物理实验开放教学与创新能力培养
一、成果产生的背景与意义
大学物理实验是工科大学生进行科学实验的一门基础课程,大学物理实验是学生进行系统性专业实验的开端,是对学生进行科学素质教育的重要环节,是多元化人才的能力结构的重要组成部分。
传统的大学物理实验教学中,内容陈旧,与现实生产、生活及现代科学技术缺乏必要联系,难于激发学生的学习兴趣与积极性;实验资源有限,给学生没有更多的选择性,不能适应不同专业方向不同兴趣的学生的需求,不能满足多元化的人才培养需要;教学方法陈旧,注意学生实验技能的培养,忽视学生创新能力的提高,忽视实验过程中学生非智力品质的形成和培养。实验评价体系中重实验结果轻实验过程。
为了适应多元化人才培养目标,大学物理实验也必须进行改革。由传统的封闭式教学变为开放式教学。开放式教学不仅是实验管理形式上的开放,而是实验教学内容和实验教学方法的开放,是指根据多元人才培养模式设置多种层次的实验教学目标、要求有相应的课时,学生可以根据自身的特长和发展需要进行组合与选择。
我国大学物理实验教学改革已有近三十年的历史，进入80 年代以来，由于新技术革命浪潮的冲击和高等教育课程与教学改革的兴起，我国高校对大学物理实验教学进行了多方面的改革尝试．但通过调查研究发现目前部分高校大学物理实验教学仍存在一些弊端。首先，大学物理实验课的授课形式过于单一，学生做的大部分实验完全是照葫芦画瓢，对学生分析问题和解决问题能力的提高而进行的有效训练太少; 其次，随着高校的不断扩招，使得实验学生人数增多而实验仪器设备不足的矛盾日趋显著;再次，大学物理实验课课时过少，上课时间安排的过于刻板，不能满足学生的学习需要． 要解决以上问题，实验教学模式必须有所改革，实验项目及实验内容也必须变革，而开放式实验教学模式正是实验教 学改革的可行之道．
二、大学物理实验开放式教学的优势
大学物理开放式教学模式是以实现个性化教学，提高学生学习的积极性和主动性为目标，并通过开放式教学体系的构建推动课程内容体系、教学方式方法和教学管理模式的改革，以满足学生求知、探索和创新的欲望，侧重创新精神与能
1 力培养，在为学生的主动学习和个性发展创造一个较好的外部环境的同时体现了以人为本的教学理念．
20 世纪中叶兴起的后现代主义、建构主义和人本主义为大学物理实验开放式教学提供了强有力的理论依据．传统的物理实验教学不可避免地具有了后现代主义所批判的权威性、同一性、确定性和封闭性等种种弊端，不仅束缚了学生好奇、疑问、怀疑的本性，漠视了任何对真理的认识都是螺旋上升的过程，也不利于对现行教育体系进行改革，不利于学生创造性思维的形成和发展． 而开放式物理实验教学旨在突破这些弊端，构建开放的物理实验教学系统．在这样的开放系统里面，不仅重视知识的开放性，更重视“人”的作用和“人”的发展，倡导学生的主体地位，以及教师与学生“双边”关系的建立． 教学不再是线性式的独白，而是师生、生生普遍交往互动下的、持续的、建设性的对话，从而在重视学生的认知结构的特点和功能的同时在教学中开发学生的潜能． 另外，开放式实验教学真正做到尊重学生的个体差异，根据不同学生的认知特点不断地改进教学方法，做到因材施教． 开放式实验教学还从单纯注重物理实验知识和技能的传授，转为更加注重学生的全面发展． 传统的物理实验教学大多是以知识为本位，以知识的传授和技能的掌握为重点，最大限度地发挥教材的功能，来实现教书育人的目的． 而在人本主义影响下的开放式物理实验教学注重学生在学习过程中内在思维和情感的体验，更加突出培养学生的创新意识和动手实践能力． 使其能够适应不断变化发展的世界，对国家和社会做出应有的贡献．
三、大学物理实验开放式教学模式的构建
结合多年的实践教学经验，拟定了一套认为切实可行的大学物理实验开放式教学方案并付诸实施．
( 1) 构建物理实验开放式教学平台，对大学物理实验课程教学体系、教学内容、教学方法进行一系列的改革和探索． 建立了4 个层次的分级实验教学体系，开设了基础性实验、近代物理实验、综合性实验和设计性实验4 个实验层次．在实施开放式实验教学模式的4 个层次的实验教学过程中强调: 坚持培养锻炼学生的实验技能; 坚持锻炼学生正确读数与正确处理有效数据相结合的能力; 坚持培养学生良好的实验素质． 各层必须做到实验按难易程度进行编排，根据我系的具体情况，自编部分实验教材，依照认知规律，对学生进行阶梯式的强化训练，为学生走向工作岗位打下基础．对于基础性实验，在着重培养学生严谨的治学态度和实事求是的科学作风的同时，注重对学生基本实验能力的培养．基本的实验能力包括: ①通过阅读实验教材和对照实物做实验前充分的准备． ②通过阅读
