浅谈大学物理实验教学促进“卓越计划”实现

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  摘 要:阐述在大学物理实验的教学中,应基于严谨治学的科学态度,实现以学生为主导实验教学方法,不断更新教学内容以增加实验中物理原理的新技术、新应用,通过拓展学生能力培养时间与空间、搭建大学生创新实验平台,建立面向解决问题的教学理念,培养学生的工程能力和创新能力,实现“卓越计划”。
  关键词:卓越计划 大学物理实验 实验课程要求 能力培养
  中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1007-3973(2011)012-164-03
  1 引言
  教育部“卓越工程师教育培养计划”(简称“卓越计划”),是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》和《国家中长期人才发展规划纲要(2010-2020年)》的重大改革项目,也是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措。启动“卓越计划”,加紧培养一批创新性强、能够适应经济和社会发展需求的各类工程科技人才,着力解决高等工程教育中的实践性和创新性问题,提高科技创新能力,对于加快经济发展方式的转变、实现未来我国经济社会的持续发展,具有重要意义。
  实验课程是高等学校教学中理论联系实际的桥梁,而大学物理实验课程是学生进入大学后接触的第一门独立设课的实验课程。课程的覆盖面广,具有丰富的实验思想、方法、手段,同时能提供综合性很强的基本实验技能训练,是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础。它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力和创新能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用。在2010年版的《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》中特别提出了通过物理实验教学要达到能力培养的基本要求,即独立实验的能力、分析与研究的能力、理论联系实际的能力、创新能力。大学物理实验课程的基本要求与“卓越计划”的目标比较,两者能力培养的要求是相通的。课程要求的实现能够促进“卓越计划”的实现。
  上海工程技术大学作为第一批“卓越工程师教育培养计划”高校之一,按照教育部的要求积极组织实施“卓越工程师培养计划”的设计方案,进一步深化教学改革,创新人才培养模式,切实通过一系列课程的学习和实践强化培养学生的工程能力和创新能力。从2010-2011学年第二学期开始,学校将大学物理实验课程列为车辆工程(汽车工程、城市轨道交通车辆工程)、飞行技术等专业的“卓越计划”课程教学。力图通过实验课程的教学对该专业的学生加强理论联系实践能力、创新能力的培养。通过课程的教学实践,针对大学物理实验作为“卓越计划”之一的课程,要让学生通过学习,真正“卓越”,就实验课程教学而言,要注重以下几个方面。
  2 “卓越计划”的实现要以严谨治学为基础
  在大学物理实验教学中要培养学生严谨的治学态度。我们在“卓越计划”教学班的教学环节上坚持严格要求:每个实验前要做好实验的准备;实验进行的过程中要观察细致、记录完备,数据留档;实验结束后的实验报告要实事求是,如果有实验错误要进行分析、讨论,力求找到实验中出现问题的原因。在教学中,要培养学生严谨细致的科学作风,实事求是的科学态度,教师可以从引导学生正确对待对自己实验中产生的问题着手。出现测量数据错误导致实验结果不正确,不要简单否定自己、更不能篡改实验数据。我们的处理方法是让学生在实验报告的“实验分析”中分析讨论实验中错误产生的可能原因,并指出如何避免产生同类错误。例如我们开设的“衍射光栅”实验,是要求学生用测量数据验证光栅方程。在教学中会因为实验仪器分光仪的调节较难,实验的时间较为紧张,有学生因仪器、光栅的调整未能达到正确测量的要求,出现测量错误而未能证实光栅方程的正确性。是光栅方程错误?还是测量错误?错在那里?如何避免?