汪 靜，遲建衛(wèi)，曲 冰，潘超，白亞鄉(xiāng)，胡玉才

(大連海洋大學(xué)，遼寧 大連 116023)

教學(xué)與科學(xué)研究交融的物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)*

汪 靜，遲建衛(wèi)，曲 冰，潘超，白亞鄉(xiāng)，胡玉才

(大連海洋大學(xué)，遼寧 大連 116023)

以應(yīng)用復(fù)合型人才為培養(yǎng)目標(biāo)，以教學(xué)與科學(xué)研究交融的育人觀為指導(dǎo)，通過科研內(nèi)容提取移植、由企業(yè)生產(chǎn)和日常生活實(shí)際提升、由已有教學(xué)研究成果固化等多種渠道，在較高層次物理實(shí)驗(yàn)課程與實(shí)踐教學(xué)中創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一批物理與社會(huì)應(yīng)用、物理與海洋、物理與生物、物理與環(huán)境等多學(xué)科交叉的具有海洋特色的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與科研、工程、社會(huì)應(yīng)用實(shí)踐密切聯(lián)系。通過這樣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐應(yīng)用能力、研究創(chuàng)新能力。

物理實(shí)驗(yàn)，科教融合，創(chuàng)新能力，實(shí)踐應(yīng)用能力

培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力是提高高等教育質(zhì)量的核心問題。學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)的重要核心內(nèi)容是將知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問題的能力。創(chuàng)新源于問題,基于實(shí)踐。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為大學(xué)實(shí)踐教學(xué)工作的重要組成部分，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的分析解決問題的能力起著重要的作用。創(chuàng)新教育是單一的課堂教學(xué)所不能承載的，根據(jù)現(xiàn)代高等教育人才培養(yǎng)的個(gè)性化和我校復(fù)合性應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求，構(gòu)建了分層次遞進(jìn)式的課內(nèi)與課外相結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)課程體系和實(shí)踐教學(xué)體系[1,2]。第一個(gè)層次為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，通過大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程著重對(duì)學(xué)生進(jìn)行基本實(shí)驗(yàn)技能、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方法和基本實(shí)驗(yàn)儀器使用的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。第二個(gè)層次為綜合應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中利用基礎(chǔ)階段已掌握的基本知識(shí)和技能，學(xué)習(xí)和掌握一些高一層次的物理思想、物理模型、物理方法和物理實(shí)驗(yàn)；此外，增設(shè)物理與科學(xué)、工程、社會(huì)應(yīng)用實(shí)踐等密切聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生利用物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法，解決日常生活與生產(chǎn)等實(shí)際問題能力。第三個(gè)層次為創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目帶有科學(xué)研究的性質(zhì)，采用選修與大學(xué)生創(chuàng)業(yè)大賽、學(xué)生科研小組、興趣小組等課外科技活動(dòng)、畢業(yè)論文相結(jié)合的方式，要求學(xué)生完成一個(gè)有創(chuàng)新意義的研究課題，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立從事科學(xué)研究能力。

近年來，我校兼顧探索客觀規(guī)律的研究型人才和運(yùn)用專業(yè)知識(shí)和客觀規(guī)律到實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用型人才的復(fù)合型人才培養(yǎng)目標(biāo)，以科教融合的育人觀為指導(dǎo)，在較高層次物理實(shí)驗(yàn)課程與實(shí)踐教學(xué)中創(chuàng)新性地研究開發(fā)出一批物理與社會(huì)應(yīng)用、物理與海洋、物理與生物、物理與環(huán)境等多學(xué)科交叉的具有我校特色的綜合應(yīng)用性、創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生將知識(shí)與技能轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問題的能力，取得了較好效果。

1 以應(yīng)用為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活聯(lián)系緊密的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)的重要核心內(nèi)容是將知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問題的能力。為了讓學(xué)生學(xué)會(huì)從生活中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和將已有知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中去，開設(shè)了利用物理實(shí)驗(yàn)中常見的實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)方法解決現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活聯(lián)系緊密問題的應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。如“人耳聽覺聽閾的測(cè)量”、“電子溫度計(jì)的設(shè)計(jì)及人體溫度測(cè)量”、“壓力傳感器設(shè)計(jì)及心律與血壓測(cè)量”、“人體反應(yīng)時(shí)間測(cè)試”、“A類超聲診斷與探傷”等物理實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)在生理、醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以及“磁阻傳感器與地磁場(chǎng)測(cè)量”、“可控硅調(diào)光燈設(shè)計(jì)”、“太陽(yáng)鏡的設(shè)計(jì)與應(yīng)用”、“海水折射率測(cè)量”、“燃料電池特性的測(cè)量與分析太陽(yáng)能電池組裝與光伏特性研究”等由企業(yè)生產(chǎn)與日常生活提升的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[13-14]。

