教育教学论坛----与科研结合的大学物理实验教学
发布时间:2018-01-23 16:32 来源:未知 点击:
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关键词：大学物理实验；教学改革；科学研究
一、概述
物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科，它是其他各自然科学学科的研究基础。它的理论结构充分地运用数学作为自己的工作语言，以实验作为检验理论正确性的唯一标准，它是当今最精密的一门自然科学学科。物理学是实验科学，物理学科的研究都是以客观实验为基础的。物理实验教学是物理课程和物理教学的一个重要组成部分，它既是物理教学的重要基础，又是物理教学的重要内容、方法和手段。以物理实验充实教学，是物理学科中充分体现现代素质教育思想的重要方面，有利于帮助学生形成科学素养。诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授曾经说过：“物理学是从物理实验中产生的”。有统计，在1901-2014年的200多位诺贝尔物理学奖获得者中大约有75%是与物理实验有关而获奖，物理实验教学的重要性不言而喻。近年来，高校越来越重视大学生的创新能力培养，而实践是创新的基础。在物理实验教学中，除了完成对某一物理量的测量外，更重要的是要培养学生学会观察、分析、理解物理实验的基本物理思想和实验装置的巧妙设计理念。物理实验教学改革势在必行。浙江大学将物理实验教学与物理科学研究结合，在实验内容设置上及时将科研前沿引入实验教学，让学生在起步阶段就提前接触前沿的科学研究，对学生实验技能的训练以及促使学生将实验课程与理论课程相融合，以便加深学生对所学的理论知识理解，以尽量满足学生个性发展的需要。
二、关于探究性实验的几点思考
1.调整教学目标。传统的实验教学主要是根据教学大纲和计划设置课程实验，是以教师为中心的着重强调教师的“教”，以训练学生的实验技能、验证基本理论原理为主要目标，在实际的教学中，强调操作技能的程序化和规范化。学生们所能做的就是按照已经设计好了的实验方案，去检验一个已知的结果是否正确。教学模式单一、内容陈旧、操作步骤按部就班、主要以命题性演示实验内容为主、验证性实验占比过高，既限制了学生的创造力，又降低了实验教学内容的创新性。物理实验教学必须为学生构筑一个合理的实践能力体系，应尽可能为学生提供综合性、设计性、创造性比较强的实践环境，让每一位学生在四年大学的学习过程中能经过多个这种实践环节的培养和训练。这不仅能培养学生扎实的基本技能与实践能力，而且也有益于提高学生的科学创新思维，开拓学生的科学视野，为将来从事科学研究打下坚实基础。
2.搭建实验教学平台。教学平台的搭建对培养学生的实验兴趣非常重要。课程内容与学生实验兴趣必须紧密相连，以达到激发学生的学习热情和积极性，提高大学物理实验课程的教学效果和教育质量。为将实验与前沿科学相结合，浙江大学物理实验教学中心紧密结合现代化建设的实际，充分依托物理系现有的凝聚态物理、光学、等离子体物理、理论物理、粒子物理与核物理、原子分子物理和无线电物理等学科，构建适合于本科生探究性实验需要的实验训练平台，包括科研基础训练平台；科研能力训练平台以及特色专业训练平台。注重基本实验技能和实验素养的培养，突出和加强大学生创新知识的传授、创新能力和创新素质的培养，特别是以提高拔尖创新人才的培养水平为目标。
3.扩大参与教学面。在传统的实验教学过程中，参与教学的主要是实验岗、教学岗的教师。主要的教学过程就是指导学生按照已有的实验步骤验证某一物理现象。学生的接触面仅限于教授实验的教师，实验内容也仅限于实验室已有的实验设备所能完成的。而当实验教学与科学研究结合后，为学生指导实验就由原来的实验教师变为了所有教师。教授的实验室向本科生全面开放。学生的选择面也变广，由原来没得选，变成了可以根据自己的科研爱好选择相关研究方向的老师指导实验，学生自选导师，与教授确定实验题目，进行探究性的实验。浙江大学物理系目前参加探究性实验核心课程《物理学实验Ⅲ》实验教学的教授和副教授有30余名，研究内容包括新型超导体合成和物性探索、铁基铁磁超导体的物性研究、多重极端条件下的物性测量：方法与技术、超导量子器件、基于超导器件的量子计算和量子模拟的实验研究以及液体表面薄膜的制备等50多个研究课题。目的是注重对学生实验技能的训练以及促使学生将实验课程与理论课程相融合，以便加深学生对所学的理论知识理解，
4.管理规范。由于实验不再是传统的，在固定的实验教室内完成，而是学生前往指导老师的科研实验室进行。实验时间也不仅仅局限在某个规定的上课时间段，而是随时都可以进行。这就对实验课程的管理提出了要求。课程的负责老师以及指导实验的老师共同对学生进行监督和管理，对实验学习的结果进行考核。首先，指导老师要对学生学习的态度进行考核，以免出现学生选完课题和指导老师以后就消失，等最后需要对成果进行考核时才出现的情况；其次，指导老师需要对整个实验的结果进行考核，目的是考察这个时间段内的完成情况，也对学生的科研能力进行一个评估，以确定该生是否适合在这个方向上继续进行科学研究；最后，通过答辩的形式进行考察，除了考察这段时间的学习情况，更是一个锻炼学生做科研报告能力的好机会。