为了让学生真正理解实验的物理原理、仪器调节原理、光栅衍射角的正确测量方法,教师会鼓励学生找出自己问题的所在,不是简单将该实验成绩判为“不及格”。在这种求是的氛围中,有的学生会再到实验室来,重复实验的过程,经过自己的思考和分析,找到自己实验中测量数据错误的原因,有些是读数方法的错误、有些是光栅表面未能与入射光线垂直或者未能注意到光栅缺级现象等等。对于找到问题症结的学生,他们所获得的不仅是理解了实验理论、学会正确调整实验仪器、测量出正确的实验数据、得到一个理想的实验结果,同时重要的通过这个寻找问题、解决问题的过程中培养了自己实事求是、探究真理的精神。这种科学的精神可以推进学生在今后的人生中勇于探索、克服困难,开拓创新。
  3 “卓越计划”的实施要研究教学方法
  在物理实验教学中,应确立以学生为中心的教学观念:教师起引导作用,学生自身则起主导作用。教学目的的实现应该通过调动学生的主观能动性实现教学目的。教师在教学方法上要因人而异、因班而异。这样才能因材施教实现“卓越计划”。传统教学方法中是在实验之前,往往是教师将实验原理、重点、难点讲解一遍,对操作较为复杂的仪器还会做出实验演示。因为课时的限制、学生个体动手能力的差异等,目前的教学要在有限的课时内让有个体差异的学生达到同样的教学效果,通常是学生只要被动地按照老师演示的步骤机械的重复实验操作,就能成功的测到数据,完成实验。但是这样进行实验教学,会使学生在思想上对教师的指导产生依赖,导致学生主动思考、解决问题的能力不够,有些学生会按部就班、应付了事;对思维活跃的学生还会因为教师一上来就将实验的“重点、难点、技巧”一一叙述,使他们由原先的好奇心和探究的兴趣而对实验“跃跃欲试”,也变得失去研究的动力,因为“实验
  的谜底”在做之前就已经揭晓。所以,要实施“卓越计划”,在实验前的讲解中可以略去一些物理原理的叙述,相应地提出一些问题让学生思考。实验的引入可以考虑如何充分调动学生的实验积极性。教师可以通过各种有趣的物理史实、物理现象,例举一些与学生的专业或专业知识相联系的物理原理和实验技术。如在做“霍尔元件测磁场”实验时,可以对霍尔元件的应用作一些介绍。基于物理原理霍尔元件可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的测量中使用。运用霍尔效应的磁传感器,已发展为品种多样的磁传感器产品族,得到广泛的应用。如:霍尔加速度传感器,以测量汽车行驶时的纵向和横向的加速度等。做“声速测量”实验时,可以将空气中声速、液体中声速、固体中的声速引入,不同的实验结合了不同的应用,对不同专业的学生会使他们提前接触到与各自专业相关的物理原理和技术,不仅会使他们对所做的实验感兴趣,也会使他们在基础实验课程中逐步接触到与专业相关的理论和实验知识,对专业兴趣的培养和专业能力的建立具有初步的作用。所以在实验课上,可以适度的增加课程中内容的新鲜感、趣味性,引起学生的注意,然后适当的提出问题,以激发学生的求知欲望和学习兴趣。
  4 “卓越计划”的实施要不断更新教学内容
  除了要研究教学方法,教学内容也要不断更新。课程的基本实验内容应该保留,其它的实验内容要结合物理理论和实验技术的发展现状,不断更新、与时俱进。这样会有利于学生在掌握了基本的实验理论和方法之后,对本专业和学科的先进的技术及应用有一些初步了解,有助于“卓越计划”的实施。国外一些大学的物理实验教材多是自编的讲义,这与我国目前实验教材大多采用正式出版的书籍大不相同。究其原因,是因为他们的在保留一些基本的教学内容,其余内容经常修改。因而不必要也不可能用正式出版的書籍。他们追求的是新颖、现代、有特色,而并不追求完整、系统、规范化。这种教学思想与我们有较大差异。国外一些大学都强调教材不必要象操作手册一样将实验步骤一步一步写得很清楚,让学生按部就班去做,这种教学方法对于培养学生的创造性思维造成一定的限制,不利于人才的成长。物理实验的教学的目的不只是教学生会使用各种仪器设备,也不仅是让学生学会一些实验的方法与手段,主要是让学生通过物理规律的探索和物理原理的运用,从理论→实践→理论→实践……这样不断重复上升的过程,使学生在实验中不断思考,发现问题、思考问题、解决问题。所以,在实验教材中应该多提出一些问题,让学生在实验前、实验中和实验后思考,也可以用师生共同讨论的形式探讨实验中出现的问题。总之,应该让学生在实验中既动手又动脑,用动脑来指导动手。针对“卓越计划”教学班的专业特点,我们在实验教学计划中除保留一些实现基本实验技术的实验之外,针对他们精选了一些有针对性、结合专业技术和特点的实验。如新近开设的巨磁阻效应实验、光敏电阻的特性曲线测量、光学显微镜测量液体的接触角以及多个运用传感器技术的实验。不仅在实验中作一些有针对性的拓展,还要求学生在实验报告中,将实验原理或技术结合专业或兴趣做一些分析和讨论,或者也可以提出一些问题。教学相长,希望学生的问题和观点,促进教师的思考和教材的改进。
