周海濤, 李保春, 楊保東, 郜江瑞

(山西大學 物理電子工程學院， 太原 030006)

物理實踐教學平臺建設(shè)的研究與探索

周海濤, 李保春, 楊保東, 郜江瑞

(山西大學 物理電子工程學院， 太原 030006)

針對地方綜合性高校實踐教學現(xiàn)狀，結(jié)合學校物理學科發(fā)展的特點和優(yōu)勢，探索教學平臺建設(shè)的改革創(chuàng)新。通過科研轉(zhuǎn)化與學科交叉，拓展創(chuàng)新實踐項目；開放實驗、科研訓練和學科競賽互為補充；利用科研院所和工廠企業(yè)資源，建立學生實習實訓基地，實現(xiàn)了多元化、分層次的實踐教學體系革新；進一步優(yōu)化教師結(jié)構(gòu)，提升了實驗隊伍的科研能力和教學水平；使實踐教學平臺更好地服務(wù)于創(chuàng)新型創(chuàng)造型人才的培養(yǎng)。

物理實踐教學; 科研轉(zhuǎn)化; 學科交叉; 科研訓練; 實習實訓

0 引 言

實踐教學是高等教育在貫徹落實黨的教育方針、實現(xiàn)高素質(zhì)人才培養(yǎng)目標的重要環(huán)節(jié)。實踐教學工作的好壞，關(guān)系到整個高校教育教學工作和人才培養(yǎng)質(zhì)量的全局，特別是在實施復合型、創(chuàng)新型和創(chuàng)造型人才培養(yǎng)過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用，實踐教學平臺建設(shè)是落實素質(zhì)教育、培養(yǎng)學生動手能力和獨立創(chuàng)造能力的最佳平臺。

高等學校實踐教學體系主要包括實驗教學、實習實訓、社會實踐、畢業(yè)設(shè)計等教學環(huán)節(jié)[1]。物理實驗作為理、工科專業(yè)學生開設(shè)的一門知識面廣、綜合性強的基礎(chǔ)必修課程，它在本科教學中不但扮演著學習物理應(yīng)用、掌握實驗基本方法、實驗技能的角色，更承擔著培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W思維習慣和獨立自主創(chuàng)新精神的重要任務(wù)，其在高校教學體系中具有不可替代的作用。隨著國家科技興國戰(zhàn)略及經(jīng)濟全面轉(zhuǎn)型的實施，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》 已對人才培養(yǎng)模式提出了明確要求[2]：既要培養(yǎng)研究型的拔尖人才，也要培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才。局限于課堂教學的傳統(tǒng)物理實驗教學模式，已遠遠不能滿足人才培養(yǎng)的需求。因此，通過物理實踐教學過程和教學模式的改革來實現(xiàn)綜合性，創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)，彰顯實踐教學在高等教育中的重要地位，已成為許多高校探索和改革的熱點[3-5]。

1 改革思路

物理學作為我校的特色優(yōu)勢專業(yè)，其目標定位就是培養(yǎng)該專業(yè)領(lǐng)域的領(lǐng)軍人才和創(chuàng)新人才，這就要求我們在人才培養(yǎng)、學科發(fā)展方面要不斷改革創(chuàng)新，緊跟時代步伐，并與國際先進教學模式接軌。多年來，我們一直堅持以人為本，探索適應(yīng)科技發(fā)展和社會需求的教學內(nèi)容、教學方法及運行機制等全方位的革新，取得了顯著成效，并起到輻射示范作用。早在本世紀初，物理實驗教學中心以培養(yǎng)學生的實踐能力、創(chuàng)新能力為出發(fā)點，首先在物理學專業(yè)建立起了基本實驗、綜合性設(shè)計性實驗和研究性實驗逐級提高的三級物理實驗課程體系[6-7]，并將其推廣到理科類其他專業(yè)，受到國內(nèi)許多高校的關(guān)注和認可。根據(jù)我校建設(shè)成為具有地方特色的綜合研究性大學的辦學理念和建設(shè)目標，中心積極探索教學方法[8]，建立了四種教學模式連動，全過程開展研究性物理實驗教學體系[9-10]。

