基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的物理實驗教學(xué)改革

基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的物理實驗教學(xué)改革

0大學(xué)理念下的創(chuàng)客教育思想“學(xué)習(xí)和研究”是指引導(dǎo)學(xué)生“在中學(xué)、在學(xué)習(xí)和研究中發(fā)展”。這是符合理解發(fā)展規(guī)律的人才培養(yǎng)理念。這種理念突破了傳統(tǒng)教育中重知識輕能力、重結(jié)果輕過程、重經(jīng)驗傳授輕親身體驗的限制,著力改善了人才培養(yǎng)中缺乏實踐的環(huán)節(jié),或者說很多的實踐環(huán)節(jié)流于形式,從而導(dǎo)致學(xué)生知行分離并缺乏創(chuàng)新精神的狀況。由于學(xué)生在接受高等教育之前,已經(jīng)接受了多年的應(yīng)試教育,到了大學(xué)階段我們該如何倡導(dǎo)科學(xué)教育改革,進(jìn)行科學(xué)探究式教學(xué),該如何通過喚醒學(xué)生的創(chuàng)新意識、激發(fā)其創(chuàng)新思維、涵養(yǎng)其創(chuàng)新品格、正確引導(dǎo)與培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新技能,已成為亟待解決的課題。對于傳統(tǒng)教育的弊端,無論是中國清初的教育家顏元還是現(xiàn)代西方教育史上的代表人物杜威都有著清醒的認(rèn)識,他們分別提出了“主動習(xí)行”和“從做中學(xué)”的教育思想。受此影響,上個世紀(jì)20年代,東南大學(xué)郭秉文校長就十分推崇實驗教學(xué),他提出“欲養(yǎng)成思想的能力,必注重興疑與試驗,欲養(yǎng)成應(yīng)用能力,必注重理想、理論與實際的聯(lián)絡(luò)[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]?！痹诖死砟畹闹笇?dǎo)下,東南大學(xué)素有重視實驗教學(xué)的傳統(tǒng)。上世紀(jì)90年代以來,學(xué)校先后承擔(dān)了多項教育部重大實驗與實踐改革課題的研究與實踐,并圍繞“理論教學(xué)、實踐教學(xué)、自主研學(xué)、網(wǎng)絡(luò)助學(xué)”四位一體的教學(xué)模式,建成了適應(yīng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的集成優(yōu)化、開放靈活的現(xiàn)代化軟硬實踐平臺,構(gòu)建了立體開放的創(chuàng)新實驗教學(xué)體系。在全校重視實驗教學(xué)改革與建設(shè)的整體氛圍的帶動下,物理實驗中心作為國家級實驗教學(xué)示范中心也在為創(chuàng)新人才的培養(yǎng)不斷思考,不斷改革,不斷建設(shè),尤其是如何在基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生“做學(xué)研”做了一些思考及探索。1基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)的目標(biāo)目前,我國高等教育的教學(xué)模式正從課堂中心、教師中心、教材中心的傳統(tǒng)模式向?qū)W生自主性、研究型、個性化新型模式轉(zhuǎn)變,因此實驗教學(xué)的內(nèi)涵及目標(biāo)也在不斷演進(jìn),并成為現(xiàn)代大學(xué)教育一道常做常新的課題。在傳統(tǒng)理解中,大學(xué)實驗教學(xué)最基本的目標(biāo)在于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、靈巧的實踐動手能力,同時幫助學(xué)生理解、掌握和運用理論知識,使學(xué)生掌握綜合調(diào)研、分析測試、方案設(shè)計、編寫報告等基本科學(xué)素養(yǎng)。在新的形勢下,大學(xué)實驗教學(xué)需要在原有的人才培養(yǎng)目標(biāo)的基礎(chǔ)上,給實驗教學(xué)理念、實驗教學(xué)目標(biāo)以新的內(nèi)涵。基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)作為大學(xué)實驗教學(xué)的起點,是新生進(jìn)入大學(xué)后最早接觸的實驗實踐環(huán)節(jié)之一,如何引導(dǎo)學(xué)生拋開中學(xué)階段重理論輕實踐的影響,如何引導(dǎo)學(xué)生盡早進(jìn)入實驗室,適應(yīng)大學(xué)學(xué)習(xí)模式,是基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)所要完成的任務(wù)及目標(biāo)。