2 通過教學(xué)研究與實(shí)踐，不斷創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

設(shè)計(jì)性研究性實(shí)驗(yàn)不像測(cè)量性驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)菢臃€(wěn)定，可以“數(shù)年如一日”地進(jìn)行。有些實(shí)驗(yàn)經(jīng)過幾屆學(xué)生做過后，已沒有多少內(nèi)容可供自己獨(dú)立設(shè)計(jì)和研究了，這就要求我們不斷創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容始終處于動(dòng)態(tài)的變化過程之中，保持設(shè)計(jì)性研究性實(shí)驗(yàn)的趣味性、先進(jìn)性、創(chuàng)新性和有效性。我校教師在擁有精深的物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能基礎(chǔ)上，不斷地學(xué)習(xí)新知識(shí)，掌握科技發(fā)展與生產(chǎn)生活新動(dòng)向，積極將這些內(nèi)容融會(huì)到物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐中。通過指導(dǎo)大學(xué)生完成學(xué)位論文或參與挑戰(zhàn)杯等各種科技活動(dòng)，開展一些利用物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法，深入研究解決日常生活實(shí)際問題的課題研究，并將成功的研究成果固化于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，使教學(xué)實(shí)踐進(jìn)入良性循環(huán)。例如指導(dǎo)本科生完成“魚鱗片表面的微觀結(jié)構(gòu)與表面特性研究”畢業(yè)論文，將其中利用移測(cè)顯微鏡觀測(cè)魚鱗片表面的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)比分析大黃魚和鱸魚魚鱗片不同區(qū)域的鱗嵴間距部分開發(fā)出“魚鱗片表面微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的測(cè)量與分析”這一具有水產(chǎn)特色的研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目引入本科大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)[3],使學(xué)生在學(xué)習(xí)中體會(huì)到將所學(xué)物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于海洋科學(xué)研究中的樂趣，有助于提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。再如通過指導(dǎo)學(xué)生論文開發(fā)的 “毛發(fā)形態(tài)結(jié)構(gòu)及拉伸性能分析”項(xiàng)目[4]，是利用常見的生物顯微鏡、讀數(shù)顯微鏡、鈉光燈、讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡等常見實(shí)驗(yàn)儀器和自制的毛發(fā)拉伸裝置，采用等厚干涉法測(cè)量毛發(fā)直徑，運(yùn)用光桿桿放大原理測(cè)量毛發(fā)伸長(zhǎng)率，研究人、馬、貓、狗、兔、羊、狐貍等毛發(fā)形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)其拉伸性能的影響，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中體會(huì)到將所學(xué)大學(xué)物理技術(shù)與知識(shí)應(yīng)用于生活中的樂趣，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性,提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，又開放了“染發(fā)及護(hù)發(fā)對(duì)人發(fā)結(jié)構(gòu)特性的影響研究”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[5]，研究染發(fā)及護(hù)發(fā)對(duì)人發(fā)形態(tài)結(jié)構(gòu)、直徑、彈性模量、斷裂力、pH值的影響，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，采用靜滴接觸角法測(cè)量CD光盤或DVD光盤的表面潤(rùn)濕性，采用激光衍射法測(cè)量光盤的溝槽間距開發(fā)了“光盤表面溝槽結(jié)構(gòu)潤(rùn)濕性研究”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在此基礎(chǔ)上，以CD或DVD光盤為母光柵，利用PDMS模板技術(shù)制作復(fù)制光柵，用分光計(jì)法或激光光柵衍射法測(cè)量光柵常數(shù)，設(shè)計(jì)了“復(fù)制光柵的制作及光柵常數(shù)的測(cè)量”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[6-8]。

