以物理實驗儀器研究促進學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

羅　樂，仇冀宏，孫　偉，李建設(shè)，張　霆

(合肥工業(yè)大學(xué)　電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，合肥　230009)

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以物理實驗儀器研究促進學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

羅樂，仇冀宏，孫偉，李建設(shè)，張霆

(合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，合肥230009)

摘要該文從創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和物理實驗課程的教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，指出了物理實驗儀器存在的問題?；贑DIO培養(yǎng)模式，論述了組織學(xué)生開展物理實驗儀器研究對創(chuàng)新能力培養(yǎng)的作用與意義，以及對實驗室建設(shè)的積極意義；總結(jié)了組織學(xué)生開展物理實驗儀器研究的經(jīng)驗，為物理實驗教學(xué)改革和創(chuàng)新人才培養(yǎng)工作提供參考。

關(guān)鍵詞大學(xué)物理實驗；創(chuàng)新能力；CDIO培養(yǎng)模式；實驗儀器

2007年，教育部、財政部聯(lián)合開展了“大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃”項目，作為質(zhì)量工程的一個子項目在全國百所高校實施[1-2]。2010年6月，教育部又開始實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”[3-4]，以加快培養(yǎng)創(chuàng)新能力強、具有現(xiàn)代工程意識與工程精神、適應(yīng)現(xiàn)代經(jīng)濟社會發(fā)展需要的工程技術(shù)人才。這標(biāo)志著以學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)為中心的高等教育改革的開始。為此各高等學(xué)校都開展了豐富多彩、形式多樣的大學(xué)生課外科技創(chuàng)新實踐活動，以加強學(xué)生的科技創(chuàng)新能力與實踐能力的培養(yǎng)[5-6]。在這種形勢下，作為理工科學(xué)生必修的基礎(chǔ)性實踐課程——大學(xué)物理實驗如何改革，以適應(yīng)卓越工程師教育培養(yǎng)的需要，是一個值得研究的課題。為了更好地發(fā)揮物理實驗課程在卓越工程師教育培養(yǎng)過程中的作用，我們以物理實驗儀器研究為切入點，改進物理實驗教學(xué)，加強學(xué)生科技創(chuàng)新能力與實踐能力培養(yǎng)。

1物理實驗儀器存在的問題

大學(xué)物理實驗課程是學(xué)生進入大學(xué)后系統(tǒng)接受實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的開始。它包含豐富的實驗思想、實驗方法和實驗手段，提供綜合性很強的實驗技能的訓(xùn)練，是培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新能力與實踐能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)的重要課程。和理論課相比，它具有很強的實踐性和應(yīng)用性，在科技創(chuàng)新能力與實踐能力培養(yǎng)方面具有明顯優(yōu)勢；和專業(yè)實驗課相比，它涉及的知識面更廣，學(xué)習(xí)的人數(shù)更多，是卓越工程師教育培養(yǎng)過程中的重要環(huán)節(jié)。

大學(xué)物理實驗課程的教學(xué)目的是，通過物理實驗教學(xué)使學(xué)生在實驗思想、實驗方法和手段、實驗技能等方面得到系統(tǒng)地培養(yǎng)，從而具備科技創(chuàng)新能力與實踐能力。從教學(xué)目的來看，在教學(xué)過程中使用的物理實驗儀器還存在以下5個方面問題。

1)實驗儀器商品化，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)實驗知識及創(chuàng)新能力與實踐能力的培養(yǎng)。目前，用于物理實驗教學(xué)的儀器大多數(shù)是從企業(yè)直接購買的，而企業(yè)在研制物理實驗儀器時往往忽視實驗儀器的教學(xué)功能，把教學(xué)儀器當(dāng)成商品進行設(shè)計生產(chǎn)，給儀器包裝上又大又美觀的外殼，使學(xué)生在實驗過程中很難了解儀器的構(gòu)造和工作原理，并且功能單一，一臺儀器只能完成一個實驗單元的內(nèi)容。例如，用模擬法測繪靜電場的實驗，用一個直流穩(wěn)壓電源和一個電壓表就能完成實驗，企業(yè)生產(chǎn)的靜電場測繪儀則把穩(wěn)壓電源和電壓表組裝在一個不透明的大外殼中，致使許多學(xué)生做完實驗后都不了解儀器的構(gòu)造與工作原理。同時，靜電場測繪儀也只能用于靜電場實驗。

