吳 平 陳 森 張師平

（北京科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院，北京 100083）

“現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)”是面向具有一定實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練基礎(chǔ)的物理系高年級(jí)本科生開(kāi)設(shè)的一門(mén)物理實(shí)驗(yàn)課，是物理系本科教學(xué)的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容常常具有本系學(xué)科方向的印記.同時(shí)，高年級(jí)學(xué)生在理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能方面已經(jīng)有了一些積累，具備了對(duì)他們進(jìn)行更深入科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)的基礎(chǔ).但是限于硬件條件、資金投入等多方面因素，我校前期的“現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)存在著一些不足：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以學(xué)習(xí)和驗(yàn)證相關(guān)理論課程內(nèi)容為主，缺乏一定的系統(tǒng)性和綜合性，不利于學(xué)生的獨(dú)立思考和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)；鑒于精密設(shè)備的昂貴，代表新理論和先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不能引進(jìn)到實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)科發(fā)展、教師科研聯(lián)系不緊密，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容先進(jìn)性、前沿性不夠.針對(duì)這些不足，基于應(yīng)用物理學(xué)學(xué)科特點(diǎn)，結(jié)合創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求，尤其是拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)需要，我們對(duì)“現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)”課程的教學(xué)模式、內(nèi)容進(jìn)行了改革、創(chuàng)新，以適應(yīng)學(xué)科發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，滿足學(xué)生接受高水平實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的多樣化需求.

在我校研究型教學(xué)示范課程建設(shè)項(xiàng)目的支持下，我們結(jié)合物理系的學(xué)科優(yōu)勢(shì)和物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)教師多為教學(xué)科研雙肩挑的優(yōu)勢(shì)，提出了基于課題型的研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，以縮短實(shí)驗(yàn)課程訓(xùn)練與科學(xué)研究之間的距離，建立溝通橋梁.以本系學(xué)科為依托，設(shè)置課程內(nèi)容和配置儀器設(shè)備平臺(tái)，面向高年級(jí)本科生開(kāi)設(shè)出一些反映學(xué)科發(fā)展熱點(diǎn)，內(nèi)容與科研、工程、社會(huì)應(yīng)用實(shí)踐緊密聯(lián)系的研究型實(shí)驗(yàn)課題.模擬科學(xué)研究過(guò)程與環(huán)境，以課題為主線，將整個(gè)課程的內(nèi)容串通起來(lái)，把學(xué)習(xí)過(guò)程變成學(xué)生主動(dòng)探索與研究過(guò)程，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)探索的積極性，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的科研能力與創(chuàng)新意識(shí)，使學(xué)生初步了解科學(xué)研究思維方式和方法，提高學(xué)生的就業(yè)適應(yīng)面和競(jìng)爭(zhēng)力.

1 以學(xué)科建設(shè)為依托，配置開(kāi)放的通用儀器設(shè)備平臺(tái)

在配置“現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)”課程的儀器裝置時(shí)，我們盡量避免購(gòu)置純教學(xué)儀器裝置，在經(jīng)費(fèi)允許的條件下，購(gòu)置可以開(kāi)展一定科學(xué)研究工作的儀器裝置.將學(xué)科建設(shè)、修購(gòu)項(xiàng)目等多個(gè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行通盤(pán)規(guī)劃，購(gòu)置振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)、高真空磁控濺射鍍膜儀、原子力顯微鏡、電弧爐、阻抗儀、變溫霍爾效應(yīng)特性測(cè)量?jī)x、磁電阻測(cè)量?jī)x、傅里葉變換紅外光譜儀、振動(dòng)臺(tái)、拉曼光譜儀等；自制真空變溫電特性綜合測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀、薄膜應(yīng)力測(cè)量裝置等；搭建了4個(gè)通用、開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備平臺(tái)：薄膜樣品制備平臺(tái)、薄膜物性測(cè)量平臺(tái)、表面形貌表征平臺(tái)、軟物質(zhì)（顆粒物質(zhì)）實(shí)驗(yàn)平臺(tái).這些開(kāi)放的通用實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備平臺(tái)為基于課題型的現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)課程研究型項(xiàng)目的開(kāi)出提供了有力的設(shè)備保障.

