物理实践教学平台建设的研究与探索

周海涛, 李保春, 杨保东, 郜江瑞

(山西大学 物理电子工程学院， 太原 030006)

物理实践教学平台建设的研究与探索

周海涛, 李保春, 杨保东, 郜江瑞

(山西大学 物理电子工程学院， 太原 030006)

针对地方综合性高校实践教学现状，结合学校物理学科发展的特点和优势，探索教学平台建设的改革创新。通过科研转化与学科交叉，拓展创新实践项目；开放实验、科研训练和学科竞赛互为补充；利用科研院所和工厂企业资源，建立学生实习实训基地，实现了多元化、分层次的实践教学体系革新；进一步优化教师结构，提升了实验队伍的科研能力和教学水平；使实践教学平台更好地服务于创新型创造型人才的培养。

物理实践教学; 科研转化; 学科交叉; 科研训练; 实习实训

0 引 言

实践教学是高等教育在贯彻落实党的教育方针、实现高素质人才培养目标的重要环节。实践教学工作的好坏，关系到整个高校教育教学工作和人才培养质量的全局，特别是在实施复合型、创新型和创造型人才培养过程中发挥着举足轻重的作用，实践教学平台建设是落实素质教育、培养学生动手能力和独立创造能力的最佳平台。

高等学校实践教学体系主要包括实验教学、实习实训、社会实践、毕业设计等教学环节[1]。物理实验作为理、工科专业学生开设的一门知识面广、综合性强的基础必修课程，它在本科教学中不但扮演着学习物理应用、掌握实验基本方法、实验技能的角色，更承担着培养学生严谨的科学思维习惯和独立自主创新精神的重要任务，其在高校教学体系中具有不可替代的作用。随着国家科技兴国战略及经济全面转型的实施，《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》 已对人才培养模式提出了明确要求[2]：既要培养研究型的拔尖人才，也要培养应用型创新人才。局限于课堂教学的传统物理实验教学模式，已远远不能满足人才培养的需求。因此，通过物理实践教学过程和教学模式的改革来实现综合性，创新性人才的培养，彰显实践教学在高等教育中的重要地位，已成为许多高校探索和改革的热点[3-5]。

1 改革思路

物理学作为我校的特色优势专业，其目标定位就是培养该专业领域的领军人才和创新人才，这就要求我们在人才培养、学科发展方面要不断改革创新，紧跟时代步伐，并与国际先进教学模式接轨。多年来，我们一直坚持以人为本，探索适应科技发展和社会需求的教学内容、教学方法及运行机制等全方位的革新，取得了显著成效，并起到辐射示范作用。早在本世纪初，物理实验教学中心以培养学生的实践能力、创新能力为出发点，首先在物理学专业建立起了基本实验、综合性设计性实验和研究性实验逐级提高的三级物理实验课程体系[6-7]，并将其推广到理科类其他专业，受到国内许多高校的关注和认可。根据我校建设成为具有地方特色的综合研究性大学的办学理念和建设目标，中心积极探索教学方法[8]，建立了四种教学模式连动，全过程开展研究性物理实验教学体系[9-10]。

近几年，我们利用国家级物理实验示范中心联席会议以及大学物理实验和近代物理实验教学研讨会等平台，在与国内高校实验教学专家交流探讨中了解到，如何能更好地提高学生的动手能力和独立解决问题的能力，培养适应社会发展和国家急需的创新型综合型高素质人才，是目前高校实践教学亟待解决的问题。通过调研国内外物理实验教学现状，我们发现：国内高校在基础物理实验、近代物理实验等经典实验项目及内容安排上与国际名校开设的实验数目、内容差别不大，但在综合性和创新性强的物理实验上还有明显的差距；实践教学体系还不够完善，相比工科专业，物理类专业最为突出的是实习实训锻炼欠缺，接触专业外相关知识的机会较少，与当前社会发展脱节。总结已毕业学生(攻读研究生或参加工作)的反馈信息发现，物理类学生经过本科四年系统的理论课程学习和实验培养后，专业知识理论功底扎实，动手能力也明显提高，但分析解决实际问题的能力还相对较弱，实践经验不足，这要求实践教学内容和体系与时俱进。为此，我们在物理实践教学改革过程中，以培养分层次、多元化人才为目的，以中央提升中西部高校综合实力为契机，在拓展创新实验项目、改革实践训练模式、优化师资队伍结构上进行了研究和探索，推动实践教学平台建设，并取得了初步成效。

