理科試驗教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的研究與實踐

1、教育部新世紀高等教育教學(xué)改革工程”結(jié)題驗收主報告項目名稱：”理科實驗教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的研究與實踐”項目代號：1282A03031項目負責(zé)人：王曉蒲（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文與應(yīng)用物理系，合肥，230026）摘要：本項目在研究與實踐中，立足于學(xué)生創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，提出并實現(xiàn)大學(xué)物理實驗課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和多元化教學(xué)模式的全面改革思想。打破了傳統(tǒng)的學(xué)科獨立的課程體系，建立了學(xué)科交叉，逐步升級的物理實驗課程新體系；教學(xué)內(nèi)容注重了反映時代特點和最新科技的發(fā)展；為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)建立多元化的教學(xué)環(huán)境，在考試方法等方面也進行了改革的改革，使大學(xué)物理實驗課更著重對學(xué)生創(chuàng)新思維和能力

2、的培養(yǎng)。關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)教學(xué)模式課程體系教學(xué)內(nèi)容.理科實驗教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的思考隨著數(shù)字化為核心的信息技術(shù)的高度發(fā)展，21世紀又將經(jīng)歷一次重大變革。如果說19世紀的工業(yè)革命使人類從依靠體力的勞動中擺脫出來，那么今天的信息革命將使人類社會從繁雜的形式化腦力勞動中解放出來，大規(guī)模memory的記憶容量，計算機的運算速度，Internet網(wǎng)的交互管理能力，智能數(shù)據(jù)庫、CAD等各種應(yīng)用軟件的功能，以及它們的準確性都是人腦所不能比擬的，21世紀人類對待這類腦力勞動如同操縱機器完成體力勞動一樣簡單。也就是說將來的腦力勞動性質(zhì)將發(fā)生深刻的變化，站在這個角度來思考對未來科技人才培養(yǎng)的目標，它應(yīng)該

3、是具有對所學(xué)知識的凌駕程度，具有對知識的探索，應(yīng)用開發(fā)能力的新型腦力勞動者。但是，我們的理工科教學(xué)長期受到教學(xué)條件、環(huán)境和師資水平的限制，因襲多年的傳統(tǒng)教學(xué)模式客觀上引導(dǎo)學(xué)生向形式化，記憶型方式學(xué)習(xí)，過重的學(xué)習(xí)負擔也制約了學(xué)生的創(chuàng)新能力及科學(xué)素質(zhì)的養(yǎng)成上世紀中葉以來，以信息科學(xué)、生命科學(xué)、空間科學(xué)、材料科學(xué)等為代表的新的科學(xué)技術(shù)革命，極大地加速了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和各學(xué)科之間的相互交叉和滲透，新的綜合化趨勢已成為科學(xué)發(fā)展的主流。因此，高等教育人才培養(yǎng)的思路必然要適應(yīng)這些變化，課程體系，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法、手段必須由封閉型向開放型轉(zhuǎn)變?；A(chǔ)物理實驗作為大學(xué)生在進校后的第一門科學(xué)實驗課程，不僅應(yīng)讓學(xué)生

4、受到嚴格的、系統(tǒng)的實驗技能訓(xùn)練，掌握科學(xué)實驗的基本知識、方法和技巧，更主要的是要培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)思維能力和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、分析和解決實際問題的能力，特別是與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力，因而實驗教學(xué)應(yīng)該面對時代的發(fā)展，科技進步的新趨勢和新挑戰(zhàn)，不斷有所創(chuàng)新。只有這樣，才能適應(yīng)社會對人才知識和科學(xué)素質(zhì)越來越高的要求。根據(jù)上述的想法，我們反省目前教學(xué)上存在的弊端如下：1、長期以來，我國大學(xué)基礎(chǔ)實驗教學(xué)基本上處于一種封閉的狀態(tài)，多年不變的教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容與當今飛速發(fā)展的前沿科學(xué)新理論，新技術(shù)嚴重脫節(jié)，陳舊落后的實驗教學(xué)設(shè)備，因襲多年的傳統(tǒng)教學(xué)模式、方法和手段更是遠遠落后于科學(xué)技

