自主探究实验对学生综合素质和创新能力的培养

2018-04-03王合英孙文博陈宜保张慧云张留碗

实验技术与管理 2018年12期

王合英, 孙文博, 陈宜保, 陈宏, 张慧云, 张留碗

(清华大学物理系, 北京 100084)

物理实验作为培养学生综合素质和创新能力的实践课程,对学生素质培养、能力提高和品格塑造起着理论课无可替代的重要作用。为了充分发挥物理实验教学在高素质、创新人才培养中的作用,从事物理实验教学的教师从教学体系[1-5]、教学方法[6-9]、教学内容[10-11]、教学组织和管理等各方面不断进行探索和改革,取得了一定的成效[12-13]。我校近代物理实验室一直致力于研究型教学模式的探索,建立了分层次、多模式的近代物理实验教学体系,实施“自由实验、乐学创新”为主旨的近代物理实验教学[2,6],满足不同学生群体的需求,注重对学生的志趣激励和科学素养的提高,并同时兼顾优秀学生的综合素质和创新能力培养。在研究型教学实施过程中,发现大部分学生喜欢课程有一定的挑战性,在解决问题、克服困难的过程中获得自信和成就感。自主探究实验给学生提供自主思考和学习、自主探索和创新的实验平台与宽松环境, 有利于激发学生的兴趣和探索内动力,让学生的主体意识和创新意识在独立思考、自主学习、主动探究过程中得以充分发挥和萌芽生长, 充分发挥学生的潜能,提高实验物理教学的质量。本文介绍在“自由实验、乐学创新”的研究型近代物理实验中自主探究实验对学生综合素质和创新能力培养所发挥的积极作用。

1 自主探究实验的特点

自主探究实验与传统实验相比,最大的特点是实验的自主性、探究性、开放性和灵活性。传统实验一般有实验讲义, 其中对实验原理、实验内容和方法、实验仪器有较为详细的阐述,学生只要认真预习、仔细操作,都能在实验课上顺利完成教材要求的实验内容。这种传统的实验教学方式，因为缺少对学生能力的挑战性难以激发学生的兴趣,相对固化的实验操作方式不利于学生综合能力的提高和创新思维的培养。

自主探究实验的教学理念是为学生营造宽松自由的实验环境和研究氛围,以兴趣和问题为导向,让学生处于主导地位,为学生提供挑战自己的空间和施展特长的实验平台,学生通过探究式学习发现问题、解决问题,在以主动的姿态获得知识的同时,获得一整套科学研究方法的训练和综合实践能力的大幅度提高。践行“教育”的深刻内涵,实现“知识传授、能力培养、价值塑造”三位一体的教学目标。

自主探究实验以学生为主体,学生根据自己的特长和兴趣自主选择实验项目和实验内容,自己查阅文献设计实验方案,选择实验器材,完成实验探究过程,并对结果总结分析,独立完成实验论文。它给学生充分的自主权和自由度,实验内容和方法具有开放性,探究深度具有灵活性。目的是营造开放创新的探究氛围,打破课内与课外、理论与实验、教学与研究的界限,培养学生的问题意识和质疑精神,开发学生的创造性和学习潜能,给学生独立解决问题、自由探究的实验平台和宽松环境,发挥学生的主动性和积极性,培养学生的创新思维,提高学生的综合素质、研究素养和实践能力。学生通过自主探究实验,初步掌握科学研究的方法,体验科学探究的乐趣,养成善于发现问题、独立解决问题的良好习惯和开放的思维方式,增加自信心,提高综合运用理论知识解决实际问题的能力, 充分认识自己的潜能, 有益于培养学生的创新思维,为终身教育打下坚实的基础。

自主探究实验的评价方式根据实验内容灵活安排,设置多目标、分层次、多出口的成绩评价模式。因为探究实验过程和结果都是不可预知的,成绩评价不以成功或失败作为依据,而是关注过程,允许失败、宽容失败,但学生应了解失败的原因和改进的方案。