2 科研转化与学科交叉并举，拓展创新实验项目

实验项目是学生进行实践训练和能力培养的直接载体，如何在保持和继承经典实验内容的基础上不断推陈出新，增加反映最新科技前沿和贴近生产实际的实验教学项目，让学生在接受专业理论知识和基本能力训练的同时，又能及时获得更新的科技信息，以促进综合素质的提升。为此，我们着重从科研转化和学科交叉两方面入手，进一步丰富实践教学内容。

2.1 坚持科学前沿持续转化为本科实践项目

我校光学学科作为国家重点学科，具有量子光学与光量子器件国家重点实验室和极端光学协同创新中心，在量子光学、光与原子相互作用、冷原子分子物理、量子物理等研究领域紧跟世界前沿。科研平台建设通过多年几代人的积累，已形成一套完善的实验体系，承担着大量国家级科研项目，很难为本科生提供充足的实验时间。大部分学生在进入研究生阶段需要花费一年甚至两年时间去熟悉实验仪器操作，这是所有高校和科研机构普遍存在的问题。为了让本科生更好地了解科研知识和实验技术，提高学生的科研兴趣，从而成为基础科学研究的潜在生源，我们充分利用学科优势资源建立了现代光学技术实践教学平台，将科研实验室中基本的实验方法、实验技术以及较成熟的科研成果逐步转化为研究性实践教学项目。项目大致分为两类：① 通用技术类。在科学研究中普遍用到的仪器、光学器件的掌握及光路的调节，包括：半导体激光器调试、光电探测器的设计和调试、无源谐振腔的调节、光纤耦合技术、光隔离器的调节、平衡零拍探测技术等；② 专业实验类。从科研成果中转化而来的项目，比如：原子的冷却与俘获、非经典光场的量子噪声测量、电磁诱导透明及吸收、四波混频等前沿性实践训练项目。通过现代光学技术项目的训练，形成了科研、教学和大学生创新实践训练相互促进的良性循环，增强了学生的创新技能和把握科学前沿的能力，培养了学生独立自主、创新进取的精神。

科研成果转化为本科实践并不是简单的将科研的内容直接复制到实验教学课堂，而是根据本科生的知识结构和技术基础，把一个复杂的、完成周期较长的科研项目通过消化吸收，演变为几个相对独立的或分层次阶段性的、可操作性强的、短期内能实现的子课题为学生开设。在实施过程中，给予学生充分的思考讨论和动手实践机会，比如激光器调节、光路搭建、信号探测及数据处理和分析等，让学生为主体全程参与，使学生从思想上由被动接受知识转换到主动探索，这样既培养了学生追求学术创新和严谨务实的作风，又能使学生切身体会到科学研究的艰辛和乐趣。

2.2 开发基于学科交叉的综合应用型实验项目

创新是一个民族的灵魂，是一个国家昌盛不衰的动力源泉。随着知识经济和信息化时代的发展趋势，极大地加速了科学技术的发展和各学科之间的相互交叉和渗透，新的综合化趋势已成为科学发展的主流，科技创新已日益新常态，实践教学作为培养和锻炼大学生创新能力和创业精神的重要阵地之一，必须不断改革创新，才能适应社会对高校毕业生越来越高的要求[11-12]。实验中心本着“发挥优势，综合交叉，突出创新，加强应用”的办学理念，在深入研究将科研成果持续转化为本科实验项目基础上，主动适应山西经济转型跨越发展的战略需求，以培养多元化高素质的创新型人才为目标，坚持学科交叉与综合应用相结合，建设了生物物理测量、新型材料生长测试和虚拟仿真技术三个大学生创新实践教学平台，进一步丰富和扩展了物理实践教学的内容。