  5 不断拓展课程的空间和时间,培养学生的工程能力和创新能力
  “卓越计划”的大学物理实验课程按计划和教学进度在课堂进行教学,但对学生工程能力和创新能力的培养不应局限于教室。可以通过利用多种空间、不同的时间进行。我校物理实验中心的演示实验室,开设了行星运动、雅各布天梯、涡电流力学效应演示仪、伯努利悬浮器和激光琴等演示实验。中心的走廊上也布置了 “普适摆”、“锥体上滚”“千里耳”等实验设备。常常看到课间,学生聚在仪器前探讨“千里耳”的原理,或者研究“锥体上滚”的奥妙……没有教师的参与,学生的讨论更自由、更宽松。所以在教学的空间和时间上,我们应该不断地进行拓展。演示实验室开放存在人员不足的问题,是否可以让学生自我管理(勤工俭学);走廊实验也应该有计划有步骤地更新。充分利用这些硬件设施为学生展示物理学理论及其新技术的应用。物理实验室还有不少淘汰、报废的仪器、工具和元器件,设想如果学生有兴趣,可以对这些废旧仪器拆装并进行修理、组合,或组合成新的实验器具。如果能够在确保安全的前提下开展这些活动,不仅有利于学生进一步理解和了解仪器的设计和工作原理,通过这些工作,学生动手能力和分析能力都会有所提高。教师还可以通过搭建创新实验平台,让有想法、有兴趣的学生在课余的时间到实验室来,通过自己动手设计的实验解疑释惑,以此开发学生的实验兴趣和个性特长,使他们养成通过实验探究未知,大胆质疑、勇于创新的科学精神。拓展实验探究的时间和空间,营造宽松的环境,使学生让学生充分体验实验探究的过程,安排足够的时间和空间让各种想法、各种观点进行充分的碰撞和交流。李政道博士在对中国科技大学少年班的一次演讲中说,18世纪前,许多发明创造都是中国人做出。但现在中国发明创造较少了,是因为中国学生动手太少了,不重视动手,以为动手就非要有精密的仪器、做复杂的实验。其实,有时使用简单的仪器,废旧的材料,经过巧妙的设计和精心的安排照样能培养学生的创新意识和实践能力。
  6 建立面向解决问题的教学理念
  “卓越计划”中要强化培养学生的工程能力,实际就是加强培养学生理论联系实际,解决实际问题的能力。大学物理实验所做的一个个实验,也可看作解决一个个实际问题。它是以物理实验的知识、方法和技能为基点,通过各种实验阐述近代科学技术中实验的一般特点,并通过实验者自身的实践来体会和熟悉这些特点,并实现实验目的所提出的目标。在实验课程的教学中我们应该探索一种面向问题的教学与学习模式,引导学生主动参与学习,培养学生在学习中发现问题、分析问题和解决问题的能力;在对学科知识的运用实践有所了解的基础上,将所学知识系统集成、综合运用。我国科学界有位权威人士曾说过:“从理论到实验,这是一个进步,从实验到商业应用,这又是一个进步。中国的基本理论并不弱,只是实验和应用方面比较弱。”此话值得每一个从事应用技术的人深思,也值得我们从事实验教育的教育工作者深思。
  7 结束语
  “卓越计划”是贯彻落实《国家中長期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》和《国家中长期人才发展规划纲要(2010-2020年)》的重大改革项目,是党的十七大以来,党中央、国务院做出了走走中国特色新型工业化道路、建设创新型国家、建设人才强国等一系列重大战略部署,这对高等工程教育改革发展提出了迫切要求。作为高校教师应该不断思考如何在自己的教学工作中,更好地实现改革工程教育人才培养模式,提升学生的工程实践能力、创新能力和国际竞争力,加快我国向工程教育强国迈进。
  
  参考文献:
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