省级物理实验教学示范中心建设规划的制定

2014-03-26崔建坡冀建利高凤菊李国科张变芳

实验技术与管理 2014年7期

张闪，刘虎，崔建坡，冀建利，李洋，高凤菊，郑乔，李国科，张变芳，史严

(石家庄铁道大学数理系物理实验中心，河北石家庄 050043)

2005年石家庄铁道大学物理实验中心被评为河北省首批物理实验教学示范中心,2012年通过了实验教学示范中心建设评估。2014年学校新建基础教学大楼启用，物理实验中心将整体搬迁，实验教室数量扩充到22个，实验教室面积由1 100 m2增加至2 243 m2，总建筑面积由1 500 m2增加到5 060 m2，这一变化将为中心的发展提供了更大的平台。面对发展机遇，物理实验中心围绕“新起点，新发展，新突破，新局面”的主题，及“未来的物理实验中心发展成什么样、怎样办好物理实验中心”，进行了调研与讨论。

中心对自身的情况进行了全面的分析总结，积极寻找在实验教学、设备环境和管理模式中存在的问题，与此同时，对清华大学、上海交通大学、北京交通大学、北京邮电大学、西安交通大学、河北工业大学等13所高校的物理实验中心进行了考察，就这些知名高校在教学体系、教学管理、物理实验室建设与物理实验教学改革等方面的成功经验进行学习和交流；之后，根据自身分析及调研情况提出适合我校人才培养定位及学校特色的发展理念，制定出以“把大学物理实验课程打造成为培养创新型工程技术人才在实践教学环节中的第一级台阶”为核心的发展规划[1-3]。

1 存在的问题

自2002年以来，物理实验中心着重开展物理实验教学改革，内容不断丰富，形式不断拓展，形成了“以开放式为特色的多元化、立体化”教学体系。该教学体系对贯彻“以学生为中心、以能力培养为核心”的教学理念发挥了应有的积极作用[4]，但仍然存在着一些不足，目前中心存在以下问题。

1.1 教学体系需要进行优化调整

在现行实验教学体系中学生必做的基础实验有3个项目，综合性实验为16选8，设计性实验项目为6选1，学生总共需完成12个实验项目(每个项目4学时)，还有13个项目学生没有机会来完成。虽然有些学生在完成课程规定的实验学时后仍对其他一些实验有兴趣，但由于资源有限，不能做到充分满足学生合理的学习愿望。因此，应通过加大基础实验平台和增加开放实验的途径去解决这一矛盾。

1.2 物理实验开放式教学应向全开放发展

开放式教学是建立在网络预约基础上的，学生自主选择实验项目和实验时间的教学组织形式。实行了多年的物理实验项目网络开放预约有效地克服了循环实验中的排课弊端，有效地解决了学生人数激增与教学硬件及教师数量保持不变的矛盾，在一定程度上调动了学生学习的主动性和积极性，但由于全开放的条件不足，不能同时开设太多的实验项目，实验中心无法对学生实验内容需求提供充足的保证。这样，一方面学生的需求无法满足，另一方面开放式实验教学的效果打了折扣，只是限制性的开放。因此，物理实验开放式教学应向全开放发展[5]。

1.3 学生在课程阶段缺少创新意识的训练及创新动力激发的机会

在“物理实验”课程体系中，物理实验内容大多是一些经典的、有确定性结果的内容，科学研究实验环节薄弱，缺乏实验教学与科研密切结合内容，缺乏实验教学与工程技术密切结合的内容，自主创新模块匮乏，再加上物理实验教学受众较多，物理实验中心无法从硬件上满足学生的创新需求。

1.4 实验教学的手段需要改进

一些注重实验操作技巧的实验项目需要为学生现场演示指导，由于同时授课学生一般达到30人左右，教师在一台仪器上做演示无法保证每一位学生都能看到。而新实验教室同时容纳的学生更是达到60人之多，采用传统的操作演示手段无法达到教学效果。因此，增加全新概念的物理实验示教系统，改进实验操作技术的展示手段是极其必要的。