2 自主探究实验的教学组织和软硬件保障

自主探究实验作为分层次、多模式的近代物理实验教学体系的一种模式,向所有对实验研究有兴趣且喜欢自主学习的学生开放。由于自主探究实验从选题到完成需要学生投入比传统实验多几倍甚至数十倍的时间和精力,同时学生的兴趣和能力也因人而异,是否选择自主探究实验由学生根据自己的情况自由选择。自主探究实验付出很多,学生的收获和成长也更大。希望理论基础好、实验能力强的学生能主动参加自主探究实验,进一步提升综合能力和创新能力。但学生在选课时对各种模式的具体实施和要求不太了解,为此,在每学期开学的第一周专门组织所有选课学生,介绍近代物理实验的分层次、多模式的教学方式和教学内容,尤其是自主探究实验的教学方式、选题方法、具体组织和实施方法、成绩评价、往届学生的收获与评价等,让学生充分了解自主探究实验对自身能力提高和开放性思维培养的积极作用。学生在了解各种模式的差别后量力而行,从第二周到第八周可以随时在近代物理实验网页上自由选择或更换实验模式。

近代物理实验室为学生提供多个近代物理综合实验平台,包括量子物理与量子信息综合平台、现代光学与信息处理、凝聚态物理与实验技术、等离子体物理与实验技术、真空物理与实验技术、现代测量技术及应用等,实验内容基本涵盖物理学的所有二级学科。每个平台有不同的物理学学术方向和现代前沿技术方向,反映近代物理学的重大发展,注意与当代科研的发展相结合,注重实验技术的先进性和时代性。实验内容和仪器都具有开放性,为学生自主探究实验提供实验条件、仪器设备等硬件保障。除实验室现有的所有仪器设备,实验中心提供一定的经费,根据需要购买自主设计实验所需的材料和通用实验设备。对于一些需要昂贵设备的方案,实验室积极为其联系物理系的科研实验设备或学校的大型开放仪器完成部分实验内容。这些综合实验平台的建设为实施自主探究实验提供了硬件设施和实验条件。

实验室采用全方位开放的原则让学生自由选题。学生在选定自主实验题目后，自己查阅文献和实验资料并整理总结,然后进行师生讨论。讨论时先让学生报告文献资料综述,对该实验原理的理解、实验方向和初步的实验方案等。教师根据学生的报告提出一些问题,引导学生较深入地理解实验原理,针对实验方案给出建议和实验中需要注意的问题。之后，学生预约时间，按设计的方案完成实验。实验室定期举办报告会,讨论实验进展的细节,及时解决实验过程中遇到的问题,保证自主实验的进度和质量。实验室在工作日全天开放,学生在预约实验时间或在实验设备闲置的其他时间都可以来实验室进行实验研究。有时根据学生要求,也在晚上或周末开放。此外,学生完成实验研究不限于在本实验室,可由实验室帮助联系科研实验室,让学生利用科研仪器完成部分自主实验内容。实验完成后写论文报告,并做成PPT,在期末相互交流。

教学管理采用现代信息技术进行数字化管理,通过近代物理实验网站进行教学组织和实验管理。学生的实验设计方案、实验时间预约、问题讨论、研究论文和口头报告的提交；教师对各种报告的批阅及师生交流等都通过网络高效进行,同时实验网站有丰富的实验资料,包括网络教程、实验仪器说明书、实验参考文献、网络课件等为自主探究实验提供高效的软件环境和保障。网站的建设数字化管理为实施自主探究实验提供了高效的软件环境和实时交流的平台。

3 自主探究实验与学生综合素质和创新能力的培养

自主探究实验以学生的兴趣和问题为切入点,给予学生挑战自己的空间和施展才华的舞台,实施个性化和多样化人才培养。学生在查阅和总结大量资料的基础上,自己制订实验方案、选择实验仪器、设计实验过程,完成实验数据的采集、计算、理论分析及总结反思,教学过程重视培养学生敏锐的观察力和质疑能力,鼓励学生提出原创性的问题并设法解决,强调设计实验的过程,重视自主学习能力、独立工作能力、科学思维和创新意识的培养。

3.1 培养学生对问题的洞察力和质疑能力

课题选择是自主探究实验的第一步,也是学生感到最难的一步。能否提出高质量、富有挑战性的问题,选择一个新颖可行的探究题目,对学生后续的实验过程和结果至关重要。不能提出问题、没有质疑,探究就无从开始。质疑是思维独立性、自主性的体现,是创新的基础和原动力。学生对问题的洞察力和质疑能力在选题环节上显得尤其重要。培养学生的问题意识、质疑能力、自主选题的能力是自主探究实验的重要环节之一。