3)部分儀器設(shè)計缺乏科學(xué)性。例如，在磁偏轉(zhuǎn)實驗中，實驗儀器采用并聯(lián)法測通過螺線管的電流，受到學(xué)生的質(zhì)疑。

4)儀器難以體現(xiàn)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的水平，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動性。

5)實驗儀器缺乏與工程應(yīng)用的聯(lián)系，無法開展科技創(chuàng)新實驗和工程應(yīng)用實驗，不利于學(xué)生工程素質(zhì)和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

2以物理實驗儀器研究促進學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

工程師是應(yīng)用科學(xué)知識來設(shè)計和開發(fā)新的工具和系統(tǒng)，以解決人類社會所面臨的工程技術(shù)問題的人才[7]。工程師必須掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)知識、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和政策法規(guī)；具有分析問題、解決問題和處理危機的能力；具有開發(fā)設(shè)計和工程管理的能力；具有現(xiàn)代工程意識；具有團隊協(xié)作精神[8-9]。從歐美等發(fā)達國家的成功經(jīng)驗來看，CDIO是培養(yǎng)卓越工程師的有效方法之一。CDIO是構(gòu)思(conceive)、設(shè)計(design)、實施(implement)和運行(operate)4個環(huán)節(jié)的有機結(jié)合。它以真實產(chǎn)品從構(gòu)思、設(shè)計、實施到運行的整個研制周期為平臺，讓學(xué)生通過參與真實產(chǎn)品研制的完整過程把各種知識有機聯(lián)系起來，培養(yǎng)學(xué)生從構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)到運行全過程所必須具備的實踐能力、創(chuàng)新能力、協(xié)作能力和管理能力[10-12]。

從CDIO培養(yǎng)模式來看，針對物理實驗教學(xué)過程中實驗儀器存在的問題與不足，組織學(xué)生結(jié)合“大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃”項目開展物理實驗儀器的研究是提高物理實驗教學(xué)質(zhì)量，促進學(xué)生科技創(chuàng)新能力與實踐能力培養(yǎng)的一種行之有效的方法。由于物理實驗儀器的研究不僅涉及物理實驗知識，而且涉及微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、計算機軟件編程、傳感器技術(shù)、機械制造與儀器儀表等多學(xué)科知識，因此有助于學(xué)生獲取綜合知識，改善知識結(jié)構(gòu)。由于物理實驗儀器的研究要求學(xué)生在了解和掌握物理實驗知識的基礎(chǔ)上，構(gòu)思、設(shè)計、制作和試用實驗儀器，因此可以使學(xué)生親身經(jīng)歷一個實驗儀器的研究開發(fā)項目從構(gòu)思、設(shè)計、實施到運行的全部過程，有助于學(xué)生理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力；有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識；有助于培養(yǎng)學(xué)生的組織協(xié)調(diào)能力。由于申請“大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃”項目必須完成從組建團隊、查閱文獻資料和實際調(diào)研、設(shè)計實驗方案、撰寫項目申請書和任務(wù)書、開展研究到最后的結(jié)題答辯的全過程，因此它對學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)作用是任何一門課程都無法替代的。與此同時，研究工作取得的成果可以提高物理實驗儀器的質(zhì)量和現(xiàn)代化水平，從而提高物理實驗室的建設(shè)水平。

為了更好地發(fā)揮物理實驗課程在卓越工程師教育培養(yǎng)過程中的作用，借鑒歐美等發(fā)達國家的成功經(jīng)驗，針對目前物理實驗教學(xué)過程中儀器存在的問題，我們開展了組織學(xué)生自制物理實驗儀器的探索，具體做法有以下3個方面。

1)在物理實驗課的教學(xué)過程中，注意向?qū)W生介紹物理實驗儀器的結(jié)構(gòu)與工作原理，讓學(xué)生注意觀察儀器是否出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，如果出現(xiàn)異常就分析原因，提出改進措施。例如，在霍爾效應(yīng)測螺線管磁場的實驗中，有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)當(dāng)霍爾片移到螺線管外部時會出現(xiàn)負(fù)電壓現(xiàn)象，和理論相矛盾。為了培養(yǎng)學(xué)生觀察問題、分析問題和解決問題的能力，我們讓學(xué)生自己在每臺儀器上進行實驗并仔細觀察，逐一分析可能的原因，不僅使學(xué)生加深了對實驗知識的理解，而且還開發(fā)出測量霍爾片不等位電動勢的新實驗內(nèi)容。

