大学物理实验中的创新实验设计与研究

2017-09-08邱忠媛徐翠艳王文新

辽宁工业大学学报(社会科学版) 2017年4期

关键词：实验设计大学物理创新能力

邱忠媛, 徐翠艳，张勇，王文新

大学物理实验中的创新实验设计与研究

邱忠媛, 徐翠艳，张勇，王文新

(辽宁工业大学理学院，辽宁锦州 121001)

针对大学物理实验课中创新实验项目比例偏低的问题，提出在实践教学中注重创新实验的设计与研究。并结合大学物理实验教学改革实践，分析了开发设计创新实验的必要性及可行性，重点研究设计创新实验的基本方法，培养学生的创新能力，提高教学质量。

大学物理实验；创新实验设计；创新能力

随着现代社会科学技术的飞速发展，对人才需求越来越注重其能力，具有创新思维和创新能力的人才供不应求。培养学生的综合能力水平，必须注重实践环节训练和学生实验能力的培养，这是我们高等学校进行教育教学改革的重要课题。大学物理实验课作为高等院校理工科学生的必修基础课之一，教学改革力求朝着培养学生创新能力和综合素质方向发展，而在创新能力培养下的大学物理实验教学改革与研究，对培养新时代创新型人才，提高学生创新能力方面起到了积极的作用。在大学物理实验课中，开发设计一定比例的创新实验，无疑是培养学生创新能力的良好教学途径之一，特别是研究设计性创新实验教学体系，应是大学物理实验课程改革的基本方向。

一、实验教学中开发设计创新实验的必要性

高等学校教育改革以人才培养为己任。教学内容主要以“提高教育质量，努力提高大学生的学习能力、创新能力、实践能力、交流能力和社会适应能力”等为训练目标[1]。几年来，在学生实践教学环节中，辽宁工业大学（以下简称我校）鼓励开展各种形式的创业创新训练项目，组织形成多个有专业特色的大学生创业创新团队，积极参加国家、省校级大学生能力竞赛项目，均体现了人才培养中的创新能力训练的重要性。

大学物理实验是一门独立设课的实验课程。随着学校“应用型人才”培养目标的定位，使学校越来越加大了实验室建设的力度，尤其是注重实验课训练环节对学生创新思维和创新能力的培养。从2009年开始，结合大学生创业创新训练需求，我们开始进行创新实验项目的设计与研究，具体是调整了物理实验项目中的“基础验证、综合设计及创新”内容比例，以此为依托，提供了更加丰富的实验项目内容和考核平台；多次组织开展“大学生物理能力测试”；组织参加“辽宁省大学生物理实验竞赛”等实践创新活动。几年来参加并获得创新学分学生达2000余人，创新实验项目内容深受学生欢迎和好评。实践教学中，笔者深切体会到教学内容改革的必要性。对传统的实验教学模式、教学内容及方法进行多方面的改革，特别是增加创新实验项目的设计，则是我们必须研究的课题。

需要改革的传统物理实验教学内容大体可分为基础测量性实验、验证提高性及综合设计性实验。在实践中一般按照4:4:2的比例开设实验。由于基础测量，验证提高性实验比例偏高，教师在实践教学中按照讲解“实验要求—实验原理—实验内容步骤”的顺序安排实验，且要求学生在规定时间完成测量活动。根本没给学生思考设计实验时间，禁锢了学生独立思考，主动进行实验的积极性，同时也没有考虑他们个性发展的要求。

在实验教学中，适当增加创新实验比例是培养学生具有创新思维和创新能力的需要。通过开发设计创新性实验，训练学生查阅文献资料，独立设计实验方案，完成实验设计与制作，培养他们分析问题解决问题能力，达到传统实验无法达到的训练效果。创新实验教学能够结合学生的兴趣特点，弥补传统实验教学循规蹈矩的不足，调动学生的主观能动性，是培养学生创新能力行之有效的教学方式。