三、总结
与科研结合的探究性实验特色可归纳为以下几个方面：
1.教学与科研结合、变被动型教学为自动性求学；使学生处于主动探究并解决实际问题的状态，激发学生的学习兴趣及求知欲望。
2.活跃在一线的科学研究人员主动投入到物理实验教学之中，使得物理实验教学内容变得丰富多样，涵盖了凝聚态物理、理论物理、光学、等离子体物理等多个领域。
3.学生在专业实验室的过程中受到严格的、系统的实验技能训练，掌握科学实验的基本方法和技巧严谨的科学思维能力，分析和解决实际问题的能力得到了很好的锻炼。科研水平有效提高。有许多学生甚至在本科阶段就在Nature Communications、Physical Review Letters等国际高水平期刊上发表了科研论文。
4.更多的学生进入科研实验室，教授的科研队伍更加强大。参与课题研究的人数增加，一定程度也加速了科研进度，提高了科研效率，丰富了科研成果。
5.有效化解了学生研究能力培养与实验师资不足的矛盾，解决了因为占地、资金以及设备等各种因素的影响，使得设计性、研究型实验平台容量有限，不能满足大多数学生对物理实验研究的兴趣和探索需求。探究性的实验，是没有标准答案的实验，或者蕴含着很多答案的实验，除了巩固知识，更能够激发学生的兴趣，培养学生的创新能力。
参考文献
[1]《中国大百科全书（物理学）》第一、二卷.
[2]陈许敏,蔡本晓,彭辉丽,徐娙梅.面向留学生的大学物理实验教学改革的几点思考[J].课程教育研究.2017(18).
[3]刘燕,周岚,胡经国.大学物理实验教学改革的探索与实践[J].实验室研究与探索.第28卷第11期,2009年11月.
[4]董有尔,张天拮,唐晋娥,陈宝明,杜磊.物理实验教学改革的探索与实践[J].高等理科教育物理.2005,2:97-101.
[5]王后雄,陈光辉.谈验证性实验与探究性实验的融合[J].教育探索.No.12,2006,General,No.186.
Reflection and prospect on the teaching reform of college physics experiment combined with scientific research
ZHENG Li-ling,MA Yu-ting,ZHAO Dao-mu
(Department of Physics,Zhejiang University,HangzhouZhejiang310027,China)
Abstract:The combination of experimental teaching and scientific research is an important direction of current teaching reform.The main idea is that scientific research laboratories are accessible to undergraduates in an all-round way.According to this brand new model,students could choose their own tutors from different research labs,determine experimental topics together with research contents,conduct exploratory physics experiment under the guidance of scientists in research laboratories.This article illustrates such teaching reform of college physics experiments,i.e.the possible combination of research and exploratory experiments,in order to stimulate students’learning enthusiasm,improve the teaching effectiveness.Hence,the quality of college physics experiment courses will be dramatically reinforced.Ultimately,all students could pave out their way towards success with their unique personality.