1.5 现有硬件条件不利于学生创新意识和创新能力培养

硬件上专用的、成套化的仪器较多，组合式、可灵活操作的仪器缺乏，不能有效体现实验设计和研究的教学思想，容易使学生产生懒惰思想，不利于放手让学生去实践，无法鼓励创新，不能充分发挥学生学习的主动性[6]。

2 物理实验中心发展定位

石家庄铁道大学的人才培养定位是“培养基础扎实、适应性强、富有创新精神的高素质工程技术人才”，物理实验中心的教学定位必须要和学校的人才培养定位相一致，物理实验中心把“大学物理实验课程打造成为培养‘创新型工程技术人才’在实践教学环节中的第一级台阶”作为课程发展定位。

这一级台阶要坚实，要让学生掌握科学实验所需要的基本能力；这一级台阶要积蓄能量，要引导学生把经典物理实验中所蕴含的精妙的物理思想和实验方法与工程实践之间建立可靠的联系；这一级台阶要有活力，要保护学生的创新热情，激发学生的创新兴趣，培养学生的基本创新能力。

3 物理实验中心建设目标

按照物理实验中心的发展定位及全方面的建设任务，制定了以下建设目标。

3.1 建立合理优化的实验教学体系

新增太阳能光伏技术专业实验、文科物理实验、物理实验新技术等课程使物理实验中心承担课程扩充至9门；继续实行分层次实验教学，基础性实验、综合性实验、设计研究性实验按照60%、30%、10%的学时比例开设，通过增加、改造和创新使总开设实验项目达到200个。在实验教学内容上力求反映当前主流实验理论、新的实验技术和方法，加强数字化测量技术和计算机技术在物理实验教学中的应用。

3.2 建立现代化的实验教学方法和手段

根据物理实验的教学特点设计“移动式物理实验教学讲台系统”，该系统含多媒体投影设备、物理实验演示仪器、摄像头以及相关的工程设备(旧或报废均可)和拆解的仪器等。通过摄像和投影系统学生都能够清楚地看到实验教学指导的各个细节。结合我校的专业特点，我们也将在这个平台上展示与实验相关的工程仪器，拆解的仪器用于学生观察仪器的内部构造以及物理思想的技术实现方法。

3.3 建设仪器设备齐全、开放服务、资源共享的实验教学环境

按照新实验中心的规划，实验教室22间，实验设备总台套数量将超过5 000台套，将能够满足4 000个学生的物理实验需求，物理实验年总人时数将达到25万。全开放实验室与演示实验室实行完全开放，预计接纳学生达到 5万人时/年，在以“智能化实验开放过程管理系统”为主的同时，建立辅助教师指导制度以方便为学生提供必要的实验辅导。研究性实验基地作为学生创新的基地，作为物理创新实验、应用物理专业实验和毕业设计以及学生参加各类实践竞赛创作平台，同时也作为实验教师科研或开发实验仪器的平台[7]。

2012中国科协在全国科普日推出“高校科普开放日活动”，旨在利用高校资源开展科普工作服务社会大众，进一步实现科普资源共建共享。中心也将制定物理实验中心向社会开放的相关办法以便配合这一活动的进行。

3.4 建设满足现代实验教学需要的高素质实验教师队伍

教学科研的融合不仅能充分应用科研资源来提高本科教育质量，从中得到社会对科学研究、人才培养的新需求，而且能使教师、研究人员和学生共同营造一种能培养探索性、创新性和创造性的学习、工作环境，并在其中不断得到提高[8]。坚持实施师资队伍建设的两个结合，即教学与科研相结合、基础与专业相结合，将形成一支科研能力强、教学水平高、热爱教学工作、结构合理、相对稳定的师资队伍。在完成中心教学与教学改革工作的同时，也为物理学科的建设和发展做出了应有的贡献。注重加强对青年教师尤其是新引进的博士培养和保护，既要保证他们有充足的科研工作时间，又要让他们尽早尽快熟悉教学业务。