(1) 生物物理测量教学平台建设。我们开展了细胞生物电测量与物理因子的生物效应、神经信息处理与脑—机交互技术、生物医学传感与检测技术等相关方面的实践项目。在教师指导下，以学生为主体，开发了物理因子对细胞膜离子通道特性影响、脑—机交互技术中脑电信号采集与特征识别、经穴电刺激诱发脑电特征研究等一系列的探索训练科目。在实践过程中，将创新理念和具体实施内容充分融合，将光、电、磁、超声、微波等物理因素与生物组织、细胞、分子相互作用的机制结合起来，构建了物理学和生物学交叉知识体系。

(2) 虚拟仿真技术平台建设。计算机软件开发应用是这个时代的一个重要标志，为了提高物理系学生应用编程解决实际问题的水平，我们通过“软、硬”结合，建立了虚拟仿真技术实践教学平台，开设了包括基于数字CCD的机器视觉控制及图像处理、基于LabVIEW语言的动态信号采集及分析控制、3维激光扫描及3D打印技术和多屏互动系统的开发等实践项目，既丰富了物理实践教学的内容，同时又激发了学生的学习兴趣。

(3) 新型材料生长测试平台建设。在省教育厅、地方企业及学校的联合支持下，我们成立了半导体量子材料实验室，建立了基于MOVCD的ⅢⅤ族半导体量子点生长系统及量子点光谱光学特性测试系统，一批高精尖的仪器投入教学科研中。学生在该实验室通过全程参与量子点从生长到后续的光学特性分析的整个过程，不仅可以学习半导体材料的生长工艺和氢气、硅烷等多种气体混合使用的精确控制，还可以学习利用激光对材料光谱及量子特性的测量等包括光学、电子、材料、化学等方面的内容，锻炼学生团队协作意识和操作精密复杂仪器的能力。

3 分层次、多元化完善实践训练模式

3.1 开放实验、科研训练与学科竞赛相结合，多渠道丰富课外实践活动

开放实验作为课堂实验教学的有效补充,不但可以提高实验仪器、设备等教学资源的利用率，而且由于内容、时间、空间上的灵活性，学生可以自主开展实践训练，越来越受到学生的欢迎[13]。为了满足不同专业、不同层次的学生对开放实验需求，将实验中心的所有实验室统筹规划，合理安排，具体实施办法如下。

(1) 大学物理实验室开放。学期初，通过教务处向全校公布基础物理实验室的上课时间和开放时间，并列出各实验室的可开放设备及常规实验项目等信息，学生根据自身条件及兴趣递交开放实验申请表，提前预约。实验室有专职教师负责，对实验方案，使用仪器设备及耗材、预计完成时间等内容进行审核。审核通过后，学生就可以在开放时间到实验室进行实践训练。此类开放主要针对非物理类理工科专业的学生和物理类专业低年级的学生，涉及内容大致分两类：① 在课堂教学中没有完全掌握的实验项目或仪器操作；② 对物理感兴趣的学生自行设计的小课题研究。此类开放周期短，频次高，一般1或2周为一个周期，学生自主性强，实验室仅负责提供相应的实验仪器及实验材料。此类开放主要是巩固学生的实验知识和基本操作技能。

(2) 综合设计性实验开放。每学期初，通过校园网发布大约20个教学安排外的综合性实验项目，丰富学生的课外实践内容。开放内容涵盖力、热、电、光、近代物理、虚拟仿真、激光技术等，主要面向物理、光电和电子专业学生开放，每个项目均设定基本的实验任务或目标，并提供相应的实验仪器及资料供，学生自行进行实验。一般执行周期为5或6周为宜，实验完成后需提交一篇论文或实践报告。通过这种相对宽松自由的学习环境，不仅大大地激发了学生的学习自觉性、主动性和积极性，更利于充分发挥学生自身的优点，有利于培养学生的独立思维和动手能力，有效地促进了实践教学高效率的开展。