二、实验教学中开发设计创新实验的可行性

（一）开放的大学物理实验教学体系为开发设计创新实验提供了保障

早在2005年，我校大学物理实验就进行了开放教学，在开放实验管理系统中学生参加选课，完成大学物理实验课程。实验项目一般分为必做实验和选作实验两种，其中选做实验多为创新实验项目，学时安排上是每个实验2学时。创新实验主要以建设大学生创新实验室为平台，发展学生参加开发创新实验小组，共同研究实验设计、制作及测试和试做等工作。而对于创新性实验，除了教室、仪器、选做时间等安排外，准备实验所需的查阅资料，预习实验，设计实验方案等都可以灵活机动。

开放实验教学无疑为创新实验项目实施提供了基本保障。学生可以在实验前，登录选课系统，查询实验题目，实验要求，查询相关预习资料，完成预习报告等，甚至可以通过网上仿真实验系统，完成部分模拟实验环节，为最后完成实验，做出充分准备[2]。以上因素，为创新实验的设计实施提供了有利条件。

（二）在实验项目内容设置上，兼顾保证原有基础实验项目训练，逐步提高综合性、创新设计性实验项目在总实验项目中所占的比例

精选创新实验内容，使其难度适应学生知识水平及专业特点，同时要与时俱进，可以结合最新科技技术的应用等。几年来，大学物理实验项目陆续更新，既有对基础测量及验证性实验的更新，比如“弹性模量的测定”实验研究[3]，增强了实验的综合性及创新性；又有全新的创新实验设计。现在可开出的综合设计性实验已达9个，其中设计创新实验5个。实验项目比例分配（基础测量性实验、验证提高性及综合设计创新性实验）由原来的4:4:2，调整到3:3:4，提高了创新实验项目比例。并把这些实验项目编入正规出版的实验教材，供学生上实验课时使用，保证创新实验项目顺利实施。

（三）大学物理实验教学改革实践已初见成效

近年来，大学物理实验教学改革实践已经取得初步成绩，说明了创新实验项目的实施在教学改革中的重要作用。我们在2009、2010、2011、2012和2013级学生中开展了“大学生物理能力测试”训练，共安排了十几个综合设计性创新实验题目，对学生进行考核，已有2000多名学生参加并获得了创新学分。这些实验训练很好地培养了学生的探索精神、实践能力和创新能力，激发了学生的学习兴趣，使学生由被动学习的方式转变为主动学习方式，达到了很好的教学效果。

另外，每学期有目的地开出创新实验项目供学生选择，收到了很好的教学效果。经我们指导的学生在参加辽宁省大学生挑战杯、大学生物理实验竞赛等活动中，成绩斐然。实验证明，我们对学生进行创新能力的训练，将使学生和社会双双收益，更是希望的人才培养结果。

三、实验教学中开发设计创新实验及应用

（一）根据实验教学计划安排，每学年有计划地开发创新实验项目

教师先总体设计，主要是研究命题，结合学生知识水平和专业特点进行可行性分析、试做等。要体现实验的创新性，与实际应用、先进技术接轨等因素，见表1。

表1 创新实验要素构成表

完成总体设计之后，实验项目开始在物理实验选课系统中对学生开放、选做，并不断总结优缺点，改进完善。

自2009年以来，我们物理实验教学新开发创新实验十余项，每年开出创新实验达5万人时数，受益学生2 000余人。

（二）物理实验教学创新实验举例

《光电传感器设计性创新实验》[4]

（1）实验题目。

光电传感器的设计研究。

（2）实验设计方案。

通过研究光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和硅光电池等光敏传感器的基本特性（伏安特性及光照特性），设计实验检测电路；完成对传感器的基本特性参数测试；并对实验数据进行分析计算，得出实验结果。由于光敏传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因而在工业自动控制及智能机器人中得到广泛应用。它可用于测量直接引起光强度变化的非电量，如：光强、光照度等；也可用来检测能转换成光量变化的其它非电量，如：零件直径、表面粗糙度、位移、速度、加速度等。

（3）实验任务书。

本实验设计制作的物理基础是光电效应，即在光照情况下，光敏元件的电学特性发生的变化。实验主要研究光敏电阻、硅光电池、光敏二极管、光敏三极管四种光敏传感器的基本特性以及光纤传感器基本特性和光纤通讯基本原理，它是传感器应用设计时选择电参数的重要依据。