大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的背景與思考

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的背景與思考本世紀(jì)以數(shù)字化為核心的信息技術(shù)的高度發(fā)展，預(yù)示人類社會(huì)在21世紀(jì)又將經(jīng)歷一次重大變革。如果說(shuō)前世紀(jì)的工業(yè)革命使人類從依靠體力的勞動(dòng)中擺脫出來(lái)，那么今天的信息革命將使人類社會(huì)從繁雜的形式化腦力勞動(dòng)中解放出來(lái)，大規(guī)模memory的記憶容量，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，Internet網(wǎng)的交互管理能力，智能數(shù)據(jù)庫(kù)、CAD等各種應(yīng)用軟件的功能，以及它們的準(zhǔn)確性都是人腦所不能比擬的，21世紀(jì)人類對(duì)待這類腦力勞動(dòng)如同操縱機(jī)器完成體力勞動(dòng)一樣簡(jiǎn)單。也就是說(shuō)將來(lái)的腦力勞動(dòng)性質(zhì)將發(fā)生深刻的變化，站在這個(gè)角度來(lái)思考對(duì)未來(lái)科技人才培養(yǎng)的目標(biāo)，它應(yīng)該是具有對(duì)所學(xué)知識(shí)的凌駕程度，具有對(duì)知識(shí)的探索，應(yīng)用開發(fā)能力的新型腦力勞動(dòng)者。但是，我們的理工科教學(xué)長(zhǎng)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(guò)重的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)也制約了學(xué)生的創(chuàng)新能力及科學(xué)素質(zhì)的養(yǎng)成。物理學(xué)在人的科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)中具有重要的地位，物理實(shí)驗(yàn)課程曾經(jīng)為培養(yǎng)20世紀(jì)的優(yōu)秀人才作出了卓越的貢獻(xiàn)，實(shí)驗(yàn)為物理學(xué)的基礎(chǔ)，它反映了理工科實(shí)驗(yàn)的共性和普遍性問(wèn)題。當(dāng)我們從21世紀(jì)培養(yǎng)合格科技人才的角度看，當(dāng)前物理課程體系與教學(xué)內(nèi)容與新世紀(jì)的新觀念、新的思維方法及交叉學(xué)科的發(fā)展不甚適應(yīng)。本世紀(jì)中葉以來(lái)，以計(jì)算機(jī)信息科學(xué)技術(shù)、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(shì)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(shí)驗(yàn)作為大學(xué)生在進(jìn)校后的第一門科學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，不僅應(yīng)讓學(xué)生受到嚴(yán)格的、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)、方法和技巧，更主要的是要培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?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(shí)際、分析和解決實(shí)際問(wèn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該面對(duì)時(shí)代的發(fā)展，科技進(jìn)步的新趨勢(shì)和新挑戰(zhàn)，不斷有所創(chuàng)新。只有這樣，才能適應(yīng)社會(huì)對(duì)人才知識(shí)和科學(xué)素質(zhì)越來(lái)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：長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)大學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)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(dāng)今飛速發(fā)展的前沿科學(xué)新理論，新技術(shù)嚴(yán)重脫節(jié)，陳舊落后的實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)遠(yuǎn)落后于科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的步伐。就大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)而言，原有的大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)被分割為普通物理與近代物理兩門獨(dú)立課程，其中普通物理又被分為力、熱、電、光等各自獨(dú)立部分?；A(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)實(shí)際上只是處于課堂教學(xué)的從屬地位，其內(nèi)容往往只是教科書上已有的基本物理規(guī)律、定律的簡(jiǎn)單重復(fù)。二十世紀(jì)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(shí)驗(yàn)中得到反映。因此，學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課越來(lái)越感到枯燥無(wú)味，相當(dāng)嚴(yán)重地阻礙了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性、創(chuàng)造性以及現(xiàn)代科學(xué)思維方法的形成。對(duì)本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)課時(shí)是3—4個(gè)學(xué)時(shí)，在這樣一個(gè)很短時(shí)間內(nèi)要學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)原理、儀器原理、熟悉儀器的操作使用并完成實(shí)驗(yàn)是不太可能的，沒(méi)有辦法只好在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中教師對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、儀器操作方法等盡量交待清楚一點(diǎn)，讓學(xué)生自己思考的太少，很多學(xué)生是盲目操作，走了過(guò)場(chǎng)，這實(shí)際上是一種呆板的模仿型教學(xué)。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新都是在實(shí)驗(yàn)室里產(chǎn)生的。目前大學(xué)本科開設(shè)的有些物理實(shí)驗(yàn)是當(dāng)時(shí)科技發(fā)展的突破性成果。有的實(shí)驗(yàn)對(duì)物理概念的深化、發(fā)現(xiàn)、總結(jié)規(guī)律和對(duì)規(guī)律本質(zhì)的解釋做出了歷史性的巨大貢獻(xiàn)。