5、術(shù)進步的步伐。就大學(xué)物理實驗而言，原有的大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗被分割為普通物理與近代物理兩門獨立課程，其中普通物理又被分為力、熱、電、光等各自獨立部分?；A(chǔ)物理實驗實際上只是處于課堂教學(xué)的從屬地位，二十世紀后期，科學(xué)技術(shù)發(fā)展的巨大成就很少能在基礎(chǔ)物理實驗中得到反映。因此，相當嚴重地阻礙了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性、創(chuàng)造性以及現(xiàn)代科學(xué)思維方法的形成。2、對本科生的實驗教學(xué)一般一項實驗課時是34個學(xué)時，在這樣一個很短時間內(nèi)要學(xué)生了解實驗原理、儀器原理、熟悉儀器的操作使用并完成實驗是不太可能的，沒有辦法只好在實驗教學(xué)過程中教師對實驗原理、實驗步驟、儀器操作方法等盡量交待清楚一點，讓學(xué)生自己思考的太少，很多學(xué)

6、生是盲目操作，走了過場，這實際上是一種呆板的模仿型教學(xué)。3、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新都是在實驗室里產(chǎn)生的。目前大學(xué)本科開設(shè)的有些物理實驗是當時科技發(fā)展的突破性成果。有的實驗對物理概念的深化、發(fā)現(xiàn)、總結(jié)規(guī)律和對規(guī)律本質(zhì)的解釋做出了歷史性的巨大貢獻。但教學(xué)中沒有作太多講解，學(xué)生認識不到當時科學(xué)家為什么要設(shè)計這樣一個實驗，科學(xué)的概念和規(guī)律是怎么產(chǎn)生的；還有一些實驗成果為后來的科技發(fā)展開辟了新的研究范圍，派生出很多研究方向，但在教學(xué)中也沒有通過這些例子介紹學(xué)科的相關(guān)性，展寬學(xué)生的思路；有的實驗成果則產(chǎn)生了一個新的科學(xué)領(lǐng)域或者一個新的產(chǎn)業(yè)，但在我們教學(xué)中沒有介紹當時的科學(xué)技術(shù)背景和經(jīng)濟背景，學(xué)生不了解當時的科

7、學(xué)家和工程師怎么聯(lián)想到它的應(yīng)用方向，以及發(fā)展過程。這些內(nèi)容是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、創(chuàng)新意識的重要環(huán)節(jié)和很好的教材。4、物理學(xué)是以實驗作為基礎(chǔ)的科學(xué)，它的概念和規(guī)律是通過實驗形成的。愛因斯坦把物理理論稱之為“理想實驗”的結(jié)果。在我們的理論教學(xué)中對概念的引進缺乏對實驗背景和該概念前的學(xué)科背景講解。這樣雖然學(xué)生理解了概念，但不理解概念是通過怎樣的思考、怎樣的實驗產(chǎn)生和進化而來。這樣的學(xué)習(xí)容易使學(xué)生把概念絕對化，形成對理論的形式化理解，這樣的學(xué)習(xí)不利于科學(xué)素質(zhì)和理論聯(lián)系實際的思考能力的培養(yǎng)。從面向21世紀科技發(fā)展和人才科學(xué)素質(zhì)需求的角度來考慮，物理實驗教學(xué)的改革，必須建立一種適合當代科技發(fā)展、有利于培養(yǎng)具

8、有深厚的基礎(chǔ)知識的創(chuàng)造性人才的教學(xué)新體系。教學(xué)內(nèi)容應(yīng)反映當代教育思想和高科技成果，教學(xué)方法和手段應(yīng)改變過去的單一模式，建立多級開放實驗室，滿足不同層次的學(xué)生獨立進行學(xué)習(xí)和研究的需求，采用CAI、Internet網(wǎng)等現(xiàn)代教學(xué)手段，改善我們的教學(xué)條件，形成多元化的教學(xué)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。二.教學(xué)模式、課程體系、教學(xué)內(nèi)容的改革與實踐1 .發(fā)展教育技術(shù)，創(chuàng)新教學(xué)模式教育資源的缺乏是長期困擾教學(xué)質(zhì)量提高的難題，也是教學(xué)改革深入發(fā)展的瓶頸。隨著時代的發(fā)展，科技進步對教育提出越來越高的要求，對人才的創(chuàng)新思維和實踐能力的培養(yǎng)是一種趨向個性化的教學(xué)，需要比普通公共教學(xué)占用更多的教學(xué)資源，對公共教育來講也

