论理工科大学生科技创新能力培养

论理工科大学生科技创新能力培养

如何培养有经验的科学学生是高科学教育工作者面临的主要问题。物理课程与实验在培养学生的研究意识、创新思维、工作能力与科学素质方面具有重要而独到的作用,探索教学与科研的结合,将科学研究工作的思想、方法、技术等注入实验教学,将一些科研成果转化为具体的实验项目,这无疑是一个非常有意义的课题。在实验教学计划中,除了与理论基础结合的验证性实验外,努力发展与基础理论有关的应用实验及研究型实验,使科研成果尽快转化为本科教学内容,为本科教学服务。经过几年的努力,物理系的本科实验教学基本上形成了以创新为目的的研究型实验教学模式。一、支持大学可持续发展的研究生和科研团队,培养了学生的创新能力和团队精神传统的物理实验教学是以验证性、演示性实验为主的教学模式,侧重于对物理基本概念通过实验*本文获北京市教育委员会共建项目专项资助。加深理解,对物理规律加以验证。对探究性、设计性实验相对缺乏,前沿性的和实践中有待解决的问题少有涉及。这种教学模式缺乏培养学生创新的因素以及基础物理知识的应用培养环节。在有些情况下,学生将此看成为一种负担,对实验毫无兴趣。对此我们本着将理论教学与实验教学相结合、实验内容与工程背景和科研项目相结合的教学思想,将自行开发的高温磁场真空退火炉与磁敏传感器综合实验仪等研究型实验引入到物理专业教学中。由于本系列实验可探求的实验内容非常多,完全可以摆脱照着讲义按部就班的教学模式,充分启发同学们的想象空间,在充分预习和指导教师辅导的基础上,拟定感兴趣的自主研究实验方案,各自得到不同的实验结果。同时鼓励本科生的科技创新活动,学生从大学二年级开始,逐步加入由本科导师指导的科技创新。开放的实验环境为学生科研和科技创新活动搭建了平台。例如在磁敏传感器综合实验仪的开发和教学创新实践中,同学们利用北京科技大学的科技创新平台,在老师的指导下,学生在掌握了自动控制几个闭环控制的基础上,自行设计的实验仪器,独立研究出了角度传感器,倾斜角传感器,齿轮测速传感器,磁敏位移传感器,磁敏编码器和磁敏电流传感器等,拓展本实验教学成果的应用领域。这些成果在2007年8月获得了“全国高校第八届物理演示教学仪器评奖二等奖”。另外,利用科技创新平台系列实验设备的研制成功,为毕业设计提供了先进的科研条件,为学生第七学期就可进入课题研究提供了条件保障。许多合适的科研项目,特别是一些实际工程项目为本科生的课程设计、毕业设计注入了新内容。教师通过科研项目对指导学生的课程设计、毕业设计有很大的帮助。学生接触到实际课题,锻炼了解决实际问题的能力,培养了创新能力和团队精神。通过物理系科技创新能力的培养,这些同学均成为优秀的人才,大部分保送研究生,部分申请到国外留学;物理系这样的创新教育模式已经辐射到北京科技大学其他学院。二、建立以科研为目的的应用型实验教学模式实验教学的最终目的是培养学生的创新精神和实践动手能力。实践教学的生命力是学生的兴趣和实验内容的改革。而科研水平决定了教学水平,提高物理专业实验教学的质量,就要鼓励教师将科研成果转化为实验教学内容。在北京市高等教育教学改革重点项目“以高水平师资队伍建设为龙头,全面推进科研向教学转化,强化创新性人才培养”的支持下,物理系建立了以创新为目的的研究型实验教学模式。将教师成熟的科研成果及时转化为实验教学内容,让学生在本科学习阶段就能接触学科前沿,学习科学研究的新技术、新方法、新知识。例如我系先后完成了将高温超导、低温测量、传感技术等科研成果向物理系本科生物理实验的转化;2002年开发出贯穿科学研究思想的薄膜系列实验,并很快引入物理系本科基础实验教学;2004年《薄膜生长特性动态监测及金属薄膜磁电阻测量》获得了第三届全国高校物理实验教学仪器评比一等奖。已有清华大学等近20所高校购买了该实验设备并开设了相关实验项目。在最近的几年中,物理系在国家自然科学基金重点项目、973等科研项目的支持下,不仅在科研上迈上了一个新的台阶,而且又有一批由科研成果转化来的实验仪器应用于物理系的本科教学中。