成 果 总 结

 
 
 
 
 
 
 
 

学生在实验室做实验

构建培养学生创新能力的物理实验教学体系

    物理实验课程是对高等学校学生进行系统科学实验技术和实验方法训练,培养学生科学实验能力和素养的重要的实践性课程。上海交通大学物理实验中心以培养与提高学生的科学实验素质和创新能力为目标,通过国家工科基础课程物理教学基地项目,以及“ 211 工程”、 “985 工程 ” 和世界银行贷款“高等教育发展项目”的建设,对物理实验教学的课程体系、教学方式、教学内容、实验方法和技术手段,以及教学管理等方面进行了全面而系统的改革与建设,使面向全校各专业学生的物理实验教学发生了彻底的变革,形成了自己的特色,受到了国内同行的好评。 2003 年大学物理与物理实验课程成为上海市级精品课程。在教育部组织的国家工科基础课程物理教学基地验收评估中,专家认为上海交通大学“出色地构建了具有先进理念、现代实验内容和先进实验技术、分层次、模块化的物理实验教学体系。自主研制开发和更新改造了一批物理实验教学设备;综合性、设计性实验比例高。实验室实行开放式管理,学生自选,点面结合,建立了学生自主学习的实验教学新模式,切实使学生在实验中动手与动脑结合,教学效果好。”

•  构建分层次、模块化、点面结合、全面开放的物理实验课程体系

    我们以“加强基础、重视应用、开拓思维、培养能力、提高素质”为指导思想,以培养与逐步提高学生的科学实验素质和创新能力为目标,为满足不同层次人才培养的需要,构建了面向全校各专业从大学本科一年级学生至硕博研究生的分层次、模块化、点面结合、全面开放的物理实验 课程 体系。 完整的课程体系包括五个层次模块:

•  基础训练物理实验, 5 个实验项目, 18 学时,面向全校新生选修;

•  基本物理实验, 14 个实验项目, 27 学时,面向全校理工科和社科学生必修;

•  综合性设计性物理实验, 83 个实验项目,包括 22 个面上综合性设计性实验,物理实验自学基地中的 61 个自学设计性实验, 27 学时,面向全校理工科学生必修;

•  应用物理实验技术与方法, 36 学时, 面向全 校理工科学生选修;

•  高新技术物理基础专题实验,共 9 个专题,面向全校研究生选修。

    第一层次的基础训练实验,其目的是使学生能够掌握物理实验通用仪器的操作和使用,提高后续课程的起点。实验中心特别为这门课配备了新的通用仪器,这门课很受学生欢迎,每年选修人数超过 1000 名。 基本物理实验和综合性设计性物理实验两个模块构成了 54 学时的 “大学物理实验”课程,是物理实验系列课程的主体,其中综合性设计性实验占了 50% 的高比例。这两部分实验课 每学期面向的学生数都超过 3000 人,每年完成教学人时数约 20 万。 基本物理实验为 27 学时,包含 14 个实验项目,要求学生选做其中的 8 个。学生必须学会基本的操作技能、实验方法和数据处理等。综合性设计性实验为 27 学时,由面上 22 个实验项目和自学活动基地的 61 个实验项目组成。

    应用物理实验技术与方法课程作为对物理实验有浓厚兴趣、学有余力的优秀本科生选修课程,这有利于因材施教,有利于学生能力和创新精神的培养。考虑到 当前科学的发展具有学科之间的相互交叉渗透的特点,这要求我们培养的高级人才应具有更宽广的知识,能适应开拓性的研究工作。实验中心面向全校理工科各专业的硕士、博士研究生开设了 高新技术物理基础专题实验 。本课程共设置 9 个专题,介绍了近代物理领域中的一些重要的实验、它们的思想方法、研究手段和一些新的应用技术和重要的实验技术 。

    为在实验教学过程中激发学生的学习积极性和热情,引导学生由被动学习走向主动学习,启发学生思维和创造力,锻炼分析问题和解决问题的能力,在建立课程体系时,我们 改变教育观念和教学方法,变验证性实验为研究性实验,变单一实验为综合性实验, 增加了综合性设计性实验项目的比例和难度,并将实验设计和研究的教学思想贯穿于整个物理实验系列课程中。

    新的课程体系使得物理实验由浅入深、由简单到复杂、由被动模仿到主动设计以及综合运用,逐渐加深学习内容的深度、广度和综合程度,符合认识规律和教学规律,取得了良好的教学效果。