9、要進一步提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效益，這些矛盾只能通過發(fā)展教育技術(shù)、創(chuàng)新教育手段來解決。在這些方面，我們進行了多年的探索與研究，研制和開發(fā)一批物理教學(xué)軟件。其中，我們在國際上首創(chuàng)開發(fā)出第一套仿真實驗教學(xué)軟件；實現(xiàn)教學(xué)模式的創(chuàng)新和國際領(lǐng)先水平。近兩年來我們又推出了大學(xué)物理虛擬實驗的Internet網(wǎng)遠程教學(xué)系統(tǒng)，并且發(fā)展成“新世紀網(wǎng)絡(luò)課程”在國際和國內(nèi)物理教學(xué)界都產(chǎn)生了一定影響，得到了廣泛應(yīng)用和贊揚。它的意義主要在如下三個方面：（1）開創(chuàng)了物理實驗教學(xué)的新模式，該成果利用計算機把實驗設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容（包括理論教學(xué)）、教師指導(dǎo)和學(xué)習(xí)者的思考、操作有機融合為一體，形成一部可操作的活的教科書，為物理實驗改革提

10、供了有力工具，同時克服了實驗教學(xué)長期受到課堂、課時限制的困擾，使實驗教學(xué)內(nèi)容在時間和空間上得到延伸；（2）為網(wǎng)絡(luò)教育最難實現(xiàn)的遠程實驗教學(xué)開創(chuàng)了一種新的方法和途徑；（3）開拓了CAI研究的新思路，帶動了國內(nèi)CAI發(fā)展的新趨勢，同時為它的應(yīng)用開辟了重要的方向和更寬廣的領(lǐng)域。這項新的教育技術(shù)為我校的教學(xué)改革提供了有力武器，開創(chuàng)了新的教學(xué)模式。在實際實驗中，對一些難度高、復(fù)雜的實驗，學(xué)生在34個學(xué)時內(nèi)對實驗設(shè)備原理、使用方法、實驗的設(shè)計原理難以仔細消化，對實驗中所遇到的現(xiàn)象也很難通過短時間分析建立起認識，因此復(fù)雜的實驗不能容許學(xué)生自行設(shè)計實驗參數(shù)，反復(fù)調(diào)整后，觀察實驗現(xiàn)象，分析實驗結(jié)果。針對這些問題

11、，我們采用虛擬實驗、遠程教學(xué)（在校園網(wǎng)上完成虛擬實驗）與實際實驗相結(jié)合的二段、三段式等的教學(xué)模式，使學(xué)生在課堂外可充分消化實驗內(nèi)容，在課堂內(nèi)獨立完成實際實驗，有充分的思考與分析的時間，使學(xué)生真正受益.在教學(xué)實踐中，取得很好的教學(xué)效果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性，大幅度提高了實驗教學(xué)的質(zhì)量和水平。2 .以素質(zhì)教育為目標，建立物理實驗課程新體系新實驗課程的組成部分為：基本實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗、科學(xué)小實驗等，形成從低到高、從基礎(chǔ)到前沿、從接授知識到培養(yǎng)綜合能力，逐級提高的一、二、三級基礎(chǔ)物理實驗課程新體系。每一級物理實驗大致用一個學(xué)期的時間完成，不同的級標志著不同實驗技能和科學(xué)思維水平。