搭上科研的快车,本科生就可以较早地进入科技创新的天地。其中磁敏传感器综合实验仪与高温磁场真空退火炉的研制就是物理系近期的主要成果之一,分别在2008年教育部首届高等学校自制教学仪器设备评选活动中被评为自制教学仪器设备优秀成果奖及成果奖。三、探索并掌握学科间知识,培养学生科学的思维方式在理论与实验紧密结合的教学模式培养下,学生的创新意识得到了培养,在普通物理学的学习中,学生学习的都是经典的物理学概念与规律。在“基础理论,大应用”的教学模式下,会引导学生自觉的把基本物理规律与应用实践结合起来。物理概念一般都是很抽象的,我们利用系列研究型实验帮助学生对力,热,声,光,电等基本物理现象有更为直观的正确的理解,更能激发学生学习的兴趣。高温磁场真空退火炉以及磁敏传感器综合实验仪的应用加深了学生对真空、磁场、电磁感应,电流等这些基本物理概念和规律的理解。在磁场中进行热处理作为磁性材料的制备、处理的过程中,可以帮助学生深入理解磁性材料的磁性质以及磁性的来源,变化规律等。磁场退火可以影响磁性材料的取向生长,可以影响某些材料的巨磁阻抗效应,可提高磁性薄膜的垂直磁各向异性,对铁磁/反铁磁材料的交换偏置或磁多层膜的层间耦合或纳米磁颗粒之间的耦合作用都能起到很好的促进作用等等。这些问题对学生建立正确的物理图像与树立正确的物理思维是非常重要的。而在磁性材料的制备过程中,可以帮助学生深入理解磁性材料磁性来源,变化规律等,这对于培养学生科学的思维方式至关重要。在学习中如果学生能够掌握学科间的知识综合运用能力,则无论是对于将来的研究生学习还是从事高新技术研发工作都是必需的基础。我们利用磁敏传感器综合实验仪综合了多种交叉学科知识拓展点的特点,首次将传感器检测技术与电动机模拟量、数字量检测,开环检测与闭环控制,速度闭环、位置闭环、功率闭环等自动化基础实验有机融入基础教学实验,使物理基本原理与信息检测、自动控制、机电一体化等专业自然地衔接,形成了综合性较强的实验教学平台,尤其对物理类、仪表类、检测与自动控制类、机电一体化、各种工程设计系列课的学习提供了良好的条件。学生通过该实验能够自觉地养成学科间知识的综合运用能力。我们的教学成果是非常显著的,如物理系04级的同学在进行传感器实验时,发现在磁铁的N,S极出现了传感性能不一样的现象,然后自己动手设计了实验步骤,研究了该现象产生的原因,通过线圈的正接与反接研究了磁滞回线等可能的影响因素,该实验已经成功开发为物理系本科生的一个实验项目。该项目在北京市理科大学物理竞赛中获一等奖。四、与现有的知识结合的物理类专业重视应用与综合性大学物理系不同,以工科主的大学物理系学生对所学知识总是会想到在实践中是否有用的问题。在我们目前的教学模式下已经基本解决了工科学校中物理学作为基础学科的应用前景问题这样一个即普遍又棘手的问题,首先基础理论被广泛应用:物理系的本科教学从低年级开始就注重与高新技术应用的结合。例如磁敏传感器综合实验仪,就是将普通物理学知识与现在非常重要的应用连接起来,该仪器综合了普通物理学的多个基本知识点,如机械运动,磁场产生,电磁感应,电流等这些基本物理概念。而该仪器的位移检测系统由磁敏位移传感器和螺旋微位移发生尺组成。螺旋位移尺的顶头与位移传感器的滑动顶头对顶共线安装,当旋动螺旋位移尺的旋头,其尺头顶着传感器的滑动杆共同滑动,带动位移传感器的磁铁发生直线位移,磁敏元件感受磁场变化输出电压信号。当学生亲身体会到传感器这样的高新技术也是来源于非常经典的物理学基本原理时,自然就会真正喜欢物理专业。其次前沿科技有了重大应用:学生在磁性材料的物理性质研究应用学习中,可以了解现在物理学的发展与应用前景。因为磁性材料在功能材料、信息存储、磁敏传感器、自旋电子学中具有重要应用以及巨大的发展空间。在本科阶段的学习中,如果学生认识到现代物理学具有如此重要的应用,则可以提高学生学习的自觉性。五、增加了学校实验教学的科学成果的培养,提高了教师的创新能力1.在物理实验教学过程中,引入科学研究的思维方式,是