為此,物理實驗中心為基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)賦予了新的實驗教學(xué)目標(biāo)及內(nèi)涵:引導(dǎo)學(xué)生在“做中學(xué),在學(xué)中研,在研中創(chuàng)”。(1)從應(yīng)試教育的學(xué)習(xí)模式向大學(xué)的自主學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生提供及早進(jìn)入開放的實驗環(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)的條件,引導(dǎo)廣大新生盡早從應(yīng)試教育的學(xué)習(xí)模式向大學(xué)的自主學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變,盡早適應(yīng)大學(xué)開放自主研究性學(xué)習(xí)模式。并通過全景式、索引式和先導(dǎo)式的鋪墊,激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲,使學(xué)生獲得廣闊的發(fā)展空間。(2)算法有以下幾種物理實驗課程根據(jù)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)特點,點面結(jié)合、深入淺出,在內(nèi)容結(jié)構(gòu)上始終注重體現(xiàn)科學(xué)性、系統(tǒng)性、開放性、創(chuàng)新性。在學(xué)習(xí)過程中,通過分層次的教學(xué)安排及以人為本的教學(xué)方法,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會自主學(xué)習(xí)、學(xué)會在做中學(xué),在學(xué)中研,在研中創(chuàng),這里的“創(chuàng)”主要包括喚醒學(xué)生的創(chuàng)新意識、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維、涵養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新品格、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新技能。2內(nèi)容選擇上的協(xié)調(diào)為適應(yīng)新的目標(biāo)內(nèi)涵,物理實驗中心遵循東南大學(xué)實驗教學(xué)改革的基本思路,依據(jù)“基礎(chǔ)性、層次性、自主性、開放性”的基本原則,在實驗內(nèi)容選擇上注重7個協(xié)調(diào):即實踐與理論的協(xié)調(diào)、基礎(chǔ)與前沿的協(xié)調(diào)、經(jīng)典與現(xiàn)代的協(xié)調(diào)、單項分解與綜合設(shè)計的協(xié)調(diào)、個體發(fā)揮與團隊合作的協(xié)調(diào)、科學(xué)原理與工程應(yīng)用的協(xié)調(diào)、循序漸進(jìn)習(xí)得與研究探索創(chuàng)新的協(xié)調(diào),結(jié)合物理學(xué)科特點,以及現(xiàn)有建設(shè)基礎(chǔ),揚長避短,從構(gòu)建分層次模塊化的實驗教學(xué)模塊、打造適應(yīng)開放創(chuàng)新適應(yīng)教學(xué)的教學(xué)隊伍、建設(shè)智能高效的網(wǎng)絡(luò)助學(xué)與管理平臺等方面,全面推行實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新。(1)創(chuàng)建課程體系和教學(xué)內(nèi)容,體現(xiàn)了分層次物理實驗課程新體系的建立突破了以力、熱、電、光、近代物理知識為順序、各自獨立的傳統(tǒng)實驗課程體系結(jié)構(gòu)框架,將學(xué)生能力培養(yǎng)、素質(zhì)訓(xùn)練納入實驗課程建設(shè)要求,按全面體現(xiàn)自主開放創(chuàng)建了由預(yù)備實驗、基礎(chǔ)實驗、課題實驗和近代專題(現(xiàn)代工程應(yīng)用)實驗、研究性物理演示實驗和科研創(chuàng)新訓(xùn)練六大模塊構(gòu)成的分層次物理實驗課程新體系,見圖1。