2 以學(xué)科建設(shè)和發(fā)展為基礎(chǔ)，設(shè)置課程內(nèi)容

研究型實(shí)驗(yàn)課題的恰當(dāng)選擇是達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵.課題內(nèi)容要具有一定的前沿性、綜合性、開(kāi)放性、復(fù)雜性.前沿性：課題內(nèi)容均是目前相關(guān)學(xué)科研究的熱點(diǎn)，學(xué)生通過(guò)查閱文獻(xiàn)和自己的思考可以嘗試進(jìn)一步深入到科研的最前沿.綜合性：課題內(nèi)容涉及多方面的物理知識(shí)，學(xué)生要對(duì)物理概念、物理因素進(jìn)行學(xué)習(xí)、思考、選擇、比較.開(kāi)放性：學(xué)生需要自己尋找關(guān)注點(diǎn)，搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，嘗試多種實(shí)驗(yàn)設(shè)備、技術(shù)、方案等.復(fù)雜性：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中影響因素較多，學(xué)生必須對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析和探討.此外，制定課題的研究目標(biāo)和內(nèi)容時(shí)還需要考慮本科生的知識(shí)水平和實(shí)驗(yàn)技能基礎(chǔ)，既要給學(xué)生留下大的發(fā)揮空間，課題難度又要恰當(dāng)，不至于使學(xué)生難以上手.我們從幾個(gè)途徑來(lái)提出研究型實(shí)驗(yàn)課題：（1）以本系學(xué)科方向?yàn)橐劳?，既可以充分利用教師的科研?yōu)勢(shì)，為課題型實(shí)驗(yàn)提供新的選題（選題源泉），也有利于學(xué)生未來(lái)畢業(yè)論文和研究生工作；（2）對(duì)當(dāng)前科學(xué)研究與技術(shù)發(fā)展的前沿課題進(jìn)行調(diào)研，找出科研前沿與課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的結(jié)合點(diǎn)，提煉出反映學(xué)科發(fā)展和熱點(diǎn)的研究型課題；（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與科研、工程、社會(huì)應(yīng)用實(shí)踐緊密聯(lián)系起來(lái)，形成良性互動(dòng)；（4）課題內(nèi)容也可以由學(xué)生根據(jù)自己的興趣閱讀文獻(xiàn)資料與指導(dǎo)老師討論后確定.

我們以所建立的通用實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試方法為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提煉出一批課題型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.每一個(gè)課題型實(shí)驗(yàn)都可以讓學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)從文獻(xiàn)閱讀、具體研究問(wèn)題的提出、研究方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、分析討論與總結(jié)的完整的研究過(guò)程，并在這個(gè)過(guò)程中掌握相關(guān)的儀器設(shè)備與測(cè)試方法的原理與使用，從而以課題型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將整個(gè)課程內(nèi)容串通起來(lái)，將學(xué)生的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)探索學(xué)習(xí).由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)放性和通用性，也允許同學(xué)自行提出和展開(kāi)更多課題型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.例如，從長(zhǎng)期研究的科研課題中提煉了磁電阻薄膜制備與磁電阻特性研究、梯度薄膜的制備與應(yīng)力研究，透明電極材料電學(xué)性質(zhì)的研究，高K介電薄膜材料介電特性研究，陶瓷薄膜材料的制備及電絕緣特性研究，單斜相氧化鉺薄膜紅外特性的研究，硼元素在晶界的非平衡偏聚的研究等課題型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)出之前，我們對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都進(jìn)行了深入研究和實(shí)踐，確保課題的研究?jī)?nèi)容難度恰當(dāng)，既給學(xué)生留下大的發(fā)揮空間又不至于難以上手.同時(shí)，這些選題也是物理、材料研究領(lǐng)域頗受人們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與科研、工程、社會(huì)應(yīng)用實(shí)踐聯(lián)系比較緊密，實(shí)驗(yàn)中所涉及的內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法、測(cè)量?jī)x器的原理與使用、實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析以及相關(guān)技能等與學(xué)生未來(lái)的工作和就業(yè)適當(dāng)接軌，有助于學(xué)生將來(lái)在企業(yè)以及科學(xué)研究單位從事研究開(kāi)發(fā)工作.

