应用物理学专业实验课程项目式教学探索

2020-01-08宋淑梅辛艳青王昆仑

科教导刊 2020年24期

宋淑梅孙珲辛艳青王昆仑

（山东大学空间科学与物理学院山东·威海 264209）

物理学是以实验为基础的学科，高校理工科各专业都会开设各种层次和类别的物理实验课程。通过实验中蕴含的丰富物理学知识和思想、物理实验方法和手段，不仅可以培养学生严谨的科学态度和工作作风，而且在培养学生的动手能力、观察能力、团队协作能力、创新能力、分析问题和解决问题的能力等方面具有其他课程不可替代的作用。[1-2]

专业物理实验是我校应用物理学专业本科生在普通物理实验及近代物理实验的基础上开设的一门必修实验课，实验内容综合性很强，涉及知识面宽，专业性强，旨在通过复杂的实验过程，为应用物理专业本科生提供科学研究的锻炼机会，加深对大型科研仪器结构的了解和工作原理的认识，拓宽学生的知识面，使学生对科研实验的严谨和复杂有切身体会，培养和锻炼学生的综合能力。

1 应用物理学专业实验课程传统教学工作存在的不足

我院应用物理学专业实验所用仪器几乎全是大型专业设备，课程涉及的内容广泛，包括：射频磁控溅射制备透明导电薄膜、电子束蒸发法制备多层光学薄膜、透明导电薄膜快速退火处理、台阶仪测量薄膜的厚度、X 射线衍射分析物质结构、扫描电子显微镜与X射线能谱仪实验、电输运测试综合实验、海洋食品的傅立叶红外光谱表征方法、硬质涂层的制备、硬质涂层的力学性能表征等。在多年从事应用物理专业实验课程的教学工作中，我们发现该课程还存在一些较为明显的不足，具体包括：

（1）教学方法单一，难以激发学生学习兴趣。目前的教学方式主要是教师讲解设备工作原理、用途和特点等，然后边演示实验过程，边讲解设备操作过程和注意事项等。由于是大型专业设备，仪器涉及的原理较难，结构复杂，精密性高，操作过程繁琐，需要注意的事项很多，除了个别操作稍微简单的实验之外，学生基本上没有全程亲自动手操作的机会，因此很难掌握专业实验的全部内容。由于直接动手操作的参与度较低，影响了学生学习的积极性和主动性，导致学生学习兴趣不高。

（2）受到课时限制，教学效果不尽如人意。目前我们的专业实验课程，一个实验一般安排四个学时，对于一些复杂的实验来说，理论部分涉及知识面很广，难度大，操作步骤复杂，学生很难在上课时间内完全掌握实验的原理、应用范围、操作过程、注意事项、安全制度等内容。例如：射频磁控溅射制备透明导电薄膜实验中，学生首先要学习磁控溅射、射频磁控溅射的工作原理和特点，旋片式机械泵、涡轮分子泵、电阻真空计、电离真空计等的工作原理和使用范围。然后，需要了解透明导电薄膜的特点及应用等内容。最后，需要掌握从更换靶材、衬底清洗、抽本底真空、进气、起辉、溅射、取样等一系列制备过程。整个过程需要花费的时间长，对于很多同学来说，难以在四个学时内圆满完成教学目标，教学效果大打折扣。

（3）成绩评定方式简单，考核成绩难以反映学生真实表现。关于该课程的考核方式，多年来一直是依据课前预习、课堂实际操作和实验报告（包括数据处理）三个方面的表现，按照一定的比例给出学生该课程的成绩。这种方式很容易导致实验报告因抄袭而雷同，难以区分学生成绩，导致考核成绩与学生真实表现往往存在差异，不仅打击了优秀学生的学习积极性，同时也让部分同学钻了空子、滥竽充数，最终导致成绩评定有失公平。

（4）实验报告书写浪费时间，与教学目标背道而驰。在实验报告书写环节，很多学生将实验报告当成是一项任务，为交报告而写报告。通过网络、书籍等渠道搜集资料，生搬硬抄大量实验原理、实验操作过程等内容，却没有做到真正理解。这样做不仅抹杀了学生的学习兴趣，而且与培养和锻炼学生综合能力的教学目标背道而驰。

2 应用物理专学业实验课程项目式教学探索

2.1 项目式教学法的特点

项目式教学法启源于库珀的体验式学习理论和杜威的实用主义教学理念，其核心思想是通过真实问题，捕捉学生的兴趣，唤起其深度思考，在解决问题的情境下，使学生获得和应用新的知识。[3]与传统的教学方式相比，项目式教学突破了传统的“以课堂为中心，以教师为中心，以教材为中心”的教学模式，改变学生被动接受教师知识传授的学习方式为主动学习方式。通过构建开放的学习环节，以“学生为发展为中心，以学生学习为中心，以学习效果为中心”，[4]充分发挥学生的主体作用和主观能动性，通过主动探索的学习方式，激发学生的创造性思维，提高学生专业素质和综合竞争力，培养具有高阶思维能力的人才，[3]以满足当今和未来社会的需求。