12、使學(xué)生從較高起點上進入大學(xué)物理實驗，一個臺階、一個臺階地走向科學(xué)的高峰。其中：一級物理實驗，主要為基本物理量的測量、基本實驗儀器的使用、基本實驗技能的訓(xùn)練和基本測量方法與誤差分析等，涉及到力、熱、電、光、近代和物理各個學(xué)科，為普及性實驗.二級物理實驗，為綜合性和設(shè)計性實驗，由以前教師排好實驗、準備好儀器、學(xué)生來做實驗的狀態(tài)，過渡到學(xué)生在教師指導(dǎo)下，自己設(shè)計方案來完成實驗，從而培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維和創(chuàng)造能力。學(xué)生通過做設(shè)計實驗，從成功與失敗中受到訓(xùn)練，得到素質(zhì)的提高。三級物理實驗，為以現(xiàn)代物理實驗技術(shù)為主的綜合，設(shè)計實驗，學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)代物理實驗技術(shù)的思想，方法，技術(shù)和應(yīng)用.四級物理實驗為研究型實驗，

13、組織若干個圍繞基礎(chǔ)物理實驗的課題，以科研方式進行實驗，培養(yǎng)學(xué)生的研究、開發(fā)應(yīng)用能力。在課程安排上一級物理面向全校各學(xué)科專業(yè)學(xué)生開課，二、三級物理實驗對理工類專業(yè)開課，第四級物理實驗為物理類各專業(yè)學(xué)生必修課，理科非物理類各專業(yè)學(xué)生的選修課。3 .注重物理實驗的時代性與先進性，改革實驗教學(xué)內(nèi)容物理實驗必須與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)接軌，才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與熱情，也才能使現(xiàn)代科技進步的成果滲透到傳統(tǒng)的經(jīng)典課程內(nèi)容之中，例如將計算機技術(shù)、光纖技術(shù)、光聲譜技術(shù)、磁共振技術(shù)、核物理技術(shù)、軟X射線顯微技術(shù)、光譜技術(shù)、真空技術(shù)、傳感器技術(shù)等現(xiàn)代科研成果用于學(xué)生物理實驗之中。在對我校量大面廣的工、商、文科學(xué)生在一、二

14、年級所開設(shè)的物理實驗中，已涉及光譜技術(shù)、真空技術(shù)、磁共振技術(shù)、核物理技術(shù)、X光衍射的技術(shù)、光纖技術(shù)、傳感器技術(shù)、光學(xué)信息處理技術(shù)等。4 .營造創(chuàng)新人才培養(yǎng)的多元化教學(xué)環(huán)境目前我校開設(shè)的實驗類型有公共必修實驗、選修實驗、仿真實驗、遠程網(wǎng)絡(luò)實驗、開放實驗等。（1）利用現(xiàn)代教育技術(shù)開設(shè)“大學(xué)物理實驗遠程教學(xué)”通過開設(shè)遠程網(wǎng)上物理實驗教學(xué)以來，學(xué)生利用校園網(wǎng)或Internet網(wǎng)對實驗教學(xué)內(nèi)容進行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，使實驗教學(xué)與課堂理論教學(xué)一樣，使教學(xué)內(nèi)容在時間和空間上得到延伸，學(xué)生能夠充分的學(xué)習(xí)和掌握實驗教學(xué)內(nèi)容。開設(shè)網(wǎng)上虛擬物理實驗選修課，學(xué)生可以根據(jù)自己的時間，在任何地點自主的進行學(xué)習(xí)，開拓學(xué)生的

15、眼界，滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和給學(xué)生提供了自學(xué)物理實驗的環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生對實驗的自學(xué)能力。（2） 開設(shè)開放服務(wù)實驗室在每一級物理實驗中，開設(shè)開放服務(wù)實驗室，它不僅時間上對學(xué)生開放，而且在內(nèi)容上也開放，是一種個性教學(xué)模式。這種教學(xué)模式能滿足學(xué)生求知、探索和創(chuàng)新的欲望，側(cè)重創(chuàng)新精神與能力培養(yǎng)。近幾年來我們開放的實驗涉及力、熱、電、光學(xué)、近代物理等領(lǐng)域80個多個實驗項目。學(xué)生在開放服實驗室中，可利用實驗室提供的設(shè)備，自己設(shè)立題目，教師的作用是指導(dǎo)和審核學(xué)生提出的實驗方案與題目；實驗中允許失敗，最后以小論文的形式在Seminar課中發(fā)表，討論和總結(jié)成功和失敗的原因，提出自己的創(chuàng)新點。（3） .滿足個

