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

PAGEPAGE4教育部“新世紀(jì)高等教育教學(xué)改革工程”結(jié)題驗(yàn)收主報(bào)告項(xiàng)目名稱:”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”項(xiàng)目代號(hào)：1282A03031項(xiàng)目負(fù)責(zé)人:王曉蒲（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文與應(yīng)用物理系，合肥，230026）摘要：本項(xiàng)目在研究與實(shí)踐中，立足于學(xué)生創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，提出并實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和多元化教學(xué)模式的全面改革思想。打破了傳統(tǒng)的學(xué)科獨(dú)立的課程體系，建立了學(xué)科交叉，逐步升級(jí)的物理實(shí)驗(yàn)課程新體系；教學(xué)內(nèi)容注重了反映時(shí)代特點(diǎn)和最新科技的發(fā)展；為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)建立多元化的教學(xué)環(huán)境，在考試方法等方面也進(jìn)行了改革的改革，使大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課更著重對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)。關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)教學(xué)模式課程體系教學(xué)內(nèi)容一．理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的思考 隨著數(shù)字化為核心的信息技術(shù)的高度發(fā)展，21世紀(jì)又將經(jīng)歷一次重大變革。如果說(shuō)19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(kāi)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)成上世紀(jì)中葉以來(lái)，以信息科學(xué)、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(kāi)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。基礎(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，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，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(kāi)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(kāi)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(ài)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(kāi)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。二．教學(xué)模式、課程體系、教學(xué)內(nèi)容的改革與實(shí)踐1．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)改革深入發(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(kāi)發(fā)一批物理教學(xué)軟件。其中，我們?cè)趪?guó)際上首創(chuàng)開(kāi)發(fā)出第一套仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件；實(shí)現(xiàn)教學(xué)模式的創(chuàng)新和國(guó)際領(lǐng)先水平。近兩年來(lái)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)，并且發(fā)展成“新世紀(jì)網(wǎng)絡(luò)課程”在國(guó)際和國(guó)內(nèi)物理教學(xué)界都產(chǎn)生了一定影響，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：（1）開(kāi)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)文,在學(xué)生論文競(jìng)賽中獲獎(jiǎng).四.項(xiàng)目主要研究成果：我們?cè)凇袄砜茖?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”項(xiàng)目進(jìn)行中所取得的成果如下：2001年“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與實(shí)踐”獲得安徽省教學(xué)成果特等獎(jiǎng)，同年又獲國(guó)家級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”被評(píng)為國(guó)家理科基地創(chuàng)優(yōu)秀名牌課程。我們開(kāi)發(fā)了“大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)及遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)”，“物理學(xué)史的啟迪”，“物理學(xué)”，“十一門物理學(xué)類網(wǎng)絡(luò)課程”教學(xué)軟件。在全國(guó)已經(jīng)有250多所高校應(yīng)用了這些成果。出版了面向21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)）。五..項(xiàng)目推廣價(jià)值與進(jìn)一步研究,實(shí)