2 仪器说明书，正确使用常用仪器． ③正确记录和处理实验数据，拟定合格的实验报告． ④通过拟定实验报告，培养学生科技写作能力和语言表达能力． 在学生的实验能力达到一定要求后，再开设各种类的综合设计性实验，让学生根据自己的兴趣、爱好、专业和能力，预约选做自己感兴趣的实验，自己设计实验方 案，在实验教师的指导帮助下完成实验．
( 2) 构建开放式实验教学管理系统和成绩管理系统．
学生通过网上选课选择感兴趣的实验和适合自己的实验时间到实验室完成规定数量的实验．学生预约好实验后，必须在实验前设计好预习报告，并由指导教师检查学生预习情况、给出成绩．进行实验前，学生可以自由进入实验室预习熟悉仪器设备，由专门的实验教师负责解答学生预习过程中可能出现的各种问题． 实验时，指导教师遵循“学生主体，教师主导”的原则，只讲解实验重点、难点和注意事项，具体操作由学生自己动手解决． 若碰到难以解决的问题，指导教师应予以启发式指导． 学生实验操作结束后，教师当场给出学生实际操作成绩，实验报告上交后，经教师评阅最后给出实验报告成绩． 如果实验失败，学生可以立即重做或另选时间重做．
(3) 实验室的全方位开放．
开放实验室，不仅在时间和空间上是开放的，而且在实验内容和仪器设备等方面也是开放的，在教学时间上由实验教师来保证开放时间，一般每周开放8 ～ 10 学时，在开放期间学生可根据自己的需求自主安排实验时间．仪器设备的开放是指实验室所有的仪器设备都供学生选用，用来实现自己的设计方案．但由于实验室仪器设备种类数量繁多，要同时把所有仪器设备对学生开放，是不现实更是不可取的． 所以要求学生根据自己的需要，向实验教师提前预约，由实验教师进行统筹安排，争取使多类仪器得到充分利用，尽量提高仪器设备的使用率，使实验室用房得到更为充分的利用．学生要做到在事先预约好的时间内使用仪器设备，并且做好使用记录，以确保实验仪器设备的正常使用．
[1].项目开放：课余开放是项目开放形式的一种，其在一定程度上是对传统实验教学模式的补充，让学生不断提高自己对实验室资源的有效利用，对于教师的实验工作也是很有帮助的。开发实验室虽然能为学生创造广阔的学习空间，但在实验中对于设备、器材的维护都是靠学生自觉，教师需在思想上给予引导，让学生规范操作，爱护设施。
[2].时间开放：教师指定物理实验教学安排时应遵照教学大纲的具体要求， 3 对各个必修或选修的实验项目在不同的时间段来开展教学指导。这样一来实验室的各个时间都可以做不同的实验，学生利用预约则可以在规定范围内完成自己需要进行的实验项目。这种自由主张的实验方法能够改变传统教学模式中的不足，让学生占据整个实验教学的主导。实验室教学中运行时间开放模式可以让学生掌握足够的实验时间，根据自己需要学习的内容做好实验设计。对于自身存在的不足之处及时调整改进，让学生能够统筹安排自己的学习流程。
[3].综合开放：其包含了实验教学各方面的内容，如：实验内容、实验设备、实验目的等，都可以采取开放式的模式，这样对于学生的能力培养是很有帮助的。综合开放模式是物理学科常用的实验教学模式，其不仅充分显现了各类科目知识，还能充分尊重学生的主体地位。但在这种模式下进行实验，对于学生的理论知识、操作技能都提出了较高的要求。若学生某方面能力缺乏则会影响到综合实验模式的效果。
[4].研究性实验，挖掘学生潜能：研究性实验以学生自带课题的研究性实验为主，不属于教学计划实验范围，实验者主要为对物理科技制作有浓厚兴趣的学生或者准备参加各种物理竞赛的学生，可以为这部分学生提供深化实践的必要条件和方法指导，从而有效地促进了学生的个性发展。这类学生多为基础好、能力强、思维活跃的优秀学生，他们的实践活动在增强自己的科学研究能力、提高实践能力的同时，也促进了实验室教师技术水平的提高，达到教学相长的目的。同时，他们的实践活动也是综合设计性实验项目来源渠道之一。
