“一核双翼三阶”物理实验教学体系研究与实践

刘志海, 孟 霆, 武立华, 张 杨, 李 平, 王立媛, 李 松

(哈尔滨工程大学 理学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

物理学是一门理论与实践结合紧密的科学[1-3]。物理学探究物体与物体间的相互作用、物体的能量和它们之间的相互作用。物理学探索着自然界万物的运动规律,推动社会科学技术的发展,是其他一切学科研究,以及整个社会文明发展和进步的基础[4-6]。所以通过学习物理学可以提高学生分析问题、解决问题的能力,提高学生的动手实践能力，进而培养学生的科学素养、养成积极探索研究的科学习惯,培养创新和创业精神[7-9]。社会的发展要求高校培养的人才不仅具有扎实的理论基础,还要有较高的科学素养和创新创业精神[10-12]。为实现这一培养目标,通过实验教学研究、实验仪器及教学手段更新、实验课程实施、学生科创活动组织、创新竞赛设计、考核方式转变、高校示范辐射作用、社会服务等多个教育教学维度协同发展,构建了“一核双翼三阶”的全新物理实验教学系统,为此建设了3个不同作用的物理实验教学辅助平台。

1 “一核双翼三阶”多维实验教学体系结构组成

“一核”指以人才培养为核心,通过实验教学体系和学生培养体系的协同发展提升学生科学素质和创新精神。

“双翼”指在“人才培养”核心教育任务下,构建了高水平物理实验教学体系和协同创新的人才培养体系。“双翼”中的物理实验教学体系是指以教师为主体、以转变教育观念和教育思想为先导,开展课程体系、课程内容和教学模式的改革和建设,以及发挥物理国家级实验教学示范中心的示范辐射作用以及服务社会的功能。“双翼”中的协同创新的人才培养体系则是以学生为主体,以大学物理实验、大学物理演示实验为起点,以物理演示仪器创新与设计课程、大学生科技训练计划为实践环节、物理仪器创新设计大赛为竞赛内容,以大学物理实验课程、大学物理演示实验为效果检验、分析、评价及反馈的人才培养途径与模式。

“三阶”指建立以演示实验激发学生探索科学的好奇心的演示实验教学平台。大学物理基础实验作为培养学生科学素养的基础实验教学平台,综合性实验和设计实验是培养学生创新能力和解决实际问题的综合素质的三阶教学平台。图1是“一核双翼三阶”多维实验教学新体系的结构组成图。

图1 “一核双翼三阶”多维实验教学新体系结构组成图

(1) 好奇心的唤醒——实验体验教学平台。大多数本科生入学后首先接触的就是大学物理实验这门实践性较强的课程。学生刚刚走过10多年的应试教育的艰苦求学之路,在之前的题海战术训练中,学生认识事物和探索自然的好奇心已经所剩无几。怎样再次激发学生已经基本被磨灭的好奇心,再次燃起学生探究自然规律的渴望,唤起学生消失许久的认识自然、探索自然和改造自然的本能,就变成大学物理实验教师的工作任务和首要、且最重要的工作目标。所以,根据物理演示实验室中展示的物理实验内容,撰写演示物理规律的演示实验教材《触摸科学·体验发现》,并与“著名物理学家科研经历定期讲座”“大一新生探讨课”“3D影像介绍科技新发现”等课程相结合,构建激发学生探索自然规律的实验体验平台。此平台拥有数百项演示实验内容供学生实践体验,实验室占地总面积600余m2,包括“海洋的奥秘”“力学的探秘”“数学的神奇”“光学的奇妙”“光纤的美妙”“电磁学的神秘”“光学的炫丽”等演示实验室、多媒体放映厅以及特色功能区。这些带给学生的不仅仅是一顿视觉盛宴，或一个个扣人心弦的科学疑难,更是通过参观引导学生慢慢学会享受物理,享受物理带来的无穷惊喜，图2为演示实验室一角。

图2 物理演示实验室

(2) 科研素养培养——物理学的基础理论与实践相结合的平台。众所周知,科研工作不能单凭热情和好奇心,它要依靠的是系统的完善的基础理论及不同层次的实践检验用以夯实学生的理论功底和解决问题的实践能力,培养学生的科研习惯和提高学生的科研能力。为达到培养综合素质、适应社会发展的人才,撰写了用于课堂教学的普通物理参考书——《解析深邃思想·领会物理精神》和大学物理实验参考书——《操纵物理仪器·获取实验方法》。在理论上,不仅对于物理基本概念、定理和定律进行清晰的阐述,而且特别注重从物理本质上做出深刻的叙述与分析。通过力、热、声、光、电等一系列基础物理实验培养学生理论和实践紧密结合的学习习惯,提高学生理论指导实践的能力，图3是学生实验现场。

(3) 创新与探索——提高科技创新能力。唤醒了学生对形式多样、内容丰富的科研工作的好奇心之后,通过科研素养培养平台,使学生又有了科研探索和创新的能力,因此学生的改造自然和创造新事物的愿望自然会涌上心头。社会的进步离不开科技的创新,科技创新是国家繁荣昌盛的源泉。青年学生是科技创新的主力军,所以培养满足国家发展需要的综合素质高的人才是高校一切教学活动的终极目标。为达到这个目标,设计并构建培养学生创新与探索精神的物理实践教学平台,设计并建设理学之光科技创新中心,中心现有用房面积300 m2,固定资产投资150余万元,为大学生创新活动提供了有力的场所和资源保障。另外本教学团队还和美国海洋光学公司联合建立了“哈尔滨工程大学—美国海洋光学联合创新实验室”。由美国微芯(Microchip)科技公司出资,在物理实验教学中心建立了“哈尔滨工程大学-微芯科技微处理器联合创新实验室”,成为企业支持学生创新活动的亮点。