近幾年，我們利用國家級物理實驗示范中心聯(lián)席會議以及大學物理實驗和近代物理實驗教學研討會等平臺，在與國內(nèi)高校實驗教學專家交流探討中了解到，如何能更好地提高學生的動手能力和獨立解決問題的能力，培養(yǎng)適應(yīng)社會發(fā)展和國家急需的創(chuàng)新型綜合型高素質(zhì)人才，是目前高校實踐教學亟待解決的問題。通過調(diào)研國內(nèi)外物理實驗教學現(xiàn)狀，我們發(fā)現(xiàn)：國內(nèi)高校在基礎(chǔ)物理實驗、近代物理實驗等經(jīng)典實驗項目及內(nèi)容安排上與國際名校開設(shè)的實驗數(shù)目、內(nèi)容差別不大，但在綜合性和創(chuàng)新性強的物理實驗上還有明顯的差距；實踐教學體系還不夠完善，相比工科專業(yè)，物理類專業(yè)最為突出的是實習實訓鍛煉欠缺，接觸專業(yè)外相關(guān)知識的機會較少，與當前社會發(fā)展脫節(jié)?？偨Y(jié)已畢業(yè)學生(攻讀研究生或參加工作)的反饋信息發(fā)現(xiàn)，物理類學生經(jīng)過本科四年系統(tǒng)的理論課程學習和實驗培養(yǎng)后，專業(yè)知識理論功底扎實，動手能力也明顯提高，但分析解決實際問題的能力還相對較弱，實踐經(jīng)驗不足，這要求實踐教學內(nèi)容和體系與時俱進。為此，我們在物理實踐教學改革過程中，以培養(yǎng)分層次、多元化人才為目的，以中央提升中西部高校綜合實力為契機，在拓展創(chuàng)新實驗項目、改革實踐訓練模式、優(yōu)化師資隊伍結(jié)構(gòu)上進行了研究和探索，推動實踐教學平臺建設(shè)，并取得了初步成效。

2 科研轉(zhuǎn)化與學科交叉并舉，拓展創(chuàng)新實驗項目

實驗項目是學生進行實踐訓練和能力培養(yǎng)的直接載體，如何在保持和繼承經(jīng)典實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上不斷推陳出新，增加反映最新科技前沿和貼近生產(chǎn)實際的實驗教學項目，讓學生在接受專業(yè)理論知識和基本能力訓練的同時，又能及時獲得更新的科技信息，以促進綜合素質(zhì)的提升。為此，我們著重從科研轉(zhuǎn)化和學科交叉兩方面入手，進一步豐富實踐教學內(nèi)容。

2.1 堅持科學前沿持續(xù)轉(zhuǎn)化為本科實踐項目

我校光學學科作為國家重點學科，具有量子光學與光量子器件國家重點實驗室和極端光學協(xié)同創(chuàng)新中心，在量子光學、光與原子相互作用、冷原子分子物理、量子物理等研究領(lǐng)域緊跟世界前沿。科研平臺建設(shè)通過多年幾代人的積累，已形成一套完善的實驗體系，承擔著大量國家級科研項目，很難為本科生提供充足的實驗時間。大部分學生在進入研究生階段需要花費一年甚至兩年時間去熟悉實驗儀器操作，這是所有高校和科研機構(gòu)普遍存在的問題。為了讓本科生更好地了解科研知識和實驗技術(shù)，提高學生的科研興趣，從而成為基礎(chǔ)科學研究的潛在生源，我們充分利用學科優(yōu)勢資源建立了現(xiàn)代光學技術(shù)實踐教學平臺，將科研實驗室中基本的實驗方法、實驗技術(shù)以及較成熟的科研成果逐步轉(zhuǎn)化為研究性實踐教學項目。項目大致分為兩類：① 通用技術(shù)類。在科學研究中普遍用到的儀器、光學器件的掌握及光路的調(diào)節(jié)，包括：半導體激光器調(diào)試、光電探測器的設(shè)計和調(diào)試、無源諧振腔的調(diào)節(jié)、光纖耦合技術(shù)、光隔離器的調(diào)節(jié)、平衡零拍探測技術(shù)等；② 專業(yè)實驗類。從科研成果中轉(zhuǎn)化而來的項目，比如：原子的冷卻與俘獲、非經(jīng)典光場的量子噪聲測量、電磁誘導透明及吸收、四波混頻等前沿性實踐訓練項目。通過現(xiàn)代光學技術(shù)項目的訓練，形成了科研、教學和大學生創(chuàng)新實踐訓練相互促進的良性循環(huán)，增強了學生的創(chuàng)新技能和把握科學前沿的能力，培養(yǎng)了學生獨立自主、創(chuàng)新進取的精神。