2.2 应用物理专业实验项目式教学设计

2.2.1 制定教学计划

结合我院应用物理学专业人才培养方案，修订专业实验课的教学大纲，重新编排教学内容，重新准备教案。以一种薄膜材料为主线开展薄膜的制备、性能表征、性能的改善、薄膜材料的应用等递进式过程，将孤立离散的知识点贯穿整个实验过程，通过解决一个有实际应用价值的项目，帮助学生学习和理解薄膜物理与技术、材料性能、材料性能表征等方面的理论知识和实践操作。合理设计教学项目、项目实施规划、项目评价机制等有关内容，保证教学过程顺利进行。

2.2.2 规划教学项目

从教学大纲出发，考虑学生的基础知识储备与学习能力，结合任课教师的横向与纵向科研项目，利用实验室的硬件设备，将原来的薄膜制备、材料性能测试等十几个独立的实验重新整合，设计包括研究磁控溅射法制备透明导电薄膜及性能研究、多弧离子镀制备超硬薄膜及性能研究、电子束蒸发制备光子晶体及性能研究、薄膜晶体管的制备与性能研究、超疏水薄膜的制备及性能研究等多个类别的项目。通过项目的实施，学生将学习到薄膜材料的多种物理气相沉积法的工作原理与工艺流程、真空技术、材料结构性能表征、材料表面形貌表征、材料光电性能表征、材料力学性能表征等多方面的知识。每个项目涉及的薄膜材料或者器件在光电子技术、太阳能电池、切割刀具、信息技术、平板显示等多个领域有着广泛的应用，项目内容与实际应用紧密相连，这将大大激发学生的学习兴趣与热情，学生的文献查阅能力、动手实践能力、思考能力、协作能力都将得到有效提升。

2.2.3 实施教学项目

（1）项目开题：前期指导学生分组，每组选定负责人，组织小组成员进行文献查阅，在某个项目类别里选定某一种或者两种具体的薄膜材料，比如透明导电薄膜项目类别里选定铟锡氧化物半导体薄膜、在超硬薄膜类别里选定碳氮化钛硬质薄膜等作为具体的研究材料。学生在老师的指导和帮助下，自行设计实验方案，撰写项目任务书、选定研究方法、制作开题报告陈述PPT 等。在此过程中学生将进行小组协作、文献调研、学术型PPT制作等多项训练，也促进了学生对以往所学知识的升华和对新知识的探索。

（2）项目实施：教师合理使用传统式教学、启发式教学、个性化教学、研讨式教学、[5]线上线下相结合教学等多种教学方法全程指导学生完成实验项目。建立开放性实验室，学生可以结合自己的课程安排，灵活合理地规划实验时间，合理利用相关薄膜制备和性能测试等实验设备，这样做既可以增加学生的实验时长，解决之前受课时限制，教学效果不理想的状况，还可以大大增强实验室仪器设备的利用率，学生也得到了更多的锻炼和学习机会。在项目实施之初，需要教师指导学生进行大型设备的操作，讲解注意事项。仪器设备的工作原理则完全可以交由学生自行进行学习、讨论与交流，遇到难点则可以随时与教师进行研讨，遇到课余时间教师不在实验室的情况，则可以利用线上交流的方式与老师沟通。项目实施过程中，要定期组织学生汇报研究进展、展示研究过程，组内讨论与小组之间的讨论。随着学习过程的不断深入，学生不仅要制备薄膜材料，还需要思考解决如何提高薄膜材料或者器件的性能。通过项目的实施，学生不仅理解了仪器设备的工作原理、操作方法与步骤，更重要的是锻炼了思考能力、发现问题、分析问题与解决问题的能力。

（3）项目结题答辩与评价：学期末学生提交项目结题报告，并组织学生进行项目结果展示与答辩，同时给予各个项目客观评价。评价方法多样化，包括教师评价、小组自评、小组互评等方式，通过小组自评和小组互评有效发挥学生的主体性与能动性。通过互评实现评价主体的互动，通过自评促使学生更深入的自我判断、自我归因、自我反思，从而有效促进学生自我发展、自我实现，切实提高学生的综合素质。评价标准多维化，教师评价考核点包括项目开题、项目实施、项目答辩等主要教学环节。评分标准涵盖学生报告书写能力、学术答辩PPT 制作能力、项目实施过程实验设备操作能力、项目实施过程分析问题与解决问题的能力等。