(2)教學(xué)內(nèi)容強調(diào)自主開放,堅持“人教整體實驗教學(xué)內(nèi)容安排,從自主開放引導(dǎo)→基礎(chǔ)綜合訓(xùn)練→項目專題研究→自主研學(xué)創(chuàng)新,拾級而上,循序漸進(jìn),貫穿育人全程。各課程模塊均按照自主開放要求,適應(yīng)不同層次學(xué)生需求,對不同實驗項目設(shè)置了基本訓(xùn)練、綜合設(shè)計和研究探索等類型;同一個實驗項目給出了選做內(nèi)容、必做內(nèi)容與小課題;在實驗活動中學(xué)生可自選實驗內(nèi)容,全面貫徹以學(xué)生為本、因材施教的教學(xué)教學(xué)理念。(3)構(gòu)建“四重幫教”模式,突破教研不足難題物理實驗中心充分發(fā)揮高水平教師的引領(lǐng)作用,一方面著力培養(yǎng)具有綜合創(chuàng)新能力年輕骨干教師,另一方面將一批有良好科研背景的教師充實到實驗教學(xué)工作一線,首創(chuàng)了青年教師專職、研究生專職、研究生兼職與計算機TA相結(jié)合的“四重助教”模式,提高高水平教師與學(xué)生研討互動的頻率與水平。團隊中包括高水平、相對穩(wěn)定的實驗教學(xué)核心骨干、實驗技術(shù)人員、理論課教師、科研人員、學(xué)術(shù)帶頭人,以及經(jīng)過培訓(xùn)的研究生助教,形成一支優(yōu)化的專兼職結(jié)合、核心骨干相對穩(wěn)定、固定人員與流動人員結(jié)合的動態(tài)平衡的實驗教學(xué)隊伍。(4)實驗室教學(xué)工作中心指導(dǎo)的實施方案中心充分利用已有軟硬件資源,創(chuàng)設(shè)了師生“多重交互”教學(xué)模式見圖2,包括學(xué)生與計算機助教(TA)之間的交流互動,教師現(xiàn)場對學(xué)生的個性化指導(dǎo),教授在控制中心對在實驗室教學(xué)崗位上的助教們進(jìn)行指導(dǎo)和教學(xué)監(jiān)督,以及通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程專家實時答疑和指導(dǎo)。該模式實現(xiàn)了真正意義上的開放自主、立體化多層次的實驗教學(xué),突出了學(xué)生的主體地位,學(xué)生在實驗室里進(jìn)行學(xué)習(xí)的資源和空間得到拓寬,同時實現(xiàn)了新型教學(xué)關(guān)系,加強了教師對學(xué)生的個性化的教學(xué)指導(dǎo),促使教師有更多的時間和精力放在實驗教學(xué)的改革和研究型、創(chuàng)新型教學(xué)實踐上。3結(jié)合內(nèi)部和外部相結(jié)合，全面指導(dǎo)學(xué)生“在中學(xué)、在學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)、在創(chuàng)新中學(xué)習(xí)”整合優(yōu)化的分層次模塊化物理實驗課程體系強調(diào)了對學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng),為學(xué)生提供了“做中學(xué)、學(xué)中研”的平臺。3.1基礎(chǔ)實驗和課題實驗相結(jié)合基礎(chǔ)實驗、課題實驗和近代專題(現(xiàn)代工程應(yīng)用)實驗屬于課內(nèi)實驗?zāi)Ｊ?融綜合性、設(shè)計性、開放性、創(chuàng)新性為一體。實驗內(nèi)容涵蓋物理力、熱、點、光、近代基礎(chǔ)知識,包含適量的綜合設(shè)計性和工程應(yīng)用性內(nèi)容,按基本內(nèi)容、選做內(nèi)容、小課題分層次編排?；A(chǔ)實驗通過必做項目和若干開放選做項目,著重對學(xué)生進(jìn)行基本理論、基本方法、基本技能的培養(yǎng)和良好的科學(xué)實驗習(xí)慣的培養(yǎng);課題實驗的課題由教師擬定和學(xué)生自由申請立題兩方面組成,側(cè)重激發(fā)學(xué)生自主研學(xué)創(chuàng)新實踐;現(xiàn)代專題實驗選題方向側(cè)重物理學(xué)史上已獲諾貝爾獎的具有里程碑意義,同時對現(xiàn)代工程應(yīng)用學(xué)科具有理論與技術(shù)基礎(chǔ)支撐作用的實驗項目,側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的基本素質(zhì)。3.2改變學(xué)習(xí)模式,轉(zhuǎn)變學(xué)科觀預(yù)備實驗和研究性演示實驗屬于課外實驗?zāi)Ｊ?