科研成果轉(zhuǎn)化為本科實踐并不是簡單的將科研的內(nèi)容直接復制到實驗教學課堂，而是根據(jù)本科生的知識結(jié)構(gòu)和技術(shù)基礎(chǔ)，把一個復雜的、完成周期較長的科研項目通過消化吸收，演變?yōu)閹讉€相對獨立的或分層次階段性的、可操作性強的、短期內(nèi)能實現(xiàn)的子課題為學生開設(shè)。在實施過程中，給予學生充分的思考討論和動手實踐機會，比如激光器調(diào)節(jié)、光路搭建、信號探測及數(shù)據(jù)處理和分析等，讓學生為主體全程參與，使學生從思想上由被動接受知識轉(zhuǎn)換到主動探索，這樣既培養(yǎng)了學生追求學術(shù)創(chuàng)新和嚴謹務(wù)實的作風，又能使學生切身體會到科學研究的艱辛和樂趣。

2.2 開發(fā)基于學科交叉的綜合應(yīng)用型實驗項目

創(chuàng)新是一個民族的靈魂，是一個國家昌盛不衰的動力源泉。隨著知識經(jīng)濟和信息化時代的發(fā)展趨勢，極大地加速了科學技術(shù)的發(fā)展和各學科之間的相互交叉和滲透，新的綜合化趨勢已成為科學發(fā)展的主流，科技創(chuàng)新已日益新常態(tài)，實踐教學作為培養(yǎng)和鍛煉大學生創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)精神的重要陣地之一，必須不斷改革創(chuàng)新，才能適應(yīng)社會對高校畢業(yè)生越來越高的要求[11-12]。實驗中心本著“發(fā)揮優(yōu)勢，綜合交叉，突出創(chuàng)新，加強應(yīng)用”的辦學理念，在深入研究將科研成果持續(xù)轉(zhuǎn)化為本科實驗項目基礎(chǔ)上，主動適應(yīng)山西經(jīng)濟轉(zhuǎn)型跨越發(fā)展的戰(zhàn)略需求，以培養(yǎng)多元化高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才為目標，堅持學科交叉與綜合應(yīng)用相結(jié)合，建設(shè)了生物物理測量、新型材料生長測試和虛擬仿真技術(shù)三個大學生創(chuàng)新實踐教學平臺，進一步豐富和擴展了物理實踐教學的內(nèi)容。

(1) 生物物理測量教學平臺建設(shè)。我們開展了細胞生物電測量與物理因子的生物效應(yīng)、神經(jīng)信息處理與腦—機交互技術(shù)、生物醫(yī)學傳感與檢測技術(shù)等相關(guān)方面的實踐項目。在教師指導下，以學生為主體，開發(fā)了物理因子對細胞膜離子通道特性影響、腦—機交互技術(shù)中腦電信號采集與特征識別、經(jīng)穴電刺激誘發(fā)腦電特征研究等一系列的探索訓練科目。在實踐過程中，將創(chuàng)新理念和具體實施內(nèi)容充分融合，將光、電、磁、超聲、微波等物理因素與生物組織、細胞、分子相互作用的機制結(jié)合起來，構(gòu)建了物理學和生物學交叉知識體系。