3.5 建立现代化的高效管理机制

应用网络、信息技术和自动控制技术将实验教学组织、实验室开放、实验过程管理、设备管理、人员管理、档案资料管理等纳入统一的智能化过程管理系统，使管理更科学、更高效。

4 基本原则

为了使规划目标和任务更加科学、合理，避免盲目规划，我们在规划和建设中坚持了以下4条基本原则。

4.1 坚持物理实验教学的基础地位

物理实验教学是面向高校理工科专业学生进行科学实验的基本训练，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端。大学物理实验教学为科学技术培养训练有素的人才，为培养创新型工程技术人才搭建在实践教学环节中的第一级台阶。必须坚持物理实验教学的基础地位，才能切实发挥物理实验教学在实践教学中的作用，也才能让我们认清本源，不做超越课程体系的东西。

4.2 坚持以物理实验的思想、方法、手段为教学核心

在实验物理学数百年的发展进程中，出现过众多卓越的实验，它们以其巧妙的物理构思、独到的处理和解决问题的方法、精心设计的仪器、完善的实验安排、高超的测量技术、对实验数据的精心处理和无懈可击的分析判断等，为我们展示了极其丰富和精彩的物理思想，提示了解决问题的途径和方法。这些思想和方法已经超越了各个具体实验而具有普遍的指导意义[9]。大学物理实验课程恰恰是选择了这样一些适于教学的经典实验，来培养学生的基础实践能力，来构建学生能力结构中的方法论，这就要求我们在对物理实验的现代化和数字化改造中，要坚持以物理实验的思想、方法、手段为教学核心。

4.3 坚持物理实验与工程技术相结合

物理学拓展了人们认识自然的疆界，扩展和提高了人们对其他学科的理解，是技术进步最重要的基础。物理教育和物理实验教育为科学和技术培养训练有素的人才[10]。因此，把工程技术人才培养的理念渗透在基础物理实验课程之中，既带有创新性和挑战性，又符合国家的工程技术人才培养战略，更适合我校的培养高素质工程技术人才的培养定位。

大学物理实验课程的内容中又有许多与工程技术有关的因素。比如下面内容均与工程技术的因素有关：实验仪器的调平技术；单双臂电桥实验中体现的电桥平衡调节技术在众多检测和控制电路中均有应用；读数显微镜、迈克耳逊干涉仪中涉及到蜗轮、蜗杆的机械放大技术；杨氏模量的测量中涉及斜拉索桥、或桥体立柱等工程重要参数—杨氏模量的巧妙测定；转动惯量测量实验中得到机械设计或机械加工中有关旋转部件的特征参数转动惯量；霍尔传感器测磁场实验中涉及到自动控制领域中的一个重要传感器——霍尔片；传感器实验研究中涉及到力学、桥梁结构性能检测等工程检测领域中的一个常用传感器—应变片以及电桥电路；示波器的使用实验中涉及到工程技术中常用到的示波器信号检测技术；不良导体导热系数测定实验中涉及到与保温墙体有关的材料参数测定及评价。把这些内容传递给学生，既增加了学生对物理实验课程的理解和兴趣，又向其渗透了工程技术的思想渊源。课程内，仍能挖掘出许多经典物理实验中所能体现出的工程技术思想和普遍技术的因素。

4.4 坚持物理实验室开放

从2003年开始，中心实行网络预约实验，学生能自主选择实验项目内容和实验时间，体现了以学生为主体的教学理念，满足了学生个性发展的需要，激发了学生的学习热情，形成了开放式教学的特色。我们在物理实验开放式教学上已经获得了足够的经验积累，完全能够适应将目前的“限制级开放”升级为“全开放”的技术和管理方面的变化需求。全开放实验室运行后，能同时提供的实验项目数量将达到68项，学生自行预约后可自主完成实验内容。