(4) 关注大学物理实验开放式教学效果，适时调整教学方法．大学物理实验开放式教学体系的实践是为了促进学生的学习而进行的，所以实验教师应时刻关注开放式教学模式所带来的教学效果，并根据教学效果中所存在的问题对开放式教学体系进行适时调整，不断完善． 根据教学的实际情况，我们改进了大学物理实验的考核标准，采取理论与实践相结合的考核方案，既考实验理论，又要求动手实际操作．在考核中将学生选做实验的积极性、主动性及取得的实验效果作为其评价成绩的标准之一，实践证明这种形式考试的结果，能够相对真实地反映学生的实际水平，能够促进大学物理实验教学模式的不断完善．
(5) 积极开展实验室对外服务业务．
在实验室开放的过程中，损耗仪器设备的增补，以及教师进行有尝劳动后薪水的发放等等，这些都是在实施物理实验开放式教学中实际存在的经济问题．为了解决这一难题，学校可以最大限度的利用现有资源，在不影响正常教学、科研 4 工作的前提下，通过仪器设备和实验场地对外( 包括工厂、企业、生产单位等) 有偿使用，适当收费，实现实验室对外服务功能． 这样既把基础实验室从单纯的教学场所转变为教学、科研、技术服务相结合的多功能的实体，又解决了实验材料消耗和工作人员的补贴问题．
四、取得的开放成果及其实施价值
多元化开放教学模式注重培养学生的工程实践能力和科技创新能力，提高学生的综合素质。以实践能力培养的系统化取代知识培养的系统性，突出设计性、综合性实验，增设开放性实验。为了强化学生的动手能力和实践能力，培养学生的创新意识和创新能力，在内容上减少了验证性，增加了综合性、设计性、创新性实验内容。根据新的实验教学体系要求，在教学方法上运用了问题指导法、讨论法、合作学习教学法、自主实验教学法等。
物理实验教学中心建立了物理创新实验室，面向全校各专业学生开放实验室，近年来80多名学生（包括物理学、光信息科学与技术、电子信息科学与技术、机械制造及其自动化）在实验室完成或参与科技创新项目、SRTP项目、节能减排项目。实验教学与工程实践和科学研究相结合。近年来，实验教学中心的老师们进行了多项课题的深入研究并自制了几种教学仪器。这些仪器技术含量高、性能可靠、实用性强，有的在技术上达到了国内领先水平，受到了广大师生的称赞（例如自制声悬浮演示仪、液体表面张力系数测定仪等）。
在2011年第四届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛“哈电杯”荣获二等奖一项；在2011年全国高校第十届物理演示教学仪器获三等奖一项；2010年山东省第二届大学生物理科技创新大赛，荣获省特等奖一项，一等奖一项，二等奖五项，三等奖三项，其中四名老师被评为优秀指导老师；2011年山东省第三届大学生物理科技创新大赛，荣获省一等奖四项，二等奖六项，其中八名老师被评为优秀指导老师；四名老师荣获2011年度大学生研究训练计划（SRTP）优秀指导教师；智能太阳能车，声悬浮与声速测量仪成功申请国家专利；论文：《声悬浮与声速测量仪的设计 》《液体表面张力系数测量装置的改进》在国内核心期刊上发表。
主要解决的教学问题：传统的实验教学内容陈旧，单一，实验项目多为验证性，并且实验教学以教师为主，学生只是简单地去验证某一理论，实验室开放教学可以激发学生的主观能动性，调动学生参与实验的积极性，在实验过程中提高分析问题、解决问题的能力。高校的实验教学若仍采用传统实验教学模式，在总 5 学时有限的情况下，让学生完成一些创新性、设计性和综合性实验，难度非常大；开放实验室，同时以学科竞赛为目标，能给学生以选择、创造、表现、提高的机会，从而达到培养学生创新能力的目标。它可以提供一个发挥个人潜能的实验环境，并适应不同水平和能力的学生的个性要求。
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，以培养学生的科学实验素质及创新能力为目标，物理实验开放教学与学生创新能力培养可以在所有的实验教学中推广应用，可以以学科竞赛为手段，推动实验室的开放，实验项目的开放，培养学生的创新能力，提高教师的科研水平。提高实验室仪器的使用率，推动实验仪器的改进，促进综合设计性实验项目的开发。
成果的推广已经取得一定的效果，原来物理实验开放教学只是局限在某一个实验室，某一个实验项目，现在已经推广到本实验教学中心的所有实验室，所做的实验研究项目在山东省物理科技创新竞赛，全国高校节能减排大赛已经取得令人瞩目的成绩。进一步创新实验开放教学模式，促进实验教学的多元化开放，使成果推广应用取得更大的效果。