图3 学生实验现场

2 “一核双翼三阶”多维教学体系的教学方案

要实现上述人才培养的目标,就要在教学实践中设计一系列切实有效的教学方案,以达成这一教育目标。

2.1 全方位开放的教学模式

在“一核双翼三阶”的实验教学新体系的框架下,坚持以培养学生创新能力为核心任务,利用教务系统学生可自由选择上课时间,并建立了慕课、微课、翻转课堂及师生见面课等混合型教学模式,突破了传统物理实验室空间的约束。在时间上,学生可以自主选择上课时间；针对大学物理实验与不同专业学生专业背景严重脱节的问题,在选择和设计实验时充分考虑到这点,力争为不同的专业提供尽量多的实验项目,设计并开放培养学生解决实际问题能力的综合设计和创新性实验。这些实验可以为学生提供相应的设备支持,在操作过程中可以反复实验以达到理想结果,遇到问题可以小组讨论合作解决,鼓励学生提出创新思想并将其付诸实践以促进科研能力的提高。在空间上,利用创想工作室进行不定期科技小发明竞赛、科学微电影科学话剧等丰富多彩的教学模式,结合学生团队合作、教师统一指导的学习模式,拓宽学生学习物理实验的范围。此外,加强了实验室硬件建设,为培养学生能力提供高水平硬件平台。同时,采用新版彩色印刷实验教材,有效提高学生的学习兴趣，图4为大学物理实验教材插页[13]。

图4 为大学物理实验教材插页

2.2 改进实验教学方法与实验技术

按照因材施教的思路,在常规实验的基础上,为“陈赓班”开设具有拔高的DIY研究型实验项目(见图5),同时以团队的方式进行实验。目的在于充分调动学生的兴趣和能动性,让学生尽可能地以团队方式参与到整个实验过程当中,创造一个科学探索的氛围,从实践中提升能力,培养团队精神。

图5 DIY研究型实验项目

同时,本团队将实验技术的研究同科学研究置于同等重要的地位,充分调动了全体教师参与实验技术研究的积极性,不断改进实验技术,并已取得相应研究成果。近年来承担教育部教改项目1项、省级教改项目5项、校级教改项目22项、获校实验技术研究立项15项。学生参与自制物理实验教学仪器20多种。这些实验项目及自制教学仪器不但更新了实验内容,还被全国80多所高校(包括香港理工大学)使用。

2.3 学生培养体系设计与实施

依托我校深化创新创业教育改革示范高校平台,开设了“物理实验仪器的创新与设计”“体验创客”课程通识教育选修课程,已连续开设4年,形成了完整的课程教学大纲和课程讲义。该课程有效地联接大学物理、大学物理实验及学生科技创新活动,深受广大学生欢迎。

作为实践环节,设计并实施了学生科研“物理仪器创新设计”专题立项。设计并实施了“物理演示仪器创新设计大赛”,为学生提供展示科技创新成果的平台。哈尔滨博敏科技有限责任公司是在校大学生创办的科技服务型公司,以哈尔滨工程大学物理仪器创新设计大赛为依托,宗旨是把学生创业、学生创新等与物理思想及科学研究结合起来。

成立的假日科学广场是发挥高校社会服务功能的窗口,该广场为学生提供向社会展示科研成果的平台。广场通过多样化的活动设计、多面性的科学主题、多元化的活动内容,面向社会开放,提供参观者亲近科学、学习科学、了解科学的机会。图6为中学生观摩本校学生创新作品。该活动自开展以来举办科普讲座300多次,接待大、中、小学生等社会各界人士参观24 000余人,受到“哈尔滨新晚报”“黑龙江晨报”的连续报道,并被认定为“黑龙江省科普教育基地”。2012年“假日科学广场”获得国家“首届科技场馆科学教育项目展评”三等奖,是唯一入选高校;2014年“假日科学广场”活动获全国科普日优秀特色活动称号。

图6 中学生观摩本校学生创新作品

3 结语

构建了“一核双翼三阶”的多维实验教学新体系,形成了国内一流的多功能、多层次、开放型理工类物理实验模式。设计并建设“激发好奇心”“培养科研素质”和“培养创新能力” 3个层次递升、蕴意深远、内涵朴实的实验教学平台，并发展了与之相应的物理实验教材新体系。从体系构建的角度讲,其中大学物理实验课程、大学物理演示实验、假日科学广场既作为教学环节,也是分析、评价、反馈环节。实践课程、科技立项、学科竞赛构成了实践环节,假日科学广场为学生提供了社会活动的平台,科技作品(物理演示实验仪器)亦促进了学生的创业活动。因此该体系是一个教研环节、教学环节、实践环节、社会活动、创业活动多维度协同工作的特色创新培养体系。目前该体系已在我校实践4年,其教育教学成果已获得省教学成果奖。