另外，我们还要坚持在物理实验教学中建构学生创新能力与实践技术并重的方向，坚持物理实验数字化测量技术的方向，坚持用计算机通用软件处理实验数据的方向。

5 重点建设内容

5.1 实验教学体系建设

5.1.1 丰富实验课程体系

中心分别针对理工科学生和文科学生增设创新物理实验和文科物理实验两门实验选修课程，使物理实验中心承担的实验课程从7门上升为9门，面向的学生由理工科扩展为全体学生。

把原来的“‘导师制’物理实验”形式升级为面向全校理工科学生的选修课程“创新物理实验”课程，利用物理实验中心的研究性实验基地，通过学生创新活动为学生提供了创新实验的训练机会和平台。

增加面向文科专业学生的“文科物理实验”选修课程。课程选择一些定性半定量的物理实验和演示实验，学生通过亲手实践，学习探索自然科学现象、规律的思维方式和研究方法，使文科学生也能获得必要的自然科学素质。

5.1.2 优化“多层次”

物理实验分为3个教学层次：基础性实验、综合性实验、设计性和研究性实验。3个层次的实验形成从简单到复杂、从单一到综合、从基础到前沿、从传授知识到培养综合能力再到创新实践能力逐级提高的3级培养模式[11]。目前，这3个层次的实验分布比例3∶8∶1，突出了综合性实验，提供了丰富的实验项目供学生根据自己专业需要、个人爱好自主选择实验项目完成实验。

经过9年的实践，该体系在物理实验教学中发挥了巨大的作用，但也有一些问题存在。存在的突出矛盾是：开放资源有限，学生不能随意选择自己想做的实验，有些经典的物理实验学生没有能够完成，这样学生从物理实验课程中获得的知识和实践能力体系就有了相应的欠缺。因此，必须重新整合拓展原有课程体系，厚基础，重实践，求创新，建立科学合理的物理实验教学体系。表1为经过优化后的“多层次”教学体系。

表1 优化的“多层次”教学体系

(1) 夯实物理实验教学课程体系的基础性实验。计划将原有的3个必做基础实验增加为9个必做基础实验(增加2学时实验项目)，确保每个学生都能从这些经典的、重要的物理实验内容中获得应该掌握的实验思想、方法和技巧，获得完整的物理实验知识体系和能力培养。

(2) 在有限资源开放的基础上，增加开设全开放实验室。全开放实验室可以充分满足学生对不同层次实验的需求，对学生的实验个数没有限制、实验时间没有限制。既可以把某一个实验做上三五遍，也可以把全开放实验室的实验逐个做一遍。

(3) 开设“创新物理实验”选修课，把创新活动纳入到实验课程体系之中。这样就可以解决长期以来“创新实验”无着落的问题。有创新激情和创新意愿的学生可以选修此课程，学生利用大量的时间参加了创新实验活动，既有成果还有锻炼，既有乐趣还有学分，这同样解决了创新辅导教师工作量的问题。

将物理演示实验纳入课程体系中，一方面服务于大学物理教学的需要，另一方面可以发挥科普宣传的作用。

5.2 实验教学内容建设

5.2.1 在物理实验教学中突出工程技术因素

在大学物理实验课程中渗透工程技术人才培养特色符合学校的人才培养定位、符合国家的工程技术人才培养战略计划[12]。大学物理实验课程是学生进入大学后首先接触到的实践性教学内容，是对大学生进行系统的科学实验方法和技能训练的重要必修课，是大学生从事科学实验的起步，是他们接受工程教育思想的起点。因此，在物理实验教学中突出工程技术因素是很有必要的。

经典物理实验与工程技术存在很多关联。从最简单的调平技术的工程应用，到杨氏模量在工程实践中的意义；从不规则物体的刚体转动惯量测量技术在机械设计或加工中的应用，再到应变片传感器在桥梁结构性能检测中的应用等，把这些内容传递给学生，既增加了学生对物理实验课程的理解和兴趣，又向其渗透了工程技术的思想渊源。