3 精心策劃教學(xué)組織過(guò)程，把學(xué)習(xí)過(guò)程變成學(xué)生主動(dòng)探索與研究過(guò)程

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，引入了“文獻(xiàn)觀點(diǎn)－相關(guān)條件－現(xiàn)實(shí)條件－新的觀點(diǎn)”的行動(dòng)路線圖，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為學(xué)生提供如表1所示的項(xiàng)目任務(wù)書(shū).學(xué)生需要根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)書(shū)的要求查閱文獻(xiàn)，提出具體研究方案，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，分析總結(jié)以及進(jìn)行成果展示等.這樣的教學(xué)過(guò)程注重培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)查閱、分析歸納總結(jié)能力、提出和分析問(wèn)題的能力、成果展示能力，促進(jìn)學(xué)生形成批判性、創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)習(xí)慣，還有助于潛移默化地進(jìn)行人格培養(yǎng)，包括求真務(wù)實(shí)的態(tài)度、堅(jiān)韌不拔的毅力等.

這樣的教學(xué)模式使教學(xué)活動(dòng)始終以學(xué)生為主體來(lái)進(jìn)行，使學(xué)生由知識(shí)的被灌輸者成為知識(shí)的主動(dòng)建構(gòu)者，讓學(xué)生經(jīng)歷了一個(gè)課題研究的全過(guò)程，包括選題、實(shí)驗(yàn)條件準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)研究實(shí)施、數(shù)據(jù)處理分析、總結(jié)、撰寫(xiě)研究報(bào)告、答辯等環(huán)節(jié).學(xué)生在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)處于科學(xué)研究氛圍當(dāng)中，在他們滿懷興趣的探索過(guò)程中，學(xué)習(xí)了相關(guān)理論知識(shí)與科學(xué)研究方法，掌握了相關(guān)儀器設(shè)備與測(cè)試方法的原理與使用，經(jīng)歷了科學(xué)研究訓(xùn)練，培養(yǎng)了科學(xué)研究意識(shí)與思維，具備了基本的科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?

表1 課題型實(shí)驗(yàn)教學(xué)具體案例

課題型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以小組團(tuán)隊(duì)協(xié)作方式進(jìn)行，每組3人左右，充分發(fā)揮學(xué)生的自我組織、管理能力.課題由組長(zhǎng)負(fù)責(zé)研究過(guò)程的組織與實(shí)施，小組定期與教師研討，明確各階段課題所要掌握的理論知識(shí)和課題所要完成的具體研究?jī)?nèi)容與要求，組員分工協(xié)作，發(fā)揮每一個(gè)人在小組中的特長(zhǎng)，既獨(dú)立完成各自的任務(wù)，又要共同協(xié)調(diào)相關(guān)問(wèn)題，以此培養(yǎng)他們的獨(dú)立性與責(zé)任心、交流與合作能力.

實(shí)驗(yàn)室全天開(kāi)放，給學(xué)生提供需要的科學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，課題小組利用實(shí)驗(yàn)室通用、開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)設(shè)備平臺(tái)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成樣品制備、數(shù)據(jù)測(cè)量與分析工作.在條件允許的情況下，也可以調(diào)配、補(bǔ)充配件，讓學(xué)生搭建他們需要的實(shí)驗(yàn)條件.

教師每周與學(xué)生開(kāi)研討會(huì)，檢查課題進(jìn)展，進(jìn)行綜合講評(píng)，指導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題；各課題小組也要作交流報(bào)告，討論解決實(shí)驗(yàn)中遇到的難點(diǎn)問(wèn)題，最后完成研究報(bào)告和答辯.