預(yù)備實驗向一年級新生課外全面開放,補課、體驗、自主、開放為一體,引導(dǎo)學(xué)生課外自主學(xué)習(xí),實現(xiàn)學(xué)習(xí)模式從中學(xué)到大學(xué)的轉(zhuǎn)變;演示實驗作為大學(xué)物理理論課與實驗課優(yōu)化整合的銜接口,包含幾十個定性半定量的(許多項目反映現(xiàn)代科技應(yīng)用技術(shù))物理實驗項目,為低年級學(xué)生拓展了課外自主研學(xué)的空間,并賦予了學(xué)生探究性學(xué)習(xí)過程中的深層次教學(xué)功能。3.3組織物理實驗研究論文競賽,提高學(xué)生的研究能力每學(xué)期配合物理實驗必修課程的教學(xué),組織一、二年級的學(xué)生撰寫研究論文,通過將課程實驗研究論文成績納入物理課程成績等方式,將課內(nèi)實驗延伸至課外。每學(xué)期收到低年級學(xué)生的課程論文均在300余篇(約占學(xué)生總數(shù)10%)以上,實驗中心組織專家?guī)纵嗗噙x后,對較好的課程論文在課程總成績評定時給予加分。同時,對優(yōu)秀作品實行導(dǎo)師負(fù)責(zé)制,組織導(dǎo)師對學(xué)生進(jìn)行適時跟蹤指導(dǎo),進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生以實驗為載體進(jìn)行研究性學(xué)習(xí),幫助提升學(xué)生的科技論文撰寫能力。在此基礎(chǔ)上,面向全校本科生組織物理實驗研究論文競賽,在競賽活動中獲獎的同學(xué)將取得相應(yīng)的課外研學(xué)學(xué)分,并推薦其中優(yōu)異的論文參加省級以上競賽,或推薦參加全國會議進(jìn)行交流,或經(jīng)過進(jìn)一步指導(dǎo)向正式期刊投稿。該競賽作為一項課外科技活動,積極推動了學(xué)生(尤其是低年級學(xué)生)主動參與研究性學(xué)習(xí),每學(xué)期約有600名學(xué)生參加。競賽的每個階段和環(huán)節(jié)都注重培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生學(xué)習(xí)、研究、實踐、撰文、表達(dá)等多方面的能力,有效促進(jìn)了廣大學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中自主探索,刻苦鉆研,勇于創(chuàng)新,提高了學(xué)生的科學(xué)研究能力,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神。創(chuàng)建了開放的本科生創(chuàng)新工作室,同時依托物理系專業(yè)教學(xué)實驗室及科研實驗室,為優(yōu)秀學(xué)生營造以人為本的理想環(huán)境,積極引導(dǎo)學(xué)生參加部省級、校級、院(系)級三個層次的科研訓(xùn)練計劃,鼓勵學(xué)生通過參加教師科研項目、參加學(xué)科競賽活動或自己設(shè)計課題等課外自主研學(xué)途徑,以本研結(jié)合、跨年級跨學(xué)科組隊的形式,使課內(nèi)實驗與課外自主研學(xué)充分結(jié)合,通過學(xué)生自主研究與探索,促進(jìn)物理實驗教學(xué)課內(nèi)課外一體化和物理實驗中心開放教學(xué)工作的進(jìn)一步深化。4“做、學(xué)、研”相結(jié)合的自主創(chuàng)新實踐教學(xué)模式有利于激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)活動通過合理安排與精心設(shè)計,不僅可以使學(xué)生掌握基本的實踐能力,還能實現(xiàn)更深層次的教學(xué)功能與目標(biāo)。引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、做中學(xué)習(xí)、研究探索、設(shè)計創(chuàng)新等,逐步將傳統(tǒng)教育中的“從聽中學(xué)、在坐中學(xué)”引向“在做中學(xué)、在學(xué)中研、在研中創(chuàng)”,有效促進(jìn)低年級學(xué)生的學(xué)習(xí)向自主式、個性化、研究型轉(zhuǎn)變。通過全面開放的教學(xué)環(huán)境,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)模式的轉(zhuǎn)變,激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性,這其中“多重交互”實驗教學(xué)模式是不可或缺的條件,它使得學(xué)生們能夠便捷地進(jìn)入實驗室開展“做、