物理实验中突出工程技术因素是一个难度比较大的课题，其最大的难度首先来自于物理实验教师对工程技术相关内容和知识的欠缺;其次，寻找物理实验中的工程技术因素或工程技术中哪些与物理实验的思想、方法、手段有关联又是一个复杂而庞大的系统工程。因此，国内物理实验教学领域还没有对此问题有非常好的经验及研究。

5.2.2 增加数字化测量技术在物理实验教学中的应用

新规划把数字化测量技术引入到物理实验中来，通过现代化的数字测量技术来实现经典物理实验的测量。目前，国内许多高校已经开始研究将数字化测量技术引入到物理实验中。例如清华大学、上海交通大学、复旦大学、北京交通大学等高校引进了美国PASCO综合实验系统和德国的LEYBOLD综合实验系统，这两套仪器的主要特点是利用数字化测量技术完成相应的物理实验[13]。但这两套设备价格昂贵，一般一个学校只配备一套作为少量学生的研究性实验。

国内物理实验仪器厂家也纷纷研制相应的数字化实验设备，例如，2004年所购买的“半导体热电特性研究”，该仪器也是基于数字化测量技术的实验设备，单套价格近万元(不含计算机)，但是该数字化测量仪只能用于这一个实验，不具有通用性。

经过研究，设计出了第三套数字化测量方案：NI数据采集仪(型号USB6008)+LabVIEW软件[14]。该方案有以下优点：(1)通用性强，只需配上相应的传感器，该数字化测量方案可以应用到几乎所有的物理实验中；(2)开放性强，该数字化测量方案不仅可用于实验数据测量，还可用于实验方案和实验仪器设计等设计性实验;(3)费用低，USB6008型数据采集仪含税报价不超过2千元，厂家免费提供LabVIEW软件的校园使用版；(4)受众多，低成本方案下可以用相对较少的投入建立2个相应的实验室，配备多套设备，把这数字化测量技术大面积应用到物理实验之中；(5)有延续性，NI数据采集仪已经广泛应用于科研和工程技术领域，学生后续课程或在专业领域仍会继续用到这些设备和技术。在调研中发现北京邮电大学物理实验中心采用了相似的实验方案，相关实验已经成功地开设，这表明了这个方案具有可行性。

5.2.3 增加计算机通用软件处理实验数据的基本方法

现代实验或工程测量的一个显著特点是数据采集量增大，已不能仅靠测量几个数据点，然后在坐标纸上做个图就得出结果了。因此，物理实验必须要结合现代实验和工程测量这一特点，引入Origin、Matlab、LabVIEW等科研人员和工程师常用的高级数据分析和制图工具。在物理实验中传授给学生利用这些软件来进行数据处理、图表制作及误差分析等研究工作，提高学生使用科学软件进行实验数据处理的能力[15-16]。

5.3 更新教学方法与手段

创造条件，充分利用网络技术、多媒体教学软件等在内的现代教育技术丰富教学资源，拓宽教学的时间和空间。但是，对于物理实验来说这些方法和手段只能是辅助手段，教学方法和手段的提高重点应该放在实验教学之中。

新实验教室同时容纳的学生达到60人之多，采用传统的操作演示手段无法达到教学效果。因此，增加物理实验示教系统(改进实验操作技术的展示手段是极其必要的)，配备了10套物理实验移动示教系统，含多媒体投影设备、便携式视频台、多媒体移动台(含70 cm×100 cm实验仪器展台)。通过摄像和投影系统，教师可针对一些操作技巧性的演示以及一些较难描述的物理实验现象和场景进行现场演示，学生都能够清楚地看到实验的各个细节。

同时，我们也将在这个平台上展示与实验相关的工程仪器(旧或报废均可)、拆解的仪器等，用于让学生观察仪器的内部构造以及物理思想的实现方法，这样既增加学生对实验仪器的理解又能增长学生的工程技术实现经验。

