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在创新中前行

——记我校物理实验中心教学改革探索

闫明星

  成立于1998年的物理实验中心是承担全校本科大学物理实验系列课程教学任务的基础实验教学中心,也是本科生科技创新基地之一。该中心目前有实验课程7门、实验项目75门,实验学生人数3400/年,实验人时数26/年。在10余年的发展历程中,物理实验中心在学校的大力支持下,大胆创新,通过不断的教学改革形成了注重人才素质和能力培养的多层次实验、多重理念共存的开放式实验教学新模式,呈现出蓬勃发展的态势。

探究式实验学习:成功与否不是实验成绩的唯一衡量标准

  小孟同学在做“全息照相”实验时,经过光路调节、曝光、冲洗等过程得到全息底片后,发现观察再现像时,全息图不是很清楚,未能很好地得到像的信息,导致实验结果不理想。但他经过仔细分析,找出了快门曝光时间控制不好导致底片曝光过度、室内有振动等5条原因并认真总结了经验教训。虽然实验不是很成功,但他的全息照相成绩却得到了9.5分(满分10分)。指导教师张立彬在实验报告上写道:简单扼要、条理清楚,问题分析全面到位。

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同学们在实验室里(冯健 摄)

  小孟同学的经历在物理实验中心不是个案,是中心尝试的探究式教学理念的具体体现。这种教学方式不追求学生实验一定成功,即使失败了但只要找出失败原因也可以得到认可。实验中心为了培养学生多方面、多层次的能力,将实验分成了基础性实验、设计性实验、近代综合性实验3个层次并穿插许多DIY课题研究性实验。这其中就有一些实验偏重于考察学生的分析能力、逻辑能力、解决问题的综合能力,实验难度比较高。就像在“全息照相”“自组望远镜及显微镜”等实验中,有的学生可能会面临探索—失败—再探索的过程,需要进行多次调试,不断地总结经验,才能更好地完成实验。虽然失败让人很挠头,但有过这样经历的学生却表示,失败的经历让人能够更深入地分析问题,解决问题以后取得的成功让人记忆更深刻、更有成就感。“我们要在实验教学当中建立一个科学研究的氛围,让学生在探索中学习,这样可以更好地培养和锻炼学生。”实验中心主任赵海发说,“实验过程不仅是学知识的过程,也是能力培养的过程,不能以成功与否作为实验成绩的唯一衡量标准,而应该看学生在实验过程中知识是否得到应用、能力是否得到提升、思维是否得到锻炼。”

兴趣式教学:让枯燥的实验生动起来

  从最开始的忐忑到实验原理的摸索,从焊接电路到调试系统,直到看到装有永磁铁的物体悬浮在空中时,潘越同学的成就感油然而生。她在实验报告中说:“这是我做过的最有意思的一次实验。这次实验如同一座桥梁,拉近了我与电子制作的距离,让我感到电子世界不再那么晦涩难懂,只要肯下功夫去做就一定有成果。”

  做完实验“DIY制作电磁混合磁悬浮实验系统”后,大部分同学都有着和潘越同学类似的感想。该实验是物理实验中心经过几个月精心准备、为大二同学开设的一个全新的实验选修项目——“DIY课题研究性实验”。DIY课题研究性实验从学生的兴趣出发,让学生最大限度地参与到仪器制作、调试的全过程,与已学过的实验内容有衔接。很多学生反映在实验中受益匪浅,张俊赫在实验报告中就说:“在实验中锻炼了动手能力,考查了实验能力。在实验中尝试了之前没有接触过的实验器材,开阔了视野,收获颇丰。”

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同学们在做实验(冯健 摄)

  除了“DIY课题研究性实验”,实验中心老师在教学过程中也特别注重引导学生对物理实验的兴趣。实验物理教研室副主任李俊庆说:“兴趣是最好的老师。一个人一旦对某事物有了浓厚的兴趣,就会主动去求知、去探索、去实践。实验如能和学生兴趣、物理内涵结合起来,实验在学生眼中就不再枯燥,而会变得生动起来。”如在为文管类学生开设的物理实验中,李俊庆就将物理现象和音乐结合起来,通过示波器上的波形图来区分音调的高低与响度的大小,让学生知道音乐的一些物理原理,从而引起学生学习的兴趣。

开放式教学:为学生提供最大的便利

  (学生)问:每人要完成多少实验?

  (老师)答:每人应完成9个实验(必做+选做实验),交实验报告,实验数据录入计算机才算完成实验。

  在物理实验中心网站上,师生通过网络在线答疑就可以进行互动交流,如物理实验成绩如何记载、成绩比例如何分配、不能完成规定的实验数量怎么办等问题通过在线交流就可以得到回答。

  负责网络开发的物理实验中心副主任张盛介绍,中心在1999年开发了一套软件系统,在国内较早实行开放式实验教学,学生可在网上预约实验,自主安排实验时间。随着不断更新完善,物理实验中心网站在实验过程中发挥着越来越大的辅助作用。该系统不仅有实验预约、在线答疑功能,还实现了网络资源共享、在线仿真实验等功能。中心将一些习题、讲义等资源放到网上,达到资源共享、方便学习的目的。目前,中心开设大学物理实验项目34个,虚拟仿真实验项目达到60余个,对现实实验进行有效的补充、扩展。特别是对一些在现实中不便于进行的实验,如扫描隧道显微技术、核物理实验等在网络上得到了实现,极大地丰富了实验内容,开阔了学生眼界。为了方便学生,中心还实现了无线上网,学生通过手机就可以查询课程并更改实验时间、地点等。此外,通过该系统,师生还可以实现成绩查询、分析等功能,对实验教学是个很好的辅助。  

