美国MIT现代光学实验教学模式及其启示

胡峰　周金鹏　王省书

[摘 要]实验教学在创新型人才培养中具有重要的地位和作用。“大众创业、万众创新”的新形势对创新型人才的培养提出了更高的要求。实验教学是培养高素质创新型人才的必要环节。当前的高校实验教学远不能承担起培养创新型人才的任务，需要进行进一步的实验教学改革。只有积极借鉴国外著名高校在实验教学环节的优势和特色，努力探讨科学有效的实验教学改革路径，切实加强实验教学在培养学生综合能力中的地位，真正提高实验教学质量，才能体现出实验教学应有的作用和价值。

[关键词]实验教学；麻省理工学院；教学改革；综合设计实验

[中图分类号] G64 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）03-0071-03

随着互联网教育技术的发展以及全球化教育的盛行，中国高等教育正经历新一轮的教育教学改革。各个高校都在就如何推进大学教学改革，提高人才培养质量进行探讨。在教学改革环节中，实验教学改革是其重要的组成部分。相对于纯粹的课程教学，实验教学可以增强学生对科学规律的感性认识，提高其实践动手能力，培养学生的创新精神和思维以及综合素质。另外，生动直观的实验教学还可以激起学生的学习兴趣和积极性，有助于团队协作能力的培养。鉴于实验教学在学生综合能力素质培养过程中的重要地位，国内外各所高校都十分重视实验教学。

国外著名院校经过多轮教学改革，已形成了自己的实验教学特色，而我国高校的实验教学正处于发展完善之中，实验教学中还存在较多的问题需要解决。首先，演示型、原理验证型实验仍占据实验教学的主导地位，在培养学生的综合设计能力和创新思维能力上存在较大欠缺。第二，实验内容陈旧，未根据科学知识的发展规律及科技前沿及时更新相关实验内容。第三，综合设计型实验开设比例较低，多数实验仍属于规定具体实验步骤的普通实验，不仅限制了学生的思维，而且降低了学生的主动参与性。学生往往把实验当成一种任务来完成，而没有积极思考实验的目的、原理以及实验方法，因此，实验教学未对学生起到应有的培训和训练目的。

为了解决目前我国高校实验教学中的一些问题，积极探讨科学有效的实验教学方式已迫在眉睫。国外著名高校成熟的实验教学模式可以为我们探讨实验教学改革起到引领作用和借鉴作用。本文拟以美国麻省理工学院现代光学实验教学模式为例，探讨其对我国高校实验教学改革的启示。

一、MIT实验教学模式

（一）实验课程概述

MIT现代光学实验课程提供了实验室光学、光学原理、光学设备及光学系统的详细介绍，内容包括光的偏振特性、反射和折射、干涉、夫琅和费和菲涅尔衍射、全息、光学成像、透镜的变换特性、空间滤波、双透镜相干光学处理器、材料的光学特性、激光、电光、声光、液晶光调制器、光学探测器、光波导以及光纤通信系统等。

多数光学实验系统将涉及平时课程所学的理论和器件，课程的目标是通过手把手的课堂学习和动手实践，再辅以相应的问题解答和最终的综合实验设计，帮助学生深入理解和掌握现代光学设备与系统的基本原理、设计理念。综合实验设计有12个备选项目，学生可以在此基础上选择适合自己的设计项目。

（二）实验教学环节

MIT现代光学实验教学环节包括理论授课、实验室训练、作业、课程考试以及综合设计实验等。

1.理论授课

头8周每周安排2次理论教学（每次1.5小时），1次实验训练（每次3小时）。头几周的理论教学主要是回顾经典光学、光电子和量子电子中涉及的基本原理和概念，剩余几周的理论教学主要讲解现代光学中涉及的主要科学问题。由于本门课程属于实验课程，因此不会讲授详细的理论，而是给学生提供足够的实验背景及具体的实验感知。

2.实验室训练

总共有7个短的实验训练项目，内容涉及基本的实验室训练，这些实验训练跟基本的光学和量子现象的测量与观察有关。每个实验训练项目包括实验前练习（实验前完成）和几个围绕同一主题的实验，目的是巩固理论教学所学内容，每个实验完成一周后，需要上交实验报告。

3.作业

实验作业包括实验前预习作业和实验课后作业，布置作业的目的是鼓励学生进行课外阅读，从而加强对基本知识的掌握。每周会安排一套课后作业，一周之后上交。

4.课程考试

本门课程共安排2次课程考试，每次考试时长1.5小时，考试内容包括理论授课、实验训练和作业中涉及的思想与观点，目的是测试学生对基本理论的理解和运用。学生不应该对这些测试有任何压力，只要按时上课，参加实验，完成课后作业，考試都不成问题。考试题目有短问答题，目的是测试学生基本的光学理论和光学实验知识。考试分数占20%。

5.综合实验设计

为了确保所有的综合设计题目在难度和时间花费上尽可能公平，实验课程提供了几个可选的设计题目，学生可以随时开始最后的综合实验设计工作，避免期末的完成压力。指导老师会提供必要的实验设备和技术帮助，以确保对学生真正起到教育锻炼作用。另外，学生也可以选择自己感兴趣的课题。学生完成综合实验设计后，需要上交一份书面设计报告，篇幅约15-30页（4A纸，5号字太长的报告需要进一步精简浓缩），最后按小组参加口头答辩，陈述自己的实验工作。在综合设计实验开始之前，会要求学生通过调研提出可行的实验方案，并以书面形式上交指导老师。