(2) 虛擬仿真技術(shù)平臺建設(shè)。計算機軟件開發(fā)應(yīng)用是這個時代的一個重要標志，為了提高物理系學生應(yīng)用編程解決實際問題的水平，我們通過“軟、硬”結(jié)合，建立了虛擬仿真技術(shù)實踐教學平臺，開設(shè)了包括基于數(shù)字CCD的機器視覺控制及圖像處理、基于LabVIEW語言的動態(tài)信號采集及分析控制、3維激光掃描及3D打印技術(shù)和多屏互動系統(tǒng)的開發(fā)等實踐項目，既豐富了物理實踐教學的內(nèi)容，同時又激發(fā)了學生的學習興趣。

(3) 新型材料生長測試平臺建設(shè)。在省教育廳、地方企業(yè)及學校的聯(lián)合支持下，我們成立了半導體量子材料實驗室，建立了基于MOVCD的ⅢⅤ族半導體量子點生長系統(tǒng)及量子點光譜光學特性測試系統(tǒng)，一批高精尖的儀器投入教學科研中。學生在該實驗室通過全程參與量子點從生長到后續(xù)的光學特性分析的整個過程，不僅可以學習半導體材料的生長工藝和氫氣、硅烷等多種氣體混合使用的精確控制，還可以學習利用激光對材料光譜及量子特性的測量等包括光學、電子、材料、化學等方面的內(nèi)容，鍛煉學生團隊協(xié)作意識和操作精密復雜儀器的能力。

3 分層次、多元化完善實踐訓練模式

3.1 開放實驗、科研訓練與學科競賽相結(jié)合，多渠道豐富課外實踐活動

開放實驗作為課堂實驗教學的有效補充,不但可以提高實驗儀器、設(shè)備等教學資源的利用率，而且由于內(nèi)容、時間、空間上的靈活性，學生可以自主開展實踐訓練，越來越受到學生的歡迎[13]。為了滿足不同專業(yè)、不同層次的學生對開放實驗需求，將實驗中心的所有實驗室統(tǒng)籌規(guī)劃，合理安排，具體實施辦法如下。

(1) 大學物理實驗室開放。學期初，通過教務(wù)處向全校公布基礎(chǔ)物理實驗室的上課時間和開放時間，并列出各實驗室的可開放設(shè)備及常規(guī)實驗項目等信息，學生根據(jù)自身條件及興趣遞交開放實驗申請表，提前預約。實驗室有專職教師負責，對實驗方案，使用儀器設(shè)備及耗材、預計完成時間等內(nèi)容進行審核。審核通過后，學生就可以在開放時間到實驗室進行實踐訓練。此類開放主要針對非物理類理工科專業(yè)的學生和物理類專業(yè)低年級的學生，涉及內(nèi)容大致分兩類：① 在課堂教學中沒有完全掌握的實驗項目或儀器操作；② 對物理感興趣的學生自行設(shè)計的小課題研究。此類開放周期短，頻次高，一般1或2周為一個周期，學生自主性強，實驗室僅負責提供相應(yīng)的實驗儀器及實驗材料。此類開放主要是鞏固學生的實驗知識和基本操作技能。

(2) 綜合設(shè)計性實驗開放。每學期初，通過校園網(wǎng)發(fā)布大約20個教學安排外的綜合性實驗項目，豐富學生的課外實踐內(nèi)容。開放內(nèi)容涵蓋力、熱、電、光、近代物理、虛擬仿真、激光技術(shù)等，主要面向物理、光電和電子專業(yè)學生開放，每個項目均設(shè)定基本的實驗任務(wù)或目標，并提供相應(yīng)的實驗儀器及資料供，學生自行進行實驗。一般執(zhí)行周期為5或6周為宜，實驗完成后需提交一篇論文或?qū)嵺`報告。通過這種相對寬松自由的學習環(huán)境，不僅大大地激發(fā)了學生的學習自覺性、主動性和積極性，更利于充分發(fā)揮學生自身的優(yōu)點，有利于培養(yǎng)學生的獨立思維和動手能力，有效地促進了實踐教學高效率的開展。