(3) 学科竞赛和科研训练推动实践教学水平提升。学科竞赛和科研项目训练是开放实验的升级版，是凝练体现实践教学成果的两种不同表现形式。学科竞赛针对同一个课题，有多个小组同时开展研究，通过查阅文献、团队讨论、结果答辩等形式挑选优秀学生，进一步的培训和锻炼，代表学校参加省级和国家级的比赛，如“中国大学生物理学术竞赛”“大学生物理实验竞赛”和全国电子设计大赛等。学科竞赛的开展，不但拓宽了学生的知识结构，增强了学生的学习兴趣，竞争机制的引入强化了学生的危机意识和竞争意识，使他们在知识学习、解决问题上更加积极主动。学科竞赛的执行周期一般为一个学期。

在科研成果转化本科实验项目和综合应用项目开发的实践教学平台建设过程中，面向二、三年级学生，2或3人一组，通过申报校、院两级科研训练项目的形式开展实践活动。实行“导师制”，在项目立项、执行、论文撰写、总结答辩等各个环节都有导师跟踪指导，严格把关。支持优秀项目申报省级及国家级的创新科研训练项目。一个训练项目就是一个研究课题，具有一定的创新性，由于涉及内容专业性强、综合应用程度高、研究时间和结果不确定性等特点，一般执行周期为一个学年。

通过上述两种形式的锻炼和培养，就是要使学生摆脱应试教育的固有模式，体现知识学习与探索实践相结合，物理学与生产生活相结合，学术能力与人际交往能力相结合，个人与团队合作相结合，个人兴趣与社会责任相结合的实践理念。在具体实践过程中，学校和学院均有经费保证和奖励政策。

3.2 利用科研院所和工厂企业资源，加强实习实训

在近几年的实验教学改革中我们发现，通过开放实验和科研训练的熏陶，学生动手能力明显提高，思维更加活跃，在新教学仪器开发、科研成果向实验教学转化等方面表现出了惊人的潜力，部分学生直接参与研究所的科研项目。随着实践教学改革的深入与推广，需要学生获得更系统的、规范的训练，了解更贴近科研生产一线的实际需求。因此，我们要充分利用本学科的优势资源，借助量子光学与光量子器件国家重点实验室平台，与其他科研院所、机加工车间、仪器公司等展开广泛合作，建立了长效合作机制，为学生提供更多的实习实训机会。具体形式为：针对二、三年级学生，每学年初或期末组织学生到校外的科研院所、工厂企业进行访问交流和实习锻炼，开拓学生的眼界和知识面，切身感受当前社会发展的最新动态，为学生下一步的学习计划及开展科研训练提供参考；在本科生毕业论文开题前，积极鼓励他们到校内外的科研院所或生产企业进行实习锻炼，并为其提供相应的教师指导和基本条件，形成了实验中心和科研机构、企业联合培养的实习实训教学模式，为学生提供更为广泛的研究内容，将物理专业知识与当地经济及科技发展紧密联系起来。

4 新老教师相结合，优化师资队伍结构

师资队伍建设是实践教学团队改革的重点之一，在教学理念清晰、思路正确、体系完善的前提下，最终还要靠一支结构科学的师资队伍去落实。

传统的课堂实验教学以教师讲为主，但是针对综合设计性的开放实验以及科研成果中转化实验教学项目和综合应用型的实践教学项目，则是以教师引导为辅、学生实践为主，突显的是教师在实验教学中高水平的学术和技术指导。这不仅需要熟悉实验教学规律的有经验的教师在传统实验教学、开放实验中开展教学；也需要正工作在科学研究前沿，并能将科研方法、科研成果融入本科生实践项目的中青年科研骨干。

近年来，实验中心先后有十多名年轻教师获得博士学位，并有多名教师出国深造，他们的专业背景具有多样性，包括光学、激光技术、凝聚态物理、材料物理等，这使得中心在科研能力整体提升的基础上，实践教学的层次也明显提高。多数年轻博士在承担国家科学研究项目的同时还兼任着本科生科研项目训练的导师，在创新实验项目的开发建设过程中，将研究性理念贯穿始终，引导学生自主学习、合作学习、研究学习，培养学生的探索意识和创新意识。教师队伍已基本形成一支中青交叉,教学与科研相融合的稳定团队,为开展创新实践教学提供了软保障。