但教學(xué)中沒(méi)有作太多講解，學(xué)生認(rèn)識(shí)不到當(dāng)時(shí)科學(xué)家為什么要設(shè)計(jì)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，科學(xué)的概念和規(guī)律是怎么產(chǎn)生的；還有一些實(shí)驗(yàn)成果為后來(lái)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(méi)有通過(guò)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(shí)驗(yàn)成果則產(chǎn)生了一個(gè)新的科學(xué)領(lǐng)域或者一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)，但在我們教學(xué)中沒(méi)有介紹當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)背景和經(jīng)濟(jì)背景，學(xué)生不了解當(dāng)時(shí)的科學(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(guò)程。這些內(nèi)容是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、創(chuàng)新意識(shí)的重要環(huán)節(jié)和很好的教材。物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)的科學(xué)，它的概念和規(guī)律是通過(guò)實(shí)驗(yàn)形成的。愛因斯坦把物理理論稱之為“理想實(shí)驗(yàn)”的結(jié)果。在我們的理論教學(xué)中對(duì)概念的引進(jìn)缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)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(guò)怎樣的思考、怎樣的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生和進(jìn)化而來(lái)。這樣的學(xué)習(xí)容易使學(xué)生把概念絕對(duì)化，形成對(duì)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(shí)際的思考能力的培養(yǎng)。從面向21世紀(jì)科技發(fā)展和人才科學(xué)素質(zhì)需求的角度來(lái)考慮，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，必須建立一種適合當(dāng)代科技發(fā)展、有利于培養(yǎng)具有深厚的基礎(chǔ)知識(shí)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(dāng)代教育思想和高科技成果，教學(xué)方法和手段應(yīng)改變過(guò)去的單一模式，建立多級(jí)開放實(shí)驗(yàn)室，滿足不同層次的學(xué)生獨(dú)立進(jìn)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(dòng)性。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的基本內(nèi)容與實(shí)踐發(fā)展教育技術(shù)，創(chuàng)新教學(xué)模式教育資源的缺乏是長(zhǎng)期困擾教學(xué)質(zhì)量提高的難題，也是教學(xué)改革發(fā)展的瓶頸。隨著時(shí)代的發(fā)展，科技進(jìn)步對(duì)教育提出越來(lái)越高的要求，對(duì)人才的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的培養(yǎng)是一種趨向個(gè)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(duì)公共教育來(lái)講也要進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效益，這些矛盾只能通過(guò)發(fā)展教育技術(shù)、創(chuàng)新教育手段來(lái)解決。在這些方面，我們進(jìn)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，96年我們?cè)趪?guó)際上首創(chuàng)開發(fā)出第一套仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件；98年升級(jí)為Windows版本，在規(guī)模和虛擬技術(shù)水平上得到進(jìn)一步提高和完善，實(shí)現(xiàn)國(guó)際領(lǐng)先水平。99年我們又推出了《大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)》的Internet網(wǎng)遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，在國(guó)際和國(guó)內(nèi)物理教學(xué)界都產(chǎn)生了很大的影響，得到了廣泛應(yīng)用和贊揚(yáng)。它的意義主要在如下三個(gè)方面：開創(chuàng)了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式，該成果利用計(jì)算機(jī)把實(shí)驗(yàn)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(jī)融合為一體，形成一部可操作的活的教科書，為物理實(shí)驗(yàn)改革提供了有力工具，同時(shí)克服了實(shí)驗(yàn)教學(xué)長(zhǎng)期受到課堂、課時(shí)限制的困擾，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容在時(shí)間和空間上得到延伸；作、波的特性研究、教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)等。在開放服務(wù)實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生可利用實(shí)驗(yàn)室提供的設(shè)備，自己設(shè)立題目，教師只是指導(dǎo)和審核學(xué)生提出的實(shí)驗(yàn)方案與題目，允許失敗，最后以小論文的形式在Seminar課中上臺(tái)發(fā)表，討論和總結(jié)成功和失敗的原因，自己的創(chuàng)新點(diǎn)。仿真實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室提供計(jì)算機(jī)和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和復(fù)雜性，與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相配合，進(jìn)行多種方式的教學(xué)組合，完成各種物理實(shí)驗(yàn)。主要貢獻(xiàn)和成果近幾年獲得省部級(jí)以上教學(xué)成果獎(jiǎng)獎(jiǎng)項(xiàng)5項(xiàng)97年“大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)（fordos）”獲國(guó)家級(jí)教學(xué)成果二等獎(jiǎng)。96年“大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)（fordos）”獲中國(guó)科學(xué)院教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。97年“大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)(forwindows第一部分)獲教育部全國(guó)優(yōu)秀教學(xué)成果二等獎(jiǎng)。