基于创新能力培养的物理实验教学改革

基于创新能力培养的物理实验教学改革

0大学理念下的创客教育思想“学习和研究”是指引导学生“在中学、在学习和研究中发展”。这是符合理解发展规律的人才培养理念。这种理念突破了传统教育中重知识轻能力、重结果轻过程、重经验传授轻亲身体验的限制,着力改善了人才培养中缺乏实践的环节,或者说很多的实践环节流于形式,从而导致学生知行分离并缺乏创新精神的状况。由于学生在接受高等教育之前,已经接受了多年的应试教育,到了大学阶段我们该如何倡导科学教育改革,进行科学探究式教学,该如何通过唤醒学生的创新意识、激发其创新思维、涵养其创新品格、正确引导与培养学生的创新技能,已成为亟待解决的课题。对于传统教育的弊端,无论是中国清初的教育家颜元还是现代西方教育史上的代表人物杜威都有着清醒的认识,他们分别提出了“主动习行”和“从做中学”的教育思想。受此影响,上个世纪20年代,东南大学郭秉文校长就十分推崇实验教学,他提出“欲养成思想的能力,必注重兴疑与试验,欲养成应用能力,必注重理想、理论与实际的联络[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。”在此理念的指导下,东南大学素有重视实验教学的传统。上世纪90年代以来,学校先后承担了多项教育部重大实验与实践改革课题的研究与实践,并围绕“理论教学、实践教学、自主研学、网络助学”四位一体的教学模式,建成了适应高素质创新人才培养的集成优化、开放灵活的现代化软硬实践平台,构建了立体开放的创新实验教学体系。在全校重视实验教学改革与建设的整体氛围的带动下,物理实验中心作为国家级实验教学示范中心也在为创新人才的培养不断思考,不断改革,不断建设,尤其是如何在基础物理实验教学过程中引导学生“做学研”做了一些思考及探索。1基础物理实验教学的目标目前,我国高等教育的教学模式正从课堂中心、教师中心、教材中心的传统模式向学生自主性、研究型、个性化新型模式转变,因此实验教学的内涵及目标也在不断演进,并成为现代大学教育一道常做常新的课题。在传统理解中,大学实验教学最基本的目标在于培养学生严谨的科学态度、灵巧的实践动手能力,同时帮助学生理解、掌握和运用理论知识,使学生掌握综合调研、分析测试、方案设计、编写报告等基本科学素养。在新的形势下,大学实验教学需要在原有的人才培养目标的基础上,给实验教学理念、实验教学目标以新的内涵。基础物理实验教学作为大学实验教学的起点,是新生进入大学后最早接触的实验实践环节之一,如何引导学生抛开中学阶段重理论轻实践的影响,如何引导学生尽早进入实验室,适应大学学习模式,是基础物理实验教学所要完成的任务及目标。为此,物理实验中心为基础物理实验教学赋予了新的实验教学目标及内涵:引导学生在“做中学,在学中研,在研中创”。(1)从应试教育的学习模式向大学的自主学习模式转变为学生提供及早进入开放的实验环境进行学习的条件,引导广大新生尽早从应试教育的学习模式向大学的自主学习模式转变,尽早适应大学开放自主研究性学习模式。并通过全景式、索引式和先导式的铺垫,激发学生的好奇心和求知欲,使学生获得广阔的发展空间。(2)算法有以下几种物理实验课程根据学生的知识结构特点,点面结合、深入浅出,在内容结构上始终注重体现科学性、系统性、开放性、创新性。在学习过程中,通过分层次的教学安排及以人为本的教学方法,引导学生学会自主学习、学会在做中学,在学中研,在研中创,这里的“创”主要包括唤醒学生的创新意识、激发学生的创新思维、涵养学生的创新品格、培养学生的创新技能。2内容选择上的协调为适应新的目标内涵,物理实验中心遵循东南大学实验教学改革的基本思路,依据“基础性、层次性、自主性、开放性”的基本原则,在实验内容选择上注重7个协调:即实践与理论的协调、基础与前沿的协调、经典与现代的协调、单项分解与综合设计的协调、个体发挥与团队合作的协调、科学原理与工程应用的协调、循序渐进习得与研究探索创新的协调,结合物理学科特点,以及现有建设基础,扬长避短,从构建分层次模块化的实验教学模块、打造适应开放创新适应教学的教学队伍、建设智能高效的网络助学与管理平台等方面,全面推行实验教学改革与创新。(1)创建课程体系和教学内容,体现了分层次物理实验课程新体系的建立突破了以力、热、电、光、近代物理知识为顺序、各自独立的传统实验课程体系结构框架,将学生能力培养、素质训练纳入实验课程建设要求,按全面体现自主开放创建了由预备实验、基础实验、课题实验和近代专题(现代工程应用)实验、研究性物理演示实验和科研创新训练六大模块构成的分层次物理实验课程新体系,见图1。(2)教学内容强调自主开放,坚持“人教整体实验教学内容安排,从自主开放引导→基础综合训练→项目专题研究→自主研学创新,拾级而上,循序渐进,贯穿育人全程。各课程模块均按照自主开放要求,适应不同层次学生需求,对不同实验项目设置了基本训练、综合设计和研究探索等类型;同一个实验项目给出了选做内容、必做内容与小课题;在实验活动中学生可自选实验内容,全面贯彻以学生为本、因材施教的教学教学理念。