Key words:College Physics Experiment;Teaching reform;Scientific Research
与科研结合的大学物理实验教学改革的几点思考
郑丽玲，马玉婷，赵道木
（浙江大学物理学系，浙江杭州310027）
摘要：将实验教学与科学研究相结合是目前教学改革的一个重要方向，主要形式是教授的实验室向本科生全面开放，学生自选导师，与教授确定实验题目，进行探究性的实验。本文通对探究性实验改革的分析，对科研与探究性实验相结合的模式进行思考，以达到激发学生的学习热情和积极性，提高大学物理实验课程的教学效果和教育质量，尽量满足学生个性发展的需要。郑丽玲，马玉婷，赵道木
（浙江大学物理学系，浙江杭州310027）
关键词：大学物理实验；教学改革；科学研究
一、概述
物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科，它是其他各自然科学学科的研究基础。它的理论结构充分地运用数学作为自己的工作语言，以实验作为检验理论正确性的唯一标准，它是当今最精密的一门自然科学学科。物理学是实验科学，物理学科的研究都是以客观实验为基础的。物理实验教学是物理课程和物理教学的一个重要组成部分，它既是物理教学的重要基础，又是物理教学的重要内容、方法和手段。以物理实验充实教学，是物理学科中充分体现现代素质教育思想的重要方面，有利于帮助学生形成科学素养。诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授曾经说过：“物理学是从物理实验中产生的”。有统计，在1901-2014年的200多位诺贝尔物理学奖获得者中大约有75%是与物理实验有关而获奖，物理实验教学的重要性不言而喻。近年来，高校越来越重视大学生的创新能力培养，而实践是创新的基础。在物理实验教学中，除了完成对某一物理量的测量外，更重要的是要培养学生学会观察、分析、理解物理实验的基本物理思想和实验装置的巧妙设计理念。物理实验教学改革势在必行。浙江大学将物理实验教学与物理科学研究结合，在实验内容设置上及时将科研前沿引入实验教学，让学生在起步阶段就提前接触前沿的科学研究，对学生实验技能的训练以及促使学生将实验课程与理论课程相融合，以便加深学生对所学的理论知识理解，以尽量满足学生个性发展的需要。
二、关于探究性实验的几点思考
1.调整教学目标。传统的实验教学主要是根据教学大纲和计划设置课程实验，是以教师为中心的着重强调教师的“教”，以训练学生的实验技能、验证基本理论原理为主要目标，在实际的教学中，强调操作技能的程序化和规范化。学生们所能做的就是按照已经设计好了的实验方案，去检验一个已知的结果是否正确。教学模式单一、内容陈旧、操作步骤按部就班、主要以命题性演示实验内容为主、验证性实验占比过高，既限制了学生的创造力，又降低了实验教学内容的创新性。物理实验教学必须为学生构筑一个合理的实践能力体系，应尽可能为学生提供综合性、设计性、创造性比较强的实践环境，让每一位学生在四年大学的学习过程中能经过多个这种实践环节的培养和训练。这不仅能培养学生扎实的基本技能与实践能力，而且也有益于提高学生的科学创新思维，开拓学生的科学视野，为将来从事科学研究打下坚实基础。
2.搭建实验教学平台。教学平台的搭建对培养学生的实验兴趣非常重要。课程内容与学生实验兴趣必须紧密相连，以达到激发学生的学习热情和积极性，提高大学物理实验课程的教学效果和教育质量。为将实验与前沿科学相结合，浙江大学物理实验教学中心紧密结合现代化建设的实际，充分依托物理系现有的凝聚态物理、光学、等离子体物理、理论物理、粒子物理与核物理、原子分子物理和无线电物理等学科，构建适合于本科生探究性实验需要的实验训练平台，包括科研基础训练平台；科研能力训练平台以及特色专业训练平台。注重基本实验技能和实验素养的培养，突出和加强大学生创新知识的传授、创新能力和创新素质的培养，特别是以提高拔尖创新人才的培养水平为目标。
3.扩大参与教学面。在传统的实验教学过程中，参与教学的主要是实验岗、教学岗的教师。主要的教学过程就是指导学生按照已有的实验步骤验证某一物理现象。学生的接触面仅限于教授实验的教师，实验内容也仅限于实验室已有的实验设备所能完成的。而当实验教学与科学研究结合后，为学生指导实验就由原来的实验教师变为了所有教师。教授的实验室向本科生全面开放。学生的选择面也变广，由原来没得选，变成了可以根据自己的科研爱好选择相关研究方向的老师指导实验，学生自选导师，与教授确定实验题目，进行探究性的实验。浙江大学物理系目前参加探究性实验核心课程《物理学实验Ⅲ》实验教学的教授和副教授有30余名，研究内容包括新型超导体合成和物性探索、铁基铁磁超导体的物性研究、多重极端条件下的物性测量：方法与技术、超导量子器件、基于超导器件的量子计算和量子模拟的实验研究以及液体表面薄膜的制备等50多个研究课题。目的是注重对学生实验技能的训练以及促使学生将实验课程与理论课程相融合，以便加深学生对所学的理论知识理解，