(3) 學科競賽和科研訓練推動實踐教學水平提升。學科競賽和科研項目訓練是開放實驗的升級版，是凝練體現(xiàn)實踐教學成果的兩種不同表現(xiàn)形式。學科競賽針對同一個課題，有多個小組同時開展研究，通過查閱文獻、團隊討論、結(jié)果答辯等形式挑選優(yōu)秀學生，進一步的培訓和鍛煉，代表學校參加省級和國家級的比賽，如“中國大學生物理學術(shù)競賽”“大學生物理實驗競賽”和全國電子設(shè)計大賽等。學科競賽的開展，不但拓寬了學生的知識結(jié)構(gòu)，增強了學生的學習興趣，競爭機制的引入強化了學生的危機意識和競爭意識，使他們在知識學習、解決問題上更加積極主動。學科競賽的執(zhí)行周期一般為一個學期。

在科研成果轉(zhuǎn)化本科實驗項目和綜合應(yīng)用項目開發(fā)的實踐教學平臺建設(shè)過程中，面向二、三年級學生，2或3人一組，通過申報校、院兩級科研訓練項目的形式開展實踐活動。實行“導師制”，在項目立項、執(zhí)行、論文撰寫、總結(jié)答辯等各個環(huán)節(jié)都有導師跟蹤指導，嚴格把關(guān)。支持優(yōu)秀項目申報省級及國家級的創(chuàng)新科研訓練項目。一個訓練項目就是一個研究課題，具有一定的創(chuàng)新性，由于涉及內(nèi)容專業(yè)性強、綜合應(yīng)用程度高、研究時間和結(jié)果不確定性等特點，一般執(zhí)行周期為一個學年。

通過上述兩種形式的鍛煉和培養(yǎng)，就是要使學生擺脫應(yīng)試教育的固有模式，體現(xiàn)知識學習與探索實踐相結(jié)合，物理學與生產(chǎn)生活相結(jié)合，學術(shù)能力與人際交往能力相結(jié)合，個人與團隊合作相結(jié)合，個人興趣與社會責任相結(jié)合的實踐理念。在具體實踐過程中，學校和學院均有經(jīng)費保證和獎勵政策。

3.2 利用科研院所和工廠企業(yè)資源，加強實習實訓

在近幾年的實驗教學改革中我們發(fā)現(xiàn)，通過開放實驗和科研訓練的熏陶，學生動手能力明顯提高，思維更加活躍，在新教學儀器開發(fā)、科研成果向?qū)嶒灲虒W轉(zhuǎn)化等方面表現(xiàn)出了驚人的潛力，部分學生直接參與研究所的科研項目。隨著實踐教學改革的深入與推廣，需要學生獲得更系統(tǒng)的、規(guī)范的訓練，了解更貼近科研生產(chǎn)一線的實際需求。因此，我們要充分利用本學科的優(yōu)勢資源，借助量子光學與光量子器件國家重點實驗室平臺，與其他科研院所、機加工車間、儀器公司等展開廣泛合作，建立了長效合作機制，為學生提供更多的實習實訓機會。具體形式為：針對二、三年級學生，每學年初或期末組織學生到校外的科研院所、工廠企業(yè)進行訪問交流和實習鍛煉，開拓學生的眼界和知識面，切身感受當前社會發(fā)展的最新動態(tài)，為學生下一步的學習計劃及開展科研訓練提供參考；在本科生畢業(yè)論文開題前，積極鼓勵他們到校內(nèi)外的科研院所或生產(chǎn)企業(yè)進行實習鍛煉，并為其提供相應(yīng)的教師指導和基本條件，形成了實驗中心和科研機構(gòu)、企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)的實習實訓教學模式，為學生提供更為廣泛的研究內(nèi)容，將物理專業(yè)知識與當?shù)亟?jīng)濟及科技發(fā)展緊密聯(lián)系起來。

4 新老教師相結(jié)合，優(yōu)化師資隊伍結(jié)構(gòu)

師資隊伍建設(shè)是實踐教學團隊改革的重點之一，在教學理念清晰、思路正確、體系完善的前提下，最終還要靠一支結(jié)構(gòu)科學的師資隊伍去落實。

傳統(tǒng)的課堂實驗教學以教師講為主，但是針對綜合設(shè)計性的開放實驗以及科研成果中轉(zhuǎn)化實驗教學項目和綜合應(yīng)用型的實踐教學項目，則是以教師引導為輔、學生實踐為主，突顯的是教師在實驗教學中高水平的學術(shù)和技術(shù)指導。這不僅需要熟悉實驗教學規(guī)律的有經(jīng)驗的教師在傳統(tǒng)實驗教學、開放實驗中開展教學；也需要正工作在科學研究前沿，并能將科研方法、科研成果融入本科生實踐項目的中青年科研骨干。