99年“大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)（forwindows第二部分）獲安徽省優(yōu)秀CAI成果一等獎(jiǎng)。99年“物理學(xué)CAI”獲安徽省優(yōu)秀CAI成果一等獎(jiǎng)。多年來(lái)我們對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的課程體系，教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)模式，教學(xué)方法進(jìn)行改革，承擔(dān)了省部級(jí)以上教學(xué)研究項(xiàng)目十一項(xiàng)：“理科實(shí)驗(yàn)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(shí)踐”（世界銀行貸款21世紀(jì)初高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目）“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件研制開發(fā)與應(yīng)用：“大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)forWindows”；“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件研制開發(fā)與應(yīng)用：“物理學(xué)”；“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件研制開發(fā)與應(yīng)用：“物理實(shí)驗(yàn)CAI”；教育部“九五”重點(diǎn)教材和面向21世紀(jì)教材：“物理實(shí)驗(yàn)”（一，二，三，四冊(cè)）的編寫；“四級(jí)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的研究”（安徽省重點(diǎn)課題）；國(guó)家理科基地創(chuàng)名牌課程“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”；教育部教改項(xiàng)目（子課題）一：“面向21世紀(jì)高等工科教育教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革”；教育部教改項(xiàng)目（子課題）二：“面向21世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革研究計(jì)劃”；教育部遠(yuǎn)程教學(xué)試點(diǎn)課程：“大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)”；“大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)”（安徽省教學(xué)研究課題）作為我們的教學(xué)成果近幾年研制開發(fā)的教學(xué)軟件和教材有17部，由高等教育出版社出版教材一部（共計(jì)四冊(cè)），物理教學(xué)軟件五部：“大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)forwindows”（第一部分）“大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)forwindows”（第二部分）“大學(xué)物理”“基礎(chǔ)物理學(xué)CAI”“大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)forDOS”“大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)”面向二十一世紀(jì)教育部“九五”重點(diǎn)教材：“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”（一，二，三，四冊(cè)）《幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)平臺(tái)》（三維、用VR眼鏡）《天體物理學(xué)》《廣播電視大學(xué)大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)》《物理學(xué)史的啟迪》《天文概論》網(wǎng)絡(luò)課程《數(shù)理方法》網(wǎng)絡(luò)課程《微電子學(xué)》網(wǎng)絡(luò)課程《物理化學(xué)》網(wǎng)絡(luò)課程《材料科學(xué)》網(wǎng)絡(luò)課程《現(xiàn)代光學(xué)》網(wǎng)絡(luò)課程其中“大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)forwindows”（第一部分）；“大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)forwindows”（第二部分）；“大學(xué)物理”；“基礎(chǔ)物理學(xué)CAI”；“大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)forDOS”；及教材“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”（一，二，三，四冊(cè)）共計(jì)六部，已由高等教育出版社出版。在國(guó)內(nèi)核心雜志和重要國(guó)際會(huì)議上，發(fā)表物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革相關(guān)論文26篇（見附錄）推廣應(yīng)用情況：從九五年我們開始啟動(dòng)了新的實(shí)驗(yàn)課程體系，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法改革后，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與熱情，取得了很好的教學(xué)效果。98年被評(píng)為教育部首批創(chuàng)名牌課程，與新體系配套的物理實(shí)驗(yàn)教材作為國(guó)家“九五重點(diǎn)教材和教育部面向21世紀(jì)教材將于2000年由高等教育出版社出版。在學(xué)?！熬盼濉苯?jīng)費(fèi)支持下，我校九六年創(chuàng)建了國(guó)內(nèi)第一個(gè)物理仿真虛擬實(shí)驗(yàn)室。近五年來(lái)我校有8千多學(xué)生受益，使物理實(shí)驗(yàn)跨入了一個(gè)新水平。到目前包括香港地區(qū)的香港大學(xué)，香港中文大學(xué)，香港城市大學(xué)等以及內(nèi)地150多所大學(xué)應(yīng)用了“大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)forWindows”，相繼建立了物理仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室。99年我們又推出了《大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)》，香港大學(xué)、香港中文大學(xué)、北京郵電大學(xué)、北京航天大學(xué)等近十所大學(xué)在internet網(wǎng)上開設(shè)了遠(yuǎn)程物理實(shí)驗(yàn)課，并被列為教育部遠(yuǎn)程教學(xué)試點(diǎn)課程。99年受日本應(yīng)用物理學(xué)會(huì)邀請(qǐng)赴日本學(xué)會(huì)大會(huì)展示并已出資決定翻譯成日文版本。近幾年來(lái)有先后有數(shù)十所大學(xué)組團(tuán)專程來(lái)我校學(xué)習(xí)和交流。我校在兄弟院校的支持下