4.管理规范。由于实验不再是传统的，在固定的实验教室内完成，而是学生前往指导老师的科研实验室进行。实验时间也不仅仅局限在某个规定的上课时间段，而是随时都可以进行。这就对实验课程的管理提出了要求。课程的负责老师以及指导实验的老师共同对学生进行监督和管理，对实验学习的结果进行考核。首先，指导老师要对学生学习的态度进行考核，以免出现学生选完课题和指导老师以后就消失，等最后需要对成果进行考核时才出现的情况；其次，指导老师需要对整个实验的结果进行考核，目的是考察这个时间段内的完成情况，也对学生的科研能力进行一个评估，以确定该生是否适合在这个方向上继续进行科学研究；最后，通过答辩的形式进行考察，除了考察这段时间的学习情况，更是一个锻炼学生做科研报告能力的好机会。
三、总结
与科研结合的探究性实验特色可归纳为以下几个方面：
1.教学与科研结合、变被动型教学为自动性求学；使学生处于主动探究并解决实际问题的状态，激发学生的学习兴趣及求知欲望。
2.活跃在一线的科学研究人员主动投入到物理实验教学之中，使得物理实验教学内容变得丰富多样，涵盖了凝聚态物理、理论物理、光学、等离子体物理等多个领域。
3.学生在专业实验室的过程中受到严格的、系统的实验技能训练，掌握科学实验的基本方法和技巧严谨的科学思维能力，分析和解决实际问题的能力得到了很好的锻炼。科研水平有效提高。有许多学生甚至在本科阶段就在Nature Communications、Physical Review Letters等国际高水平期刊上发表了科研论文。
4.更多的学生进入科研实验室，教授的科研队伍更加强大。参与课题研究的人数增加，一定程度也加速了科研进度，提高了科研效率，丰富了科研成果。
5.有效化解了学生研究能力培养与实验师资不足的矛盾，解决了因为占地、资金以及设备等各种因素的影响，使得设计性、研究型实验平台容量有限，不能满足大多数学生对物理实验研究的兴趣和探索需求。探究性的实验，是没有标准答案的实验，或者蕴含着很多答案的实验，除了巩固知识，更能够激发学生的兴趣，培养学生的创新能力。
参考文献
[1]《中国大百科全书（物理学）》第一、二卷.
[2]陈许敏,蔡本晓,彭辉丽,徐娙梅.面向留学生的大学物理实验教学改革的几点思考[J].课程教育研究.2017(18).
[3]刘燕,周岚,胡经国.大学物理实验教学改革的探索与实践[J].实验室研究与探索.第28卷第11期,2009年11月.
[4]董有尔,张天拮,唐晋娥,陈宝明,杜磊.物理实验教学改革的探索与实践[J].高等理科教育物理.2005,2:97-101.
[5]王后雄,陈光辉.谈验证性实验与探究性实验的融合[J].教育探索.No.12,2006,General,No.186.
Reflection and prospect on the teaching reform of college physics experiment combined with scientific research
ZHENG Li-ling,MA Yu-ting,ZHAO Dao-mu
(Department of Physics,Zhejiang University,HangzhouZhejiang310027,China)
Abstract:The combination of experimental teaching and scientific research is an important direction of current teaching reform.The main idea is that scientific research laboratories are accessible to undergraduates in an all-round way.According to this brand new model,students could choose their own tutors from different research labs,determine experimental topics together with research contents,conduct exploratory physics experiment under the guidance of scientists in research laboratories.This article illustrates such teaching reform of college physics experiments,i.e.the possible combination of research and exploratory experiments,in order to stimulate students’learning enthusiasm,improve the teaching effectiveness.Hence,the quality of college physics experiment courses will be dramatically reinforced.Ultimately,all students could pave out their way towards success with their unique personality.
Key words:College Physics Experiment;Teaching reform;Scientific Research
