体系,引导学生发现问题、分析问题、综合运用所学知识和技能解决实际问题,引导学生在正确获得实验数据的基础上对实验结果进行分析、判断、归纳与综合,逐步培养他们的创新能力和科学素养。

2 物理实验教学内容的改革

物理实验具有很强的时代性和社会性,它必须与现代科学技术接轨,才能保证物理实验永远是一门充满活力、生机勃勃的课程,才能激发学生的学习热情,激发学生的主动性与创造性。因此,要对传统实验内容进行筛选和改造,编写新的物理实验教材,把物理实验从原有的辅助教学、验证实验的教学模式中脱离出来,和教师的科研课题相结合,多开设创新研究型实验项目,培养学生的创新能力和科学素养[10]。

针对以传统物理实验为主的一、二级实验进行推陈出新,一方面有目的、有选择的淘汰一些内容陈旧的实验,另一方面补充开设一批具有时代性、前沿性的实验项目,采用一些现代的实验技术方法,培养学生利用通用计算软件进行数据处理和分析的能力。激发学生的兴趣,开阔学生的视野,提升学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

在开设三级综合设计性实验项目时,由教师给定基础物理实验题目,给学生提供选择的实验条件,由学生自己拟定实验方案,确定实验条件,选择实验参数,并基本独立完成实验的全过程。对同一实验题目,同一物理量的测量,在设计性实验中,鼓励学生选择不同的实验方案,自制实验工具进行实验。实验后再组织学生讨论各方案成功或失败的原因、误差来源及减小误差的方法。通过这种自由度大,自主力强的实验,能够有效激发学生积极思考、主动学习、主动探索,培养学生的观察能力、动手能力和思维能力,更以趣味性和探索性在培养学生创新精神方面发挥独特的功能和作用。

近代物理实验是物理类专业高年级学生开设的一门重要基础课程,它内容广泛,综合性强,所涉及的知识面广,包含物理、电子、计算机技术等学科的专业知识以及多学科交叉渗透的领域。因此在开设近代物理实验时,注重实验项目的前沿性和实用性,在物理系优势学科平台的基础上,大量引入对近代物理学发展和现代应用技术有重要影响的实验项目,及时地把一些前沿科研成果转化成新的物理实验,使学生能接触和了解与本学科相关的最新进展;同时根据国家和地方经济建设对人才专业技能的要求,设置一系列与实际生产密切相关的应用型实验项目,提高学生的专业实验技能。只有将实验教学与学科建设紧密结合起来,才能使近代物理实验内容不断地发展和进步。

五级实验创新研究型实验项目针对学有余力的同学开设,由老师结合自己的科研课题给出实验题目,为学生提供足够的条件,学生以团队的形式阅读文献资料,选择自己感兴趣的实验题目,拟定实验方案,配置实验设备,装作仪器部件或搭建电子线路,测量实验数据,分析实验结果,最后写出研究性小论文,进行论文答辩,成效分析等。在实验中出现的问题完全由学生自己解决,教师只是在必要时间加以适当的指导,对实验的时间和最终结果不做硬性规定,学生可以根据自己的时间、能力和兴趣来安排,鼓励学生将好的实验结果以研究论文的形式发表。通过研究型创新实验,使学生受到类似于专业科研人员做科研形式的训练,培养学生的创新能力,提高学生的科学素养,为学生以后从事教学科研工作打下坚实的基础。

3 物理实验考评体系的改革

学生实验成绩的考核与评价始终是实验教学的重要环节,也是物理实验教学改革的难点之一。考核的主要目的是检验教与学的效果,促进教学内容的完善和教学方法的改进,促进素质教育、创新教育和人才培养。同时,考核制度也是引导学生改进学习方法的有效途径[7]。因此,通过物理实验教学改革,逐步建立了“重平时、重操作、重能力、重创新”科学、公正的考核与评价机制,以引导学生在平时的实验过程就十分注意自身素质、创新思维和创新能力的培养,引导他们由过去的“学习、考试型”向“学习、思考、研究、创新”型学生转变。