    物理实验课程实行全面开放式教学,为此我们开发了基于校园网的物理实验教学网络选课与管理系统。通过该系统,学生不受时间和空间的限制,根据自己的学习计划和安排,在网上选择和预约物理实验项目,实现了学生自选实验项目和实验时间的全面开放式的教学模式。开放式教学为学生自主学习提供了方便条件,是以学生为主体的教学思想的充分体现,受到学生的普遍欢迎。

    为适应开放式实验教学的需要,我们建设了内容丰富实用性强的物理实验中心教学网站( http://pec.sjtu.edu.cn )。网站设立了中心介绍、实验预习、实验仪器、网上选课、网上教务和实验互动等栏目。例如学生可以通过“ 网上预习”栏目,查看实验的相关背景资料,可以帮助学生对物理概念的理解,激发学生的学习兴趣和积极性。同时部分实验还提供了实验仪器的图片和视频资料,帮助学生对实验仪器的熟悉,提供课前的操作指导,使学生在实验前就对实验有一定的认识。实验预习采用新一代的 E-learning 模式,将为学生在网上学习提供更多的学习资源。 物理实验中心教学网站在物理实验课程教学、日常教学管理和教务管理中发挥了重要作用,网站日均访问量达 500 人次,高峰时网站访问量达到 3300 人次,校内访问量排名第 10 。物理实验中心教学网站在国内产生了较大的影响,在 Google 等搜索引擎上查找“物理实验中心”网站,排在第一位的就是上海交通大学物理实验中心网站。

    为加强学生在教学活动中的主体地位,调动学生的学习积极性和主动性,加强学生自学能力、实验动手能力、创新能力以及合作精神的培养,我们建设了物理实验自学基地。自学基地作为面上物理实验教学的延伸和扩展,为学生在物理实验方面创造了研究提高、深入探索钻研的条件。自学基地引进国外先进实验仪器以及组合实验等先进理念,可以更好地引导学生发展创新意识和发挥主观能动性。

    目前该基地有 61 个实验项目,其中包括 21 个由美国引进的 Pasco 实验项目和由德国引进的 14 个 Leybold 实验项目。在自学活动基地里,学生 自选项目,自定时间,自拟方案,独立完成 ,教师则给予必要的指导,这一新的教学形式受到同学的热烈欢迎。有的学生在实验小结中写道,自学基地的形式十分新颖,打破了传统实验教学的束缚,做每个实验都要经过仔细的思考,并从失败中进行分析对比,收获很大,感受很深。有一位同学说,自学基地培养了我的自学能力,遇到问题基本上自己解决,虽然实验过程中遇到了问题,但我做了最大努力地尝试,完成实验后很有成就感。

•  面向二十一世纪人才培养需要,建设具有先进实验内容和实验技术的物理实验课程

    物理实验课程内容的彻底改革是物理实验教学改革与建设的关键和难点。建设实验内容、实验方法和技术手段先进,反映当今科技进步和有特色的物理实验课程,对培养二十一世纪创新人才有着重要的作用。我们在这方面主要进行以下三方面的工作:

    ( 1 )在综合性设计性实验中,大量引入对近代物理学发展和现代应用技术有重要影响的实验项目,包括:扫描隧道显微镜、高温超导材料特性测量、真空获得与真空镀膜、稳态核磁共振、用β粒子验证狭义相对论效应、全息干涉应用技术、物体色度值的测量、光学多道分析器、非线性电路的混沌现象、夫兰克-赫兹实验等。这些实验在综合性设计性实验项目中已超过 50% ,使物理实验的内容发生了根本的变化。例如,在面上开设扫描隧道显微镜实验,可使众多学生直接观测材料在纳米尺寸范围的微观形貌;通过稳态核磁共振实验,学生可以了解先进的核磁共振技术的基本原理。

    ( 2 )在实验中大量引入在科学研究和工程技术中实际应用的先进的实验方法和技术手段,使现代科技进步的成果渗透到物理实验课程内容中去,使物理实验教学更贴近科技研究前沿。我们在教学中大量采用了数字存储显示技术、计算机数据实时采集处理技术和各种先进的传感器技术,如将 CCD 图像传感器应用于牛顿环、双棱镜干涉、迈克尔逊干涉仪和干涉显微镜等实验,在教学中应用了集成温度传感器、薄膜型 Pt 电阻、 PN 结温度传感器和半导体热敏电阻等温度传感器,霍尔传感器和集成霍尔传感器等磁敏传感器,硅光电池、光敏电阻和光电二极管等光电传感器,以及力敏传感器等。引入先进的实验方法和技术手段对丰富实验内容,深入探究物理现象和规律,提高学生科学实验素养和创新能力起到了很好的作用。另外,实验中新技术的应用,也大大提高了学生对物理实验的兴趣,并对后继专业实验课的学习也很有帮助。