学生的问题意识和质疑能力需要一定的理论知识基础,也需要对实验仪器有充分的了解。学生在选定自主探究题目前,首先对近物实验室的综合实验平台有比较全面的了解,结合自己的兴趣和特长选做3～4个平台的实验以深入了解各平台的实验设备和实验方向。教师在实验过程中引导学生带着问题意识关注细节、发现问题,启发学生利用创新思维和开放思维分析问题,利用网络资源查阅文献资料,特别是相关实验领域的科研文献,了解该实验领域的前沿进展,站在更高的角度,以更宽的视野审视问题,进而结合实验仪器和实验条件针对发现的问题提出可行的探究题目。在教学实践中发现，一旦学生具有问题意识,很容易在实验过程中发现各种问题并积极思考,对问题的敏感度和洞察力有一定的提高。鼓励学生大胆“挑刺”,善于分析与质疑,培养学生的主体意识和独立精神。

以超声实验为例,在测量固体材料中的超声纵波声速时,学生首先要分析示波器上的超声回波信号的来源,正确判断超声回波的位置,然后测量回波距离和时间,就可以计算纵波波速。实验中选择单探头模式测量,即一个超声波探头既可以发射超声波,也可以接收检测超声波。具有问题意识的学生在实验开始时就会提出问题：如果超声探头利用逆压电效应按超声频率的电信号产生超声波,压电晶片做持续的受迫振动,它如何同时接收超声波？进一步思考,超声不仅用于缺陷检测、固体弹性参数测量,同时也用于医疗检测、工业超声清洗、焊接等领域,这些不同的应用领域,其超声的产生原理和实验技术是否相同？由此引起对超声波产生原理的深入思考和探究。做声速测量时,示波器上除出现一系列缺陷回波信号和底面回波信号,每个底面回波后面还有一系列等间距的逐渐衰减的回波信号,善于观察和分析的学生就会提出问题：这一系列回波是从哪里反射回来的？回波个数和强度衰减与哪些因素有关？由此引起对超声波传播规律和波型转换原理的深入探究。其实很多的实验都与超声实验相类似,实验过程中因为仪器结构和实验技术的原因会出现很多理论上预期不到的实验现象,这些意外的实验现象就是考查和培养学生对问题敏感力和洞察力的着力点,也是自主探究实验选题的入手点。

教师在学生选题阶段主要是引导和把关。引导学生善于观察现象、发现问题,进而深入探究,从解决实际问题入手,由浅入深、由表及理、循序渐进,不盲目追求高大上,培养学生对问题的洞察力、质疑能力和解决问题的能力,鼓励学生发挥个人特长,展示自己的创意和贡献。教师在审核学生的自主选题时从几个方面把关；一是课题实施的可行性,学生提出的实验探究课题能够利用实验室的实验条件或学校的开放设备完成,研究难度适合学生现有的知识水平和实验能力,具有一定的挑战性,又不能过高和过难,否则将不利于学生科研能力的提高和自信心的培养；二是课题的新颖性和原创性,只要有自己的创意点，便给予肯定和鼓励,例如实验技术、实验方法的改进、实验仪器的完善、实验内容的拓展等,没有新意的重复实验没有探究的意义；三是课题的方向和目标明确,学生一旦明确自主探究课题所要解决的具体问题和目标,就会激起挑战的勇气和兴趣,充分发挥主观能动性,积极主动地完成实验,保证实验的进展和质量。

3.2 培养学生独立分析问题、解决问题的能力

学生在选定实验探究题目后,开始实验方案的设计和实验方案的实施。设计实验方案要落实到实验仪器和实验方法的具体细节,在实验过程中学生会遇到各种想象不到的问题,每一个问题都要自己想办法解决,在不断发现问题、解决问题的过程中学生的综合素质和实践能力逐步提高。自主探究实验的过程犹如登山,明明山峰就在不远处,但登顶的过程道路坎坷曲折,困难重重,这就要求学生有“会当凌绝顶、一览众山小”的勇气和信心,有坚忍不拔的意志,有战胜困难、永不放弃的精神,当然要有科学的思维方式和运用知识解决问题的能力。