5 结 语

实践教学平台建设是当前高等学校培养国家急需各类人才的重要支撑，是培养大学生实现大众创新、万众创业的最丰沃土壤和坚实的堡垒。我们根据物理学本身的特点，实现经典内容与科技前沿紧密结合，传统实验教学与开放实验、科研训练及实习实训相结合，突出时代性和社会应用性；注重学科相互交叉渗透，不断完善物理实践教学内容及体系改革，全面培养大学生的创新能力、实践精神和社会责任感；充分发挥我校优势学科的学术资源，加强科研成果向实验教学项目的持续转化，建立了符合物理类专业学生实习实训的培训基地，进一步丰富物理实践教学的内涵；实现新老教师有机结合，引入导师负责制，促进实践教学水平的提高。实践教学中培养人才质量的提高也将为科学研究和社会经济发展输送优秀人才。

[1] 张忠福.建立以能力培养为中心的实践教学体系[J].实验技术与管理，2011，28(2)：11-14.

[2] 中共中央国务院.国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年) [M].北京:人民出版社，2010.

[3] 眭 平.地方高校创新实践平台嵌入创新方法教育的探索[J].实验室研究与探索，2015，34(9)：168-171.

[4] 李金昌，林家莲.实践教学与学科竞赛相结合，促进创新人才培养[J].实验技术与管理，2011，28(11)：1-3.

[5] 余江应，李义宝，黄 凯.物理类专业实验教学体系设计与创新[J].实验室研究与探索，2015，34(9)：208-210.

[6] 董有尔，虞仲博，陈宝明，等．建立三级物理实验教学新体系的探索与实践[J]．实验技术与管理,2003,20(1)：90-93.

[7] 周海涛，董有尔，陈宝明，等．设计性物理实验的探索与实践[J]．实验室科学，2005(5)：80-82.

[8] 唐晋娥，董有尔，陈宝明，等．研究性物理实验的教学环节与方法[J].实验技术与管理, 2006,23(12)：113-115.

[9] 解光亮，董有尔，陈宝明.背景反思模式在密立根油滴实验中的应用[J]．实验技术与管理,2011,28(12)：55-58.

[10] 董有尔，郜江瑞，王彦华，等.四种教学模式连动，全过程开展研究性物理实验教学[J].实验技术与管理，2012，29(5)：6-9.

[11] 江新琴，俞存根，陈志海，等.突出特色 发展优势 培养创新型水产人才[J].实验室研究与探索，2015，34(9)：161-163.

[12] 倪 晟，金炳尧，王璟瑶． 实验教学信息化体系建设的探索与实践[J].实验室研究与探索，2013，32(6)：117-120.

[13] 李文建，杨海波，屈二军，等． 实验教学体系改革与创新型人才培养[J].实验科学与技术，2010，8(6)：64-65.

·名人名言·

把简单的事情考虑得很复杂，可以发现新领域；把复杂的现象看得很简单，可以发现新定律。

——牛顿

Research and Exploration on Practice Teaching Platform Construction in Physics

ZHOUHai-tao,LIBao-chun,YANGBao-dong,GAOJiang-rui

(College of Physics and Electronic Engineering, Shanxi University， Taiyuan 030006, China)

It is described that the teaching center of experimental physics in Shanxi University constructs physical practice-teaching platform for recent years. Combined with the advantage of our physics subject in a local comprehensive university, we discuss the reform and innovation of physical practice-teaching platform. First, the teaching and the practical items have been extended by the transformation of scientific achievement and the interdisciplinary integration; Second, the opening experiments, student research trainings and academic competitions are complemented each other; Third, many practical training bases have been built in some research institutes and enterprises, they also innovate the practice-teaching system in multiple wide ways and many layers. In order to enhance the standard of teaching and scientific research, we have optimized the structure of teaching staff. These are the better service for the practice teaching platform to cultivate innovative and creative talent.

physics practice-teaching; transformation of scientific achievement; interdisciplinary integration; research training; training and practice

2016-01-28

山西省教育厅支助项目(J2013007)

周海涛(1980- )，男，山西平定人，博士，副教授，主要研究方向为光学、原子物理。

Tel.：13994216518; E-mail：zht007@sxu.edu.cn

G 642.0; G 648.1

A

1006-7167(2017)01-0185-04