互动式教学:相得益彰的教学相长

  在为学生答疑过程中,实验物理教研室副主任方光宇注意到现有教材中关于迈克耳孙干涉仪中补偿板作用的讲解语焉不详,容易误导学生。以前教学论文中有关圆锥曲线干涉条纹的解释用的是数值方法,不仅计算复杂,而且晦涩难懂,学生很难理解和把握,是学生答疑的“重灾区”。经过多次研讨,方光宇和实验中心的老师找到一种简单的几何解释,不仅在理论上更为完善,而且计算简单,对学生来说更加形象,容易理解。他们根据该教学成果撰写的论文《迈克耳孙干涉仪中圆锥曲线干涉条纹的几何解释》被SCI收录,在《美国物理杂志》上发表。

  《礼记·学记》曰:“是故学然后知不足,教然后知困。知不足然后能自反也,知困然后能自强也。故曰教学相长也。”物理实验中心非常提倡互动式教学理念,这种互动不仅包括在实验中老师对学生的指导,也包括老师通过指导学生得到启发从而不断反馈教学。中心教师近几年发表了近30篇论文,很多论文就是教师不断总结教学经验的结果。实验中心副主任刘建龙说:“我们不断总结教学经验,并且将这种成果直接反馈到教学上,以指导学生更好地学习和实验。”

  除了发表论文,这种互动还表现在对实验仪器的开发上。在实验过程中,物理实验中心发现买来的仪器并不能完全满足教学的需求,对学生的培养和锻炼不足。如买来的霍尔效应实验仪只能让学生观察到霍尔效应的结果,而对霍尔效应有什么样的应用等工科专业学生最想知道的反而不能表现出来。实验中心副主任刘世刚就开发了霍尔效应实验仪(交流部分),不仅可以测量霍尔效应,还可以研究用霍尔传感器测量飞轮转速等应用,让学生知道霍尔实验的实际应用价值。在20多年的工作中,刘世刚一心钻研实验技术,研制了十几种高水平的实验教学仪器,其中有多项获得全国物理实验教学仪器评比二等奖。目前,几乎每种实验中都有中心自制的仪器。赵海发说:“物理实验课程最重要的是培养学生的科学实验能力,我们不能让学生只满足测量一组实验数据,要让学生通过实验锻炼动手能力,并且知道现象背后的本质是什么。”

后记:不断前行的物理实验中心

  多层次实验、多重理念共存的实验新模式的建立得益于中心优良的教学传统、不断开拓创新的理念、精干的师资队伍、坚持不懈的努力等诸多有利因素。

  老一代物理人对待工作兢兢业业、一丝不苟、深入钻研的精神为年轻一代实验教师树立了榜样。目前在23名实验中心教师和11名实验技术人员中,具有博士学位的有26人,博士化率达到75%以上,青年教师已成为物理实验教学的主力军。他们各具特色,在开发反映当代科技发展水平的新型教学仪器、发表高水平教学研究论文、提升实验教学水平等方面不断推进教学改革向深层次发展。为了提高实验教学的水平,实验中心制订了教师的工作职责和要求。工作要求中特别提到,实验教学的课堂要体现出科研的氛围;教师必须精通实验技术,必须懂得实验设备维修技术;教师在教学中要发挥实验课与学生互动多的优势,当学生在实验中遇到问题的时候,教师要引导学生通过现象发现问题,和学生一起分析问题并最终解决问题;要让学生明白实验中遇到问题是很正常的事情,实验的任务绝不仅是为了获得一组实验数据,观察实验现象、解决出现的问题是实验教学中培养学生科学素质的重要组成部分。

  高要求的背后是教师辛勤的工作和无私的奉献。实验中心经常要安排周末、晚上进行物理实验,每个人平均每年有近800学时的工作量,每位教师每天批改报告几十份。

  除了重视课堂实验教学以外,物理实验中心作为本科生科技创新实验基地,一直非常支持学生的课外科技活动,几年来先后有几百人在物理实验中心的本科生科技创新实验室做项目,有50多个学生创新项目获得各级奖励。不少指导教师为此付出了很多辛苦,刘建龙几乎每晚是最后一个离开实验室的老师;刘锐不管是晚上还是周末,只要是学生需要随叫随到,为他们准备实验设备,指导学生的研究工作。他们付出的辛苦换来的是学生们的成长和骄人成绩,物理系本科生在全国大学生物理学术竞赛中连续两年获得一等奖。参加比赛的余文秀同学说:“实验室的刘锐等老师不辞辛苦,放弃周末和节假日休息,从同学们的校赛准备到国赛准备, 一如既往、 不分早午晚, 只要需要就到实验室来帮助和指导同学们的实验工作……”

  目前,为了适应学校国际化建设,物理实验中心于2014年为8名外国学生开设了英文授课的10个物理实验项目。且行且思,物理实验中心一直在创新中前行。