以超声实验为例,学生在提出问题后,就要自主设计方案解决问题。为了搞清超声波的产生原理,学生要想办法测量超声探头发射的超声波频率、用于激发超声探头的电频率,如果两者一样,则说明压电晶片按电频率做受迫振动,产生同频率的超声波。但测量结果显示两者的频率相差104量级,完全超出学生的预期。学生的问题看似又回到起点：超声波是如何产生的？超声波的频率与哪些因素有关？其实经过上述的实验探究,学生对超声波的产生原理虽然有所质疑、产生好奇,实际上已是螺旋上升了一个台阶：超声探头中压电晶片受到一个低频脉冲信号的激励,结果产生一个超声频率的高频振动。因此,下一步问题是找到压电晶片高频振动的来源。这时教师应利用学生的质疑心和好奇心,给予适当的启发和引导,“当告则告、不可告则不告, 中道而立, 使自得之。”“当告”的是科研的思维方法和分析问题的方法：高频振荡电磁波怎样产生？学生就会联想到 LC振荡电路。进而引起学生进一步探究超声探头内部结构的兴趣,发现超声探头设计的原理和精妙之处,这样通过不断发现问题、解决问题,层层深入,学生通过自主探究的实验过程一直处于积极主动的思维状态,不仅深刻理解实验原理,感受实验仪器设计的精妙,更重要的是体验到科学研究的方法,分析问题、解决问题的能力也得以锻炼和提高。

再如学生在做基于BBO晶体的I类参量下转换量子纠缠的自主探究实验时,参考文献的做法是先判断入射激光的偏振方向和BBO晶体的晶轴方法,然后调节光路和光学元件使入射光偏振方向和BBO晶体晶轴成45°角,以产生最大纠缠度的纠缠光子对。一旦在实验中发现晶体光轴角度有所偏差,则需要在光路中对BBO角度进行原位精密校准。文献的原位校准方法是通过旋转激光偏振和测量所用偏振片的角度,这样的做法操作十分繁琐,同时需要测量两条符合计数曲线寻找曲线交点,符合计数较小,会导致更大的误差和更长的测量时间。选做该实验的学生在实验过程中发现采用文献中的调节方法费时费力、精确度不高,学生积极分析问题,运用自己所学的理论知识和计算机编程技术,通过模拟计算,得到任意偏振片角度组合下旋转BBO晶体角度所得的单通道与符合计数率,其中单通道的曲线为周期为90°的正弦曲线。单通道偏振片偏振方向45°时,曲线斜率最大处位于BBO角度45°处。因此可通过对单通道计数的测量将BBO角度精确地确定到45°。然后对模拟结果设计实验予以验证,得到预期的实验结果。与文献中实验方法相比,所提出的方案在实验实现上不需要记录大量数据,仅需要两个观测量,并且这两个观测量能够在不改动实验仪器设置的条件下同时测量,做到原位矫正BBO角度,更加简便、易于操作,而且精确度高,提高了纠缠源的性能,提高了研究和教学实验的工作效率。学生的相关实验成果获得我校学生实验室建设贡献奖。

学生在做完实验后这样总结自己的收获：“我们发现问题后,查阅文献资料,提出解决问题的理论方案,基于量子力学的理论推导,独立得到结果,对结果进行数值计算与分析,再结合实验找到合适的实验方案。然后选购实验用品,搭建实验装置,测量分析结果。在这些工作中,我们进一步加深了对量子力学以及纠缠态理论的理解,相关的理论推导方法得到了练习,也在数值计算与参数选取方面得到锻炼。通过选购相关实验用品,我们对整个实验与研究的环节有了更多的了解和亲身体验。实验过程中遇到的困难和挑战也让我们意识到实验过程的复杂与艰难,体验到科研过程的曲折。在克服困难的过程中,我们在实验规划和整体建设的把控、团队分工合作、理论指导与实验内容相结合方面都有所实践,有所收获。”学生的收获和反应表明自主探究实验对培养学生独立分析问题、解决问题的能力,提高学生的综合素质和实践能力起着积极的作用。