3 將科學(xué)研究成果移植，開發(fā)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

高?？蒲惺且环N有效的教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式[9]，對(duì)提高教師的素質(zhì)水平、推動(dòng)學(xué)科建設(shè)具有積極意義的同時(shí)，對(duì)促進(jìn)學(xué)生發(fā)展、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力具有重要作用。我校物理實(shí)驗(yàn)教師同時(shí)為遼寧省物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、遼寧省海洋生物物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成員，在承擔(dān)物理理論與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)與研究任務(wù)的同時(shí)，開展了納米材料與海洋仿生、海洋環(huán)境生物物理、海洋物理農(nóng)業(yè)、海洋生物探測(cè)與環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的科學(xué)研究，完成了國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧省科學(xué)計(jì)劃等數(shù)十項(xiàng)科研項(xiàng)目。將科研項(xiàng)目成果提取移植，研發(fā)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，科教融合培養(yǎng)大學(xué)生科技創(chuàng)新能力[10]。例如將國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“表面微納拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)制與海洋防污性能的仿生研究”的部分研究成果進(jìn)行移植，開創(chuàng)了“仿生荷葉效應(yīng)設(shè)計(jì)與表面性能研究”、“ 仿生微納米表面的制備與表征”等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[11]；將遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目 “基于水產(chǎn)品的電流體動(dòng)力學(xué)干燥模型及其在海參脫水中的應(yīng)用研究”的研究成果進(jìn)行整合，開創(chuàng)了“高壓電場(chǎng)干燥特性研究”、“高壓脈沖電場(chǎng)干燥預(yù)處理海參實(shí)驗(yàn)研究”、“高壓靜電場(chǎng)保鮮海蝦的實(shí)驗(yàn)研究”等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。將中國(guó)博士后科學(xué)基金“石墨烯基復(fù)合三維網(wǎng)狀分級(jí)電極可控制備及電容特性研究”的研究成果進(jìn)行移植，開創(chuàng)了“高壓靜電紡絲法制備納米纖維的實(shí)驗(yàn)研究”、“ 納米MnO2電極材料制備及電容性能研究”等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[12-13]。

4 利用學(xué)科優(yōu)勢(shì)，研發(fā)交叉實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展一方面使學(xué)科高度分離，另一方面又使學(xué)科高度融合，學(xué)科發(fā)展綜合化已成為主要趨勢(shì)。我校物理教師大多為校生物物理重點(diǎn)學(xué)科成員，開展面向海洋，主要以海水、海洋生物、海洋環(huán)境、海洋運(yùn)輸為研究對(duì)象，立足于生物學(xué)與物理學(xué)、物理學(xué)與水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)和捕撈學(xué)、物理學(xué)與海洋環(huán)境等學(xué)科的交叉研究。物理實(shí)驗(yàn)課程與實(shí)踐教學(xué)順應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，利用遼寧省海洋生物物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和遼寧省物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心平臺(tái)，將跨學(xué)科研究成果移植到教學(xué)實(shí)踐中。將物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法應(yīng)用于海洋、環(huán)境、生物、食品等領(lǐng)域，不斷將教師的科研或者最新的科技前沿問題通過知識(shí)和學(xué)術(shù)轉(zhuǎn)化，變成教學(xué)的資源，交叉融合到物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新項(xiàng)目中。例如將高壓電場(chǎng)應(yīng)用于海產(chǎn)品干燥，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)出“高壓電場(chǎng)干燥特性研究”、“高壓脈沖電場(chǎng)干燥預(yù)處理海參實(shí)驗(yàn)研究”、“高壓靜電場(chǎng)保鮮海蝦的實(shí)驗(yàn)研究”等物理與食品加工交叉的系列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；將電磁場(chǎng)應(yīng)用于水及水生生物，研發(fā)出“強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)水體的理化特性的影響”、“水生生物的強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境生物效應(yīng)研究”等物理學(xué)與環(huán)境交叉的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；此外，還開發(fā)出物理與生物交叉的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“光密度法測(cè)量微藻生物量的實(shí)驗(yàn)研究”、 “聚苯乙烯納米纖維功能化及固定化生物酶的活性研究”、“仿生荷葉效應(yīng)設(shè)計(jì)與表面性能研究”；物理與納米材料交叉的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“高壓靜電紡絲法制備納米纖維的實(shí)驗(yàn)研究”、“膠體光子晶體的制備與光特性研究”、“仿生微納米表面的制備與表征”、“納米TiO2光觸媒制備及抗菌特性研究”、“納米MnO2電極材料制備及電容性能研究”。 這些具有研究性或創(chuàng)意性內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，逐步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