    ( 3 )积极研制和开发新的物理实验项目。近年来我们研制和更新改造的物理实验共 25 项,这些实验已 占到面上教学实验项目的 60% ,其中大部分实验设备是在教师多年科研和教学的基础上精炼出来的,例如“扫描隧道显微镜( STM )”、“太阳电池伏 - 安特性的测量”、“氧化物巨磁电阻材料低温巨磁电阻效应”、“光敏电阻基本特性的测量”、“光波导薄膜厚度和折射率的测量”、“反射型聚合物电光调制无线电通讯实验”等实验 教学仪器 。 我们自制的部分实验教学仪器在全国物理实验教学仪器评比中获奖 6 项。我们自制与改造的实验仪器全部采用组合方式,组合式实验仪器要求学生做实验时将各部分仪器搭建成完整的实验系统,并且容易改变实验条件和装置设计,这将十分有利于学生动手能力和综合能力的提高以及创新能力的培养,这些实验项目形成了上海交大物理实验中心的 自己特色 。自行研制的实验仪器和从国内外引进的先进实验教学仪器,彻底改善了物理实验的基本技术装备,同时通过实验项目的开发研制和更新改造,也大大提高了物理实验中心教师与实验技术人员实验教学仪器的研究开发水平和创新能力,增强了物理实验中心自身可持续发展的能力。

3 . 加强师资队伍建设和物理实验教学管理

    建设高水平的物理实验课程,最重要的是要解决人才的问题。几年来我们采取培养与引进相结合、专业与基础相结合、教学与科研相结合的方针,在学校人才培养“辉煌计划”的激励机制推动下,师资队伍开始向整体优化的方向变化。现在实验中心在职教师中, 30-45 岁的中青年骨干教师占 50% ,有博士学位教师比例为 42% ,教授比例为 17% 。

    近年来,物理实验中心补充了几位具有博士学位的青年教师,在物理实验课程的改革与建设中,充分发挥他们的作用,同时也积极为他们开展科研工作创造条件,结合我系学科发展的需要,先后建立了软物质研究实验室和磁性材料研究实验室,使得这些青年教师在实验教学和科研两方面都取得了成果。物理实验中心的教师在开展科学研究的同时,积极将科研的最新信息和成果引入实验教学,同时也与我系优势学科的专业教师相结合,将科研中积累的成果引入到物理实验教学中,提高了实验教学的水平和形成了鲜明的特色,如获得全国高校物理实验教学仪器评比一等奖的 “ 光波导参数测量实验系统 ” 就是从科研成果中转化而形成的。

    经过几年的努力,已形成一支素质优良,职称、学历、年龄结构合理,教学与科研相结合的师资队伍,有效地保证了课程建设和教学改革的深入。

    在教学质量管理方面,针对近年来大批研究生助教参加物理实验教学的情况以及要求专业教师承担基础实验教学的机制,我们建立了一套有效的教学管理模式,其中一项重要内容是设立 实验主讲教师 教学质量责任教师 岗位,从多方面保证教学效果。 实验主讲教师 负责若干个具体实验项目的教学质量,对该实验制定出详细的具体教学要求,对承担该实验的新教师和研究生助教进行课前培训、组织试讲、检查教案; 教学质量责任教师 负责教学某一具体时间段内全部实验的总体教学质量,负责听课,解决突发事件,保证该时间段内的教学质量。

    在教学管理方面,为适应开放式实验教学的需要,通过物理实验中学教学网站 ( http://pec.sjtu.edu.cn ) , 物理实验课程教学过程中对学生的日常教学管理和教务管理全部使用我们研制开发的管理系统,这些计算机辅助管理系统在物理实验教学过程中发挥着重要作用。

    近两年,实验中心已接收了四所兄弟院校派来的进修教师。从 2001 年 12 月以来,实验中心已陆续接待了前来参观的近 100 所兄弟院校的 300 多位教师。新的物理实验教学体系的创立,使上海交通大学物理实验中心在全国的物理实验教学中起到了示范中心的作用。不久前著名美籍华裔诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授专程来到物理实验中心进行实地考察,与实验中心的教师和技术人员进行了交流,他对实验室向学生开放和实验室中的先进设施给予很高评价,丁肇中教授还充满感情地为物理实验中心题词: “I enjoy very much to be here , I felt like to be at home ! Experimental physics is an important foundation for modern physics.” 。

    物理实验教学体系的构建是一项复杂的系统工程,今后我们将继续努力,在实践中不断扩大物理实验的教学改革成果。

 

 

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