3.3 激发学生的灵感,培养学生的创新思维,提升创新自信和能力

自主探究实验不限定实验内容,也不限于课内与课外,选题具有开放性和灵活性。学生在实验过程中会发现各种问题,由于实验课堂时间有限,我们把实验室交给学生,给学生课外探究和拓展的自由空间,点燃学生进一步自主探究的热情之火,培养学生的创新思维,提升学生的创新自信和综合实验能力。近代物理实验教学采用基础实验和自主探究实验相结合的方式,许多自主探究型实验题目来源于学生在基础实验中发现的问题。这种发现问题、独自解决问题的过程有利于激发学生的灵感,培养学生的创新思维,提升创新自信和综合实践能力。

例如电子衍射实验是经典的近代物理实验,对确立电子的波粒二象性和建立量子力学起过重要作用,也是分析物质表面结构最重要的方法。目前高校近代物理课程中一般都开设该实验,采用在火棉胶基膜上镀银膜作为样品观测电子衍射现象。因为火棉胶本身和其薄膜制备过程中用到的有机溶剂(乙酸正戊脂)都是有毒且易燃、易爆的化学品,如果实验室通风不当,配溶液制备基膜的过程对教师和学生有害,储存这些化学品也有一定的安全隐患。学生在做该实验时,结合自己在纳米中心的研究经历,提出用超顺排碳纳米管(super-aligned carbon nano-tube SACNT )薄膜做电子衍射实验的基膜设想,这一设想就是学生的灵感闪现,来源于学生对实验问题的思考和自己知识的积淀。学生抓住了一闪而过的灵感,得到教师的支持,开始自主探究实验的设计和实施。之后学生查阅文献,调研商家,设计仪器结构,调研相关器件的参数与价格,最后成功设计并搭建了一套由4个平台组成的从SACNT阵列制备SACNT薄膜的机械装置,操作简便,现已用于电子衍射实验教学。学生的后续实验表明超顺排碳纳米管薄膜是电子衍射实验更为理想的基膜,相比于作为高分子有机物的火棉胶,SACNT是一种准晶体,其结构更为有序(如各向异性和碳纳米管层的固有间距),其贡献的额外衍射信号将使学生能够从新的角度测量电子波长和晶格常数。不仅不会对样品的衍射图带来干扰,而且可以产生更加丰富的现象,提高实验的精度。此外,SACNT 是一种用途广泛的纳米材料,学生搭建的铺膜装置不仅改进了电子衍射实验,而且方便日后实验室利用SACNT薄膜做出更多有趣的工作,并借此机会增加学生对碳纳米管的了解,拓宽近代物理实验室的教学内容。

学生在完成该自主探究实验时这样总结：“这是我第一次自己设计、搭建实验装置,学到了很多东西。设计一个实验,有时候出发点是抽象的(基于基础理论),设计一套装置,初步的设想往往是很简单的,但是实现起来就必须细化所有目标和需求,制定详细的计划,这样才能和各方(实验室、商家、样品提供者)进行有效沟通,克服困难,高效完成目标。此外我也认识到,作为一个设计者,应该有长远的眼光,在一定的成本范围内,使自己的设计有尽可能多的用途和改进空间。就我们的工作而言,事先查阅仪器商的产品手册,根据产品参数初步确定装置的构成元件,然后基于这些元件向纳米中心定做SACNT 阵列,最后搭建、调试装置并加以改进。我们希望这个装置能够有多种用途并可以长期使用,于是采用了比较灵活的设计。我们后来自己也体会到了：我们的装置可以较容易地制备双层交叉膜,从而验证我们对SACNT薄膜的特征衍射斑形成原因的猜想。”从学生真实的体验中可以感觉到学生通过自主探究实验收获的自信和能力的提高。

自主探究实验给学生发挥特长和展现能力的自由空间,学生在自主探究实验中没有各种条条框框的束缚,实验过程中会遇到各种意想不到的困难和问题,往往一波未平、一波又起,这种跌宕起伏的实验过程和很多不确定因素,对学生心智的成长、品格的塑造、毅力的考验、能力的提高和创新思维的萌芽都起着积极的作用。每至期末学生交流,学生体会最深、收获最大的就是自主探究实验的曲折过程。很多学生表示这样做实验才体会到做实验的乐趣,是自己做真正的实验,即使结果未达到预期，甚至失败,也收获良多，影响深远。