4 全過(guò)程綜合評(píng)價(jià)體系

對(duì)于基于課題型的研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，我們建立了全過(guò)程綜合評(píng)價(jià)辦法.從學(xué)生選擇課題難易、文獻(xiàn)總結(jié)、實(shí)驗(yàn)方案、儀器搭建、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理分析、報(bào)告論文、答辯等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全過(guò)程評(píng)價(jià)，給定每組的實(shí)驗(yàn)成績(jī).進(jìn)行全過(guò)程評(píng)價(jià)時(shí)有3個(gè)強(qiáng)調(diào)：（1）強(qiáng)調(diào)能力，主要考核學(xué)生提出問(wèn)題、分析解決問(wèn)題的能力，團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，成果展示能力等；（2）強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新，考查學(xué)生在課題型實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出來(lái)的創(chuàng)造性意識(shí)和思維；（3）強(qiáng)調(diào)新思路、新觀點(diǎn)、新方法.

每個(gè)協(xié)作小組內(nèi)，采取自評(píng)和互評(píng)相結(jié)合的方式，每位學(xué)生對(duì)自己和小組其他成員對(duì)課題貢獻(xiàn)的大小進(jìn)行排序.

最后，指導(dǎo)教師綜合每個(gè)課題組的成績(jī)、每個(gè)學(xué)生排序情況、平常表現(xiàn)等確定學(xué)生個(gè)人成績(jī).

5 教學(xué)實(shí)踐效果

基于課題型的研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)在我校三年級(jí)學(xué)生“現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)中實(shí)施多年，每年大約有16～45名本科生參加.教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，這種教學(xué)模式有助于學(xué)生創(chuàng)新思維的形成，有利于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理、分析解決問(wèn)題的能力，尤其是能夠促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和科學(xué)研究意識(shí)、社會(huì)能力的培養(yǎng).

自2011年以來(lái)由本課程研究型實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)展而獲得的研究結(jié)果在學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文7篇.2011年、2012年學(xué)習(xí)“現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)”課程的部分同學(xué)，在申請(qǐng)出國(guó)、保研以及參加北京大學(xué)夏令營(yíng)、中科院研究生院暑假學(xué)校時(shí)，介紹了他們?cè)诨谡n題型的研究型實(shí)驗(yàn)中所做的工作和收獲，他們的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)素養(yǎng)得到相關(guān)老師的認(rèn)可，有9名同學(xué)獲得北京大學(xué)研究生免試資格，6名同學(xué)獲得中國(guó)科學(xué)院研究生免試資格，8名同學(xué)獲得北京師范大學(xué)等重點(diǎn)高校研究生免試資格，1名同學(xué)被美國(guó)芝加哥大學(xué)物理系錄取.

實(shí)施基于課題型的研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅要求教師必須從事科學(xué)研究，還需要得到實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員的大力配合與奉獻(xiàn)，滿足學(xué)生在課程計(jì)劃學(xué)時(shí)之外的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的要求.此外，這種教學(xué)模式比傳統(tǒng)教學(xué)模式更具挑戰(zhàn)性，除了課內(nèi)計(jì)劃學(xué)時(shí)外，學(xué)生還需要較多課外時(shí)間閱讀文獻(xiàn)，制定研究方案，做實(shí)驗(yàn)，分析處理數(shù)據(jù)，撰寫(xiě)研究報(bào)告等，有進(jìn)一步深造愿望、成績(jī)優(yōu)秀的學(xué)生多愿意選擇這種教學(xué)模式.

6 結(jié)語(yǔ)

（1）課題型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是一種可以在高年級(jí)學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程中采用的研究型教學(xué)模式.

（2）課題型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效促進(jìn)了學(xué)生的自主性、創(chuàng)造性學(xué)習(xí)活動(dòng).

（3）課題型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)強(qiáng)化了學(xué)生科研思維能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、成果展示能力的培養(yǎng).

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