二、实验教学启示

（一）注重系统性、综合性训练

在MIT开设的实验课中，教学环节包括理论讲授、实验室训练、作业、课程考试以及综合实验设计等。其中，理论讲授部分不同于普通的课程授课，在实验课中进行的理论讲授主要是后续实验需要用到的知识点，一方面是对之前课堂所学知识的回顾，另一方面是让学生进行实验时有一定的基础，减少其盲目性。实验课中的理论讲授不以传授理论知识为目的，它更注重运用知识解决实际问题的能力。另外，在理论教学环节还会讲授基本的实验技能、常用实验方法、实验设备使用、实验数据采集、实验系统测试、实验数据分析等实验技能，使学生在正式实验之前拥有必备的实验知识和技能，为其开展实验打下良好基础。实验室训练部分主要是让学生进行热身性质的基础实验训练，目的是训练学生使用常用实验设备的技能、实验系统搭建和调试技能、数据采集和分析技能等，增强学生对前述理论讲授知识的掌握，为后续综合性实验设计打下坚实基础。实验作业包括实验前预习作业和实验后思考作业，作业设置的目的是督促学生进行实验前预习和实验后理解消化，减少学生实验中的盲目做法，提高实验效率和效果。课程考试主要是考核学生对实验课中所学的基本知识和实验技能的掌握，对有关实验现象的解释等，一方面检验学生的学习效果，另一方面检验授课教师的授课效果，为以后进一步改进实验教学提供参考。

从MIT实验教学环节可以看出，其非常重视实验课的系统性和综合性训练，既有理论知识和基本实验技能的讲授，又有实践锻炼；既有基础性实验，也有综合性设计实验，中间掺杂作业和考核，可以说是全方位地系统性地训练学生。实验教学环节的安排遵循从理论到实践，由浅入深，由零件到系统，循序渐进的教学思路。而目前我国高校的实验教学普遍是把理论与实践分离、基础实验与综合设计实验分离，缺乏对学生的系统性训练，学生获得的训练和知识比较零散。为此，我们可以借鉴MIT的实验教学模式，注重对学生的系统性、综合性训练，增强学生获取知识的完整性和运用能力。

（二）注重综合设计型实验开设

在MIT实验教学中，综合设计型实验占实验总学时的2/3以上，可见其对综合设计型实验的重视程度。不同于普通基础实验，综合设计实验可以实现对学生的综合训练，因为综合设计实验过程跟科学与工程研究过程一致，包括实验题目选择、文献调研、实验方案设计、实验系统搭建、系统调试、实验数据采集、实验数据分析、实验总结报告撰写以及口头答辩等环节。因此，一个完整的综合设计实验可以理解为一次科学研究过程，相当于对学生提前进行科学研究训练。在综合设计实验过程中，没有限制具体的实验方案和方法，学生可以自由发挥，它锻炼了学生的文献检索能力、实践动手能力、团队协作能力、写作能力、口头表达能力、分析问题解决问题的能力以及学生的创新思维。这些能力无论是今后继续从事科学研究还是企业工作都是至关重要的。反观我国高校，目前普遍存在综合设计实验在整个实验教学所占比重偏弱的问题，一定程度上阻碍了创新人才的培养。因此，在实验教学改革上，需要加大综合设计实验的比重。

（三）强调基本实验技能的训练

基本实验技能包括实验设计能力、设备操作能力、系统搭建能力、器件选取能力、系统调试能力以及数据采集和分析能力等。这些基本实验技能是从事科学研究的必备技能，也是产品研发人员要求掌握的技能。这些能力的获得单纯依靠课程讲授是无法完成的，必须在实验教学环节实现。MIT的实验教学无论是在实验室训练环节还是在最后的综合设计实验环节，都特别强调基本实验技能的训练。我们在进行实验教学改革时，应该大幅压缩演示型、验证型实验的比重，因为这些实验并不能全面训练学生的基本实验技能，学生得到的只是单纯的实验数据，而对其中的实验原理和步骤没有真正理解与掌握。

（四）注重培养学生的综合素质和创新能力

经过MIT完整的实验过程训练之后，学生无论是在系统设计上，还是在学术写作和表达交流上，甚至在团队协作精神上，都得到了全面的训练和提高，学生的综合素质和科学素养得到了进一步加强。另外，MIT多数实验内容并没有限制具体的固定的实验方案和步骤，学生可以充分发挥自己的想象力，提出不同的解决实际问题的方案，然后再通过对不同实验方案进行对比分析和交流，极大地开阔了学生的眼界，进一步激发了学生的思维活跃度。我们在实验教学环节，应该想方设法开设开放性的实验，不要把具体的实验内容和步骤限制得过于死板，应努力提高学生的参与度和实验主动性。

（五）强调多种教学方式融合

为了对学生进行全方位的综合训练，加强实验教学效果，MIT实验课实行多种教学方式相结合，既有理论教学和基本的实验训练，又有综合设计实验以及作业和考核环节。不同教学方式的结合，极大激发了学生的学习兴趣和积极性。同时，实验内容灵活多樣，学生不会感到实验课程枯燥，而是感受到实验课带给他们的成就感和满足感。因此，我们在实验教学上，也应该采用不同的教学方式，实现教学方式多样化，尤其是可以尝试加入互联网+的思想，把现代教育技术融入实验教学环节，在训练实验技能的同时，增强实验课程的趣味性和可操作性。

三、结语

“大众创业、万众创新”的新形势，对创新型人才的培养提出了更高的要求。实验教学是培养高素质创新型人才的必要环节。当前的高校实验教学远不能承担起培养创新型人才的任务，需要进行进一步的实验教学改革。只有积极借鉴国外著名高校在实验教学环节的优势和特色，努力探讨科学有效的实验教学改革路径，切实加强实验教学在培养学生综合能力中的地位，真正提高实验教学质量，才能体现出实验教学应有的作用和价值。

[ 参 考 文 献 ]

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[责任编辑：钟 岚]