根据分级、分层次的物理实验教学模式,对三级及以下的实验考核主要包括三个部分:第一部分为平时考核,以实验操作技能和实验报告为主,并结合出勤率和实验预习等,本项占总成绩的40%,其中出勤、预习占10%。第二部分为操作考核,在期末对每位同学随机抽查一个本学期做过的实验进行考核,现场完成操作和实验报告,本项占总成绩的40%。第三部分为期终闭卷考试,试题均由题库抽取,内容包括误差基础理论、实验基础理论和实验操作思考题等,本项占总成绩的20%。应用这一考核形式,充分体现了实验考试着重实验操作与理论相结合的特点,并使学生的综合实验能力得到体现。

对三级以上的物理实验考核主要由过程考核、研究性小论文和答辩等成绩组成。过程考核考查学生的合作精神、观察能力、实验操作能力、交流情况、学习态度以及创新性思维等综合素质,本项占总成绩的30%。研究性小论文是根据实验方案的可行性和创新性、实验结果的正确性和小论文的规范性等要素进行成绩评定,本项占总成绩的50%。答辩主要考查学生的思维能力、应变能力和讲演能力,本项占总成绩的20%。在考核过程中重视创新,鼓励学生将自己的研究成果以论文的形式放表,并对发表论文的学生直接给予“优秀”的免考成绩。

4 结束语

物理实验在人才的创新能力和科学素质培养中占有重要的地位,通过对物理实验教学体系、教学内容和考评体系的改革,建立了以“强化基础、着重实践、追求创新、提高素质”为目标的新的培养模式,将传统的验证性实验改变成创新研究型实验,有效地提高了学生学习的积极性和创造性,不仅能够使同学们牢固地掌握所学内容,更能有效的培养他们的创新能力和科学素养。

[1]霍剑青.大学物理实验课程教学基本要求的指导思想和内容解读[J].物理与工程,2007,17(1):5-9.

[2]朱世坤,冯笙琴,王正清.地方综合性大学物理实验教学改革研究与实践[J].大学物理,2009,28(10):54-57.

[3]温利平.ISL E实验简介及其对物理实验教学的启示[J].物理实验,2009,29(10):11-15.

[4]霍剑青,王晓蒲,郭玉刚,等.分层次的物理实验教学研究[J].实验室研究与探索,2009,28(4):232-235.

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[6]谢莉莎,肖苏,邓小玖.大学物理实验教学改革的思考与实践[J].合肥工业大学学报:社会科学版,2009,23(1):19-22.

[7]梅孝安,苏卡林,周菊林,等.大学物理实验教学创新改革研究[J].大学物理实验,2009,22(3):94-97.

[8]张燕玲.探究式学习在物理实验课程的应用[J].物理实验,2009,29(3):25-29.

[9]邓晓冉,杨帅.浅谈大学物理实验教学改革[J].大学物理实验,2009,22(1):111-113.

[10]张萍,宋金璠.基于培养学生创新能力的物理实验教学改革与实践[J].实验室科学,2009,6:7-9.

[11]段家祇,曹慧贤,王煜,等.美国高校物理实验教学和管理情况考察报告[J].大学物理,2004,23(3):42-45.

Preliminary Study on Teaching Reform of Innovation and Research Typed Physical Experiment

WU Zhi-min,J IANGJin,ZENG Yi,FENG Qing

(Chongqing Normal University,Chongqing 400047)

Based on cultivating advanced creating talents,through the teaching system,teaching content and evaluation system of the physical experiment reform,the hierarchical teaching model in which students are as key body and teachers as leading role have been constructed.The students’scientific literacy and innovation ability have been improved effectively through opening a large number of innovation research experiments.

physical experiment;innovation ability;teaching system;teaching content;evaluation system

G642

A

1007-2934(2011)03-0095-04

2011-01-25

教育部高等学校教学研究项目(WJZW-2010-42-XN);重庆师范大学教改项目(090008,090010)