5.4 实验教学环境建设

5.4.1 全开放实验室

计划利用新建基础教学楼的2个教室(约220 m2)成立物理实验全开放实验室。物理实验全开放实验室作为物理实验教学的延伸和扩展，为学生在物理实验方面创造了研究提高、深入探索钻研的条件。实验室中提供68个物理实验项目的教学仪器和50套物理演示实验设备，同时引进先进的“智能化实验开放过程管理系统”，彻底打破了传统实验教学的束缚，尽最大努力达到真正意义上的开放——自选项目，自定时间，自拟方案，独立完成。学生可以按照提供的实验操作提示等进行实验。

5.4.2 物理实验创新平台建设

如何在工科基础物理实验课程中进行设计性和创新性实验是物理教学改革的一个重要课题。从国内各高校的实践情况来看，作为基础实践课程的物理实验要针对所有学生开展设计性和创新性实验难度太大。一般选物理专业学生在三、四年级的时候，参加到教师的科研工作之中或某些竞赛活动中，从参与的科研工作或竞赛活动中获得创新成果。

2003年中心开始组织物理实验优秀学生自愿参加“导师制”教学模式，及2008年、2009年组织的两届物理实验创新竞赛，激发了一部分学生的创新激情[17]，但是，在这个过程中，我们注重了学生的创新成果，却忽视了对绝大多数学生的创新意识和创新能力的培养。作为基础实验教学的第一级台阶，应该把对所有学生的创新意识和创新能力的培养放在第一位，不能急于去追求创新成果。

因此我们的创新平台分为两部分：(1)以数字化测量平台为基础的大众创新教育平台。数字化测量平台具有非常好的开放性和拓展性，数字化测量平台就是一个万能的测量仪器，不需要重复投入实验设备，学生的创新在于他的实验思路、实验方案以及数字化虚拟仪器的开发等。因此，它非常适合作为大众式的创新意识和创新能力培养的平台。(2)以创新实验室为基础的精英式创新教育平台，计划将新基础教学楼1202教室作为创新实验教室，此教室用于学生完成设计性实验和创新实验。这个创新实验平台上将集成机械类多功能实验台、测试类多功能实验台、电子类多功能实验台以及多个操作台。创新作品的设计、制作到调试、检测都可以在此平台上完成。

5.4.3 物理实验导学与实验预约及查询系统

在新基础教学大楼的12楼中央大厅设置物理实验导学系统与实验预约及查询平台，整个平台由5台触摸屏系统组成，供学生进行物理实验导学或实验预约、查询、预习、学习等使用。引进大学物理演示与探索计算机导学系统，通过视频资料、计算机动画、图片和大量的文字资料全方位引导学生进行个性化的探索与学习。

5.4.4 实验室布局

物理实验中心的11～14层安排实验室项目，实验项目安排首先考虑仪器公用，降低成本,其次考虑房间利用率和教学便利。实验项目要两个学期分开进行，每个教室同时只安排一个实验(近代实验除外)，这样可以极大地提高实验教学的效率，确保在学生人数不断增加的前提下能够顺利地完成物理实验的教学任务。

5.4.5 实验室文化氛围

对实验室环境进行改造，创造良好的实验室科学、文化氛围，设置一批与物理实验有关的文化橱窗、展板等；实验室的地面、照明、温度、湿度、通风等条件要达到“国家级高等学校基础课实验教学示范中心建设标准”的要求。

5.5 实验教学智能化管理

物理实验中心“基于网络技术的物理实验预约及管理系统”已经运行9年，系统依托物理实验中心网站，具有三大功能板块：实验管理系统、网上实验教学和实验论坛。目前系统能够完成从开放资源设定、实验名单打印到实验成绩登统等实验教学管理环节;能够完成学生实验预约、退订与查询等开放式实验教学组织环节。全开放实验室对智能化教学管理系统提出了更多、更高的要求。新的系统应该在智能数据采集、分布式电源集中控制管理、视频监控管理等方面有所补充。