近年來，實驗中心先后有十多名年輕教師獲得博士學位，并有多名教師出國深造，他們的專業(yè)背景具有多樣性，包括光學、激光技術(shù)、凝聚態(tài)物理、材料物理等，這使得中心在科研能力整體提升的基礎(chǔ)上，實踐教學的層次也明顯提高。多數(shù)年輕博士在承擔國家科學研究項目的同時還兼任著本科生科研項目訓練的導師，在創(chuàng)新實驗項目的開發(fā)建設(shè)過程中，將研究性理念貫穿始終，引導學生自主學習、合作學習、研究學習，培養(yǎng)學生的探索意識和創(chuàng)新意識。教師隊伍已基本形成一支中青交叉,教學與科研相融合的穩(wěn)定團隊,為開展創(chuàng)新實踐教學提供了軟保障。

5 結(jié) 語

實踐教學平臺建設(shè)是當前高等學校培養(yǎng)國家急需各類人才的重要支撐，是培養(yǎng)大學生實現(xiàn)大眾創(chuàng)新、萬眾創(chuàng)業(yè)的最豐沃土壤和堅實的堡壘。我們根據(jù)物理學本身的特點，實現(xiàn)經(jīng)典內(nèi)容與科技前沿緊密結(jié)合，傳統(tǒng)實驗教學與開放實驗、科研訓練及實習實訓相結(jié)合，突出時代性和社會應(yīng)用性；注重學科相互交叉滲透，不斷完善物理實踐教學內(nèi)容及體系改革，全面培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新能力、實踐精神和社會責任感；充分發(fā)揮我校優(yōu)勢學科的學術(shù)資源，加強科研成果向?qū)嶒灲虒W項目的持續(xù)轉(zhuǎn)化，建立了符合物理類專業(yè)學生實習實訓的培訓基地，進一步豐富物理實踐教學的內(nèi)涵；實現(xiàn)新老教師有機結(jié)合，引入導師負責制，促進實踐教學水平的提高。實踐教學中培養(yǎng)人才質(zhì)量的提高也將為科學研究和社會經(jīng)濟發(fā)展輸送優(yōu)秀人才。

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·名人名言·

把簡單的事情考慮得很復雜，可以發(fā)現(xiàn)新領(lǐng)域；把復雜的現(xiàn)象看得很簡單，可以發(fā)現(xiàn)新定律。

——牛頓

Research and Exploration on Practice Teaching Platform Construction in Physics

ZHOUHai-tao,LIBao-chun,YANGBao-dong,GAOJiang-rui

(College of Physics and Electronic Engineering, Shanxi University， Taiyuan 030006, China)

It is described that the teaching center of experimental physics in Shanxi University constructs physical practice-teaching platform for recent years. Combined with the advantage of our physics subject in a local comprehensive university, we discuss the reform and innovation of physical practice-teaching platform. First, the teaching and the practical items have been extended by the transformation of scientific achievement and the interdisciplinary integration; Second, the opening experiments, student research trainings and academic competitions are complemented each other; Third, many practical training bases have been built in some research institutes and enterprises, they also innovate the practice-teaching system in multiple wide ways and many layers. In order to enhance the standard of teaching and scientific research, we have optimized the structure of teaching staff. These are the better service for the practice teaching platform to cultivate innovative and creative talent.

physics practice-teaching; transformation of scientific achievement; interdisciplinary integration; research training; training and practice

2016-01-28

山西省教育廳支助項目(J2013007)

周海濤(1980- )，男，山西平定人，博士，副教授，主要研究方向為光學、原子物理。

Tel.：13994216518; E-mail：zht007@sxu.edu.cn

G 642.0; G 648.1

A

1006-7167(2017)01-0185-04