(3)构建“四重帮教”模式,突破教研不足难题物理实验中心充分发挥高水平教师的引领作用,一方面着力培养具有综合创新能力年轻骨干教师,另一方面将一批有良好科研背景的教师充实到实验教学工作一线,首创了青年教师专职、研究生专职、研究生兼职与计算机TA相结合的“四重助教”模式,提高高水平教师与学生研讨互动的频率与水平。团队中包括高水平、相对稳定的实验教学核心骨干、实验技术人员、理论课教师、科研人员、学术带头人,以及经过培训的研究生助教,形成一支优化的专兼职结合、核心骨干相对稳定、固定人员与流动人员结合的动态平衡的实验教学队伍。(4)实验室教学工作中心指导的实施方案中心充分利用已有软硬件资源,创设了师生“多重交互”教学模式见图2,包括学生与计算机助教(TA)之间的交流互动,教师现场对学生的个性化指导,教授在控制中心对在实验室教学岗位上的助教们进行指导和教学监督,以及通过互联网实现远程专家实时答疑和指导。该模式实现了真正意义上的开放自主、立体化多层次的实验教学,突出了学生的主体地位,学生在实验室里进行学习的资源和空间得到拓宽,同时实现了新型教学关系,加强了教师对学生的个性化的教学指导,促使教师有更多的时间和精力放在实验教学的改革和研究型、创新型教学实践上。3结合内部和外部相结合，全面指导学生“在中学、在学习中学习、在创新中学习”整合优化的分层次模块化物理实验课程体系强调了对学生自主学习、研究性学习能力的培养,为学生提供了“做中学、学中研”的平台。3.1基础实验和课题实验相结合基础实验、课题实验和近代专题(现代工程应用)实验属于课内实验模式,融综合性、设计性、开放性、创新性为一体。实验内容涵盖物理力、热、点、光、近代基础知识,包含适量的综合设计性和工程应用性内容,按基本内容、选做内容、小课题分层次编排。基础实验通过必做项目和若干开放选做项目,着重对学生进行基本理论、基本方法、基本技能的培养和良好的科学实验习惯的培养;课题实验的课题由教师拟定和学生自由申请立题两方面组成,侧重激发学生自主研学创新实践;现代专题实验选题方向侧重物理学史上已获诺贝尔奖的具有里程碑意义,同时对现代工程应用学科具有理论与技术基础支撑作用的实验项目,侧重培养学生科学研究的基本素质。3.2改变学习模式,转变学科观预备实验和研究性演示实验属于课外实验模式,预备实验向一年级新生课外全面开放,补课、体验、自主、开放为一体,引导学生课外自主学习,实现学习模式从中学到大学的转变;演示实验作为大学物理理论课与实验课优化整合的衔接口,包含几十个定性半定量的(许多项目反映现代科技应用技术)物理实验项目,为低年级学生拓展了课外自主研学的空间,并赋予了学生探究性学习过程中的深层次教学功能。3.3组织物理实验研究论文竞赛,提高学生的研究能力每学期配合物理实验必修课程的教学,组织一、二年级的学生撰写研究论文,通过将课程实验研究论文成绩纳入物理课程成绩等方式,将课内实验延伸至课外。每学期收到低年级学生的课程论文均在300余篇(约占学生总数10%)以上,实验中心组织专家几轮遴选后,对较好的课程论文在课程总成绩评定时给予加分。同时,对优秀作品实行导师负责制,组织导师对学生进行适时跟踪指导,进一步指导学生以实验为载体进行研究性学习,帮助提升学生的科技论文撰写能力。在此基础上,面向全校本科生组织物理实验研究论文竞赛,在竞赛活动中获奖的同学将取得相应的课外研学学分,并推荐其中优异的论文参加省级以上竞赛,或推荐参加全国会议进行交流,或经过进一步指导向正式期刊投稿。该竞赛作为一项课外科技活动,积极推动了学生(尤其是低年级学生)主动参与研究性学习,每学期约有600名学生参加。竞赛的每个阶段和环节都注重培养和锻炼学生学习、研究、实践、撰文、表达等多方面的能力,有效促进了广大学生在学习过程中自主探索,刻苦钻研,勇于创新,提高了学生的科学研究能力,培养了学生的创新精神。创建了开放的本科生创新工作室,同时依托物理系专业教学实验室及科研实验室,为优秀学生营造以人为本的理想环境,积极引导学生参加部省级、校级、院(系)级三个层次的科研训练计划,鼓励学生通过参加教师科研项目、参加学科竞赛活动或自己设计课题等课外自主研学途径,以本研结合、跨年级跨学科组队的形式,使课内实验与课外自主研学充分结合,通过学生自主研究与探索,促进物理实验教学课内课外一体化和物理实验中心开放教学工作的进一步深化。4“做、学、研”相结合的自主创新实践教学模式有利于激发学生自主学习的积极性基础物理实验教学活动通过合理安排与精心设计,不仅可以使学生掌握基本的实践能力,还能实现更深层次的教学功能与目标。引导学生自主学习、做中学习、研究探索、设计创新等,逐步将传统教育中的“从听中学、在坐中学”引向“在做中学、在学中研、在研中创”,有效促进低年级学生的学习向自主式、个性化、研究型转变。通过全面开放的教学环境,引导学生学习模式的转变,激发学生自主学习的积极性,这其中“多重交互”实验教学模式是不可或缺的条件,它使得学生们能够便捷地进入实验室开展“做、