2)組織學(xué)生開展物理實驗儀器的研制工作。首先，在課余時間組織有興趣的學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用、模電與數(shù)電和傳感器技術(shù)等相關(guān)知識，并進行電路設(shè)計制作，軟件編程和加工制作等相關(guān)

技能的培訓(xùn)。在此基礎(chǔ)上組織學(xué)生針對物理實驗儀器存在的問題開展研究，并申報“大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃”項目。例如，針對靜電場的測量與描繪實驗，研制出一套由穩(wěn)壓塊、電容、電阻、變壓器和表頭組成的穩(wěn)壓電源和電壓表的設(shè)計與組裝實驗儀，讓學(xué)生自己設(shè)計組裝一個靜電場測繪儀；針對惠斯通電橋測電阻實驗，研制出基于惠斯通電橋的差動式電容和差動式變壓器測量微小位移實驗儀，在此基礎(chǔ)上研制出基于差動式變壓器的楊氏模量測量儀，不僅提高了惠斯通電橋?qū)嶒瀮?nèi)容的難度與水平，而且使學(xué)生學(xué)習(xí)到差動式傳感器的知識與應(yīng)用；針對導(dǎo)熱系數(shù)測量實驗，研制出基于瑞薩嵌入式M16C/62P的智能型導(dǎo)熱系數(shù)測量儀，不僅能把溫度隨時間的變化曲線顯示在液晶屏上，而且能自動處理實驗數(shù)據(jù)；針對邁克耳遜干涉儀的調(diào)整與使用的實驗中用眼睛觀察計數(shù)干涉條紋困難的問題，研制出基于瑞薩嵌入式M16C/62P的智能型邁克爾遜干涉儀測量儀，能夠?qū)崿F(xiàn)波長的自動測量。

3)開展物理實驗創(chuàng)新設(shè)計制作大賽。為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理實驗知識與技能的興趣，推動物理實驗教學(xué)改革，加強學(xué)生科研創(chuàng)新能力和實踐能力的培養(yǎng)，我們聯(lián)合創(chuàng)新學(xué)院、校團委與學(xué)生會共同舉辦物理實驗創(chuàng)新設(shè)計制作大賽，讓學(xué)生針對物理實驗教學(xué)中實驗儀器存在的問題提出改進方案；針對難以理解的物理實驗原理制作演示儀器；在原有實驗的基礎(chǔ)上提出新的實驗內(nèi)容以及針對物理實驗內(nèi)容的制作等。

3結(jié)束語

通過組織學(xué)生開展物理實驗儀器的研究，不僅加深了學(xué)生對物理實驗知識、嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用、傳感器技術(shù)和電子科學(xué)與技術(shù)的理解，使學(xué)生的科技創(chuàng)新能力與實踐能力得到有效提高，而且使許多學(xué)生成為大學(xué)生課外科技創(chuàng)新實踐活動和各種大學(xué)生課外科技創(chuàng)新實踐競賽的骨干，并取得了優(yōu)異成績。

參 考 文 獻

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收稿日期:2015-02-21

基金項目：安徽省重大教學(xué)改革研究項目(2013zdjy018)；合肥工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新基地建設(shè)計劃項目(2010-1)。

作者簡介：羅樂(1963-)，男，博士，副教授，主要從事實驗教學(xué)與研究方面的工作。

中圖分類號G642.0；O4-33

文獻標(biāo)志碼A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.037

Cultivation of Student Innovation Ability Based on the Research of Physics Experiment Instrument

LUO Le，QIU Jihong，SUN Wei，LI Jianshe，ZHANG Ting

(School of Electronics and Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

AbstractThe problems of physics experiment instrument were indicated according to innovation ability train and goals of physics experiment teaching.The significances were indicated according to CDIO train theory that guiding students to study physics experiment instrument should promote innovation ability train and physics lab development.The successful experience was summarized that students were guided to study physics experiment instrument.The valuable references were provided to reform of physics experiment teaching and person with innovation ability training.

Key wordsuniversity physics experiment;innovation ability;CDIO train model;experiment instrument