16、性化教育的需要，建立了大學(xué)物理實驗網(wǎng)上選課系統(tǒng)，打破多年來一個年級學(xué)生一張課表的作法，實現(xiàn)全方位開放的教學(xué)模式：在實驗項目和教學(xué)內(nèi)容逐漸豐富的基礎(chǔ)上，建立了大學(xué)物理實驗網(wǎng)上選課系統(tǒng)和實驗教學(xué)管理系統(tǒng)。在三級、四級物理實驗中，學(xué)生根據(jù)興趣和需要，在老師的指導(dǎo)下，在網(wǎng)上選課，打破多年來一個年級學(xué)生一張課表的作法，作到一個學(xué)生一張課表，滿足個性化教育，激發(fā)了學(xué)生的主動學(xué)習(xí)的熱情，提高了實驗教學(xué)水平。2002年和2003年已在三級物理實驗（現(xiàn)代物理實驗技術(shù)）和四級物理實驗（研究型實驗）中，面向2000多名學(xué)生開放，效果很好。5 .開設(shè)物理實驗課的同時，并行開設(shè)“物理實驗技術(shù)系列講座”，提高物理實驗課的

17、層次和水平：在開設(shè)三級，四級物理實驗的同時，對學(xué)生開設(shè)了核物理系列、光學(xué)系列、原子光譜系列磁共振系列、真空系列等領(lǐng)域的物理實驗系列講座，講述各領(lǐng)域的背景、思想、方法、現(xiàn)代技術(shù)和應(yīng)用。使學(xué)生深入理解物理實驗的思想、方法和應(yīng)用。激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情和積極性。6 .強化物理學(xué)文化素質(zhì)教育，開設(shè)“物理學(xué)史的啟迪”課程物理學(xué)史是研究人類對自然界各種物理現(xiàn)象的認識史。開設(shè)這門課的目的，就是為了強化學(xué)生物理文化教育素質(zhì)和軟件思維能力。學(xué)習(xí)前輩物理學(xué)家的科學(xué)探索方法，避免學(xué)生對理論學(xué)習(xí)的形式化理解和對物理概念的絕對化。在課程的選材上，重點突出著名物理實驗在歷史上的作用，教學(xué)方式上采用“Seminar”方式及多媒

18、體教學(xué)形式，使歷史人物和事件生動地展現(xiàn)，激勵學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情7 .考核方法的改革考核方法體現(xiàn)了教學(xué)目標，也是對學(xué)生學(xué)習(xí)方法和內(nèi)容的導(dǎo)向。隨著實驗內(nèi)容的豐富讓學(xué)生自由地選取感興趣的實驗，作為實驗考核的題目；改變傳統(tǒng)的筆試方法，新的考核方法要求學(xué)生以小論文的方式提交總結(jié)報告，并以seminar方式進行答辯?？己朔椒ǖ母母镲@著地提高了學(xué)生的主動學(xué)習(xí)熱情，寫出了一大批水平較高的考核報告，取得了良好的教學(xué)效果.例如,2003年做研究型實驗（四級物理實驗）的500名學(xué)生中，有63名學(xué)生作出了優(yōu)秀論文，在學(xué)生論文競賽中獲獎.四.項目主要研究成果：我們在“理科實驗教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的研究與實踐”項目進行中所取得的成果如下：1 .2001年“大學(xué)物理實驗教學(xué)的改革與實踐”獲得安徽省教學(xué)成果特等獎，同年又獲國家級教學(xué)成果一等獎。2 .“大學(xué)物理實驗”被評為國家理科基地創(chuàng)優(yōu)秀名牌課程。3 .我們開發(fā)了“大學(xué)物理虛擬實驗