5 物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的創(chuàng)新性應(yīng)用

這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是為滿足大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的較高層次的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能解決實(shí)際問題和獨(dú)立從事科學(xué)研究工作而設(shè)計(jì)的。每個(gè)實(shí)驗(yàn)需要的學(xué)時(shí)數(shù)從3學(xué)時(shí)到1學(xué)期，實(shí)驗(yàn)的要求從初步學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)到研究一個(gè)全新的課題。其中，綜合應(yīng)用性物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目特別注重運(yùn)用物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)與技術(shù)的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生將知識(shí)與技能轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問題的能力；創(chuàng)新研究性物理實(shí)驗(yàn)帶有一些科學(xué)研究的性質(zhì)，要求學(xué)生完成一個(gè)有創(chuàng)新意義的交叉性研究課題，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立從事科學(xué)研究能力。經(jīng)過長(zhǎng)期的研究與實(shí)踐，近5年共開發(fā)出29個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，固化于編著的由科學(xué)出版社出版的《創(chuàng)新性物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用》[12]。各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與傳統(tǒng)的“測(cè)量性驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)”不同，實(shí)驗(yàn)步驟粗略化，增加了實(shí)驗(yàn)背景及方法介紹、一系列的問題、實(shí)驗(yàn)要求和參考材料。每一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目先指出實(shí)驗(yàn)意義與目的以激發(fā)學(xué)生興趣，列出實(shí)驗(yàn)儀器與物品清單以引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；標(biāo)出參考文獻(xiàn)與資料以開拓學(xué)生思路與視野；給出實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)與要點(diǎn)以方便學(xué)生自學(xué)和準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)；提出實(shí)驗(yàn)要求以督促學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，給出實(shí)驗(yàn)報(bào)告與思考以指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)做科研論文，并拓展其創(chuàng)新思維。為了使學(xué)生更好的完成實(shí)驗(yàn)研究，還補(bǔ)充介紹了物理實(shí)驗(yàn)研究方法與論文寫作。注重以學(xué)生為主體，引導(dǎo)學(xué)生通過查閱材料，以做研究的方式來完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過這樣的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)訓(xùn)練，學(xué)生能深入理解物理原理，提高學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐應(yīng)用能力、研究創(chuàng)新能力。初步的實(shí)踐結(jié)果表明，學(xué)生對(duì)開設(shè)的以應(yīng)用為導(dǎo)向的物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)熱情增加，尤其是一些與生活密切相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，更受學(xué)生歡迎，學(xué)生的自主創(chuàng)新能力得到了提高。近5年來課題組教師指導(dǎo)200多名本科生在各類科技競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)50人次，其中國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)1項(xiàng)，省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)30余項(xiàng)；指導(dǎo)學(xué)生主持大創(chuàng)項(xiàng)目18項(xiàng)，本科生參加教師科研項(xiàng)目6項(xiàng)；本科生優(yōu)秀畢業(yè)論文10余篇，公開發(fā)表論文5篇、授權(quán)國(guó)家專利5項(xiàng)。

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Research on the College Physics Experiments by the Integration of Science and Teaching

WANG Jing,CHI Jian-wei,QU Bing,PAN Chao,BAI Ya-xiang,HU Yu-cai

(Dalian Ocean University，Liaoning Dalian 116023)

To train compound talents with speciality,capability and knowledge，the interdiscipline experiments between physics and oceanography,biology,environtology were designed by the integration of science and teaching for the college physics experiment.The experiments are derived from scientific research,production and living and teaching practice.It is advantageous to improve the cultivation of practical capability and innovation capability of college students.

physics experiment；integration of science and teaching ；innovation ability；practical capability

2016-08-22

遼寧省物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)項(xiàng)目;2012年度遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究立項(xiàng)項(xiàng)目;大連海洋大學(xué)教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目(JG2014ZD22)

1007-2934(2016)06-0127-04

G 642.0

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.035