实验教学

一、实验教学总体情况
中心面向物理与电子技术学院的物理学专业、电子信息工程、电子科学与技术三个专业的学生和化学与化工学院、生命科学学院、计算机信息技术学院等其它院系十个专业的学生开设实验课程。目前中心开出的独立设课实验课程有:“普通物理实验”、 “近代物理实验”、“物理教学法实验” 、“中学物理实验设计与制作” 、“电路实验”、“电子技术实验”、“低频电子线路课程设计实验”、“高频电子线路实验”、“半导体器件制作与性能测试实验”、“光电技术实验”等14门,另外开出其它非独立设课实验课程22门,实验题目285个,中心目前每年承担了物理与电子技术学院的物理学专业360人/年,电子信息工程专业230人/年,电子科学与技术专业120人/年实验教学课程,生命科学学院、化学化工学院、计算机信息技术学院等其它院系各专业510人/年,每年实验室教学工作量在 82500人学时以上。
二、实验教学体系与内容
1、实验教学体系的建设
实验教学体系创新是实验教学改革的核心。中心与时俱进,不断进行实验教学改革,从培养具有宽厚的知识基础、较高的科学文化素养和专业素养,具有创新精神和实践能力,适应基础教育和经济社会发展需要的高素质复合型人才的目标出发,构建符合时代特点的一条主线,五个模块,三个层次 本科生物理实验教学新体系,强化对学生的创新精神、综合素质和实践能力的培养。
一条主线是以培养学生实践能力和创新精神为主线,突破实验教学依附于理论教学的传统观念,将四年本科教学中各门物理实验课作为一个整体通盘考虑。根据创新型人才的培养规律及实验课程之间的内在逻辑联系,从知识结构、实践能力、创新教育等方面出发,打通相关实验课之间的壁垒,合理设置实验课内容,有效避免实验内容的重叠,实现系统训练与探索研究的完美结合。
五个模块是围绕“一条主线”将学院的所有实验室分为普通物理实验、近代物理实验、物理教学法实验、电子信息工程实验和电子科学与技术实验五个教学模块,不同模块教学目标不同。
普通物理实验教学模块包括力学、热学、光学和电磁学四个专业实验室,主要负责本院物理学、电子信息工程、电子科学与技术专业和化学与化工学院、生命科学学院、计算机信息技术学院等其它院系相关专业低年级学生的普通物理实验课程教学任务。本模块的教学目标是使学生在物理实验的基本知识、基本方法和基本技能等方面受到系统训练,包括物理量的测量原理和方法、基本仪器合理选用与正确使用、误差和有效数字的运算、实验数据处理以及试验结果的分析、判断等,从而使学生具有初步的科学实验能力。通过对实验现象的观察和分析,从理论和实验结合上加强对物理基本知识和规律的认识,培养学生严肃认真的工作态度,实事求是的科学作风,主动研究的探索精神,遵守纪律,团结协作,爱护公共财产的优良品德。
近代物理实验教学模块包括光谱、固体、核物理、微波和现代光学五个专业实验室,主要负责本院物理学和电子科学与技术专业高年级学生的近代物理实验课程教学任务。本模块的教学目标是丰富和活跃学生的物理思想,培养学生对物理现象的观察能力和分析能力,引导学生了解物理实验在物理概念的产生、形成和发展过程中的作用,学习近代物理中的一些基本的方法、技术和正确使用仪器的知识。进一步培养正确和良好的实验习惯以及严谨的科学作风,使学生获得综合运用实验方法和技术研究物理现象和规律的独立工作能力。
物理教学法实验教学模块包括中学物理教法实验室、多媒体教学技术实验室、教具综合设计加工实验室和中学教法实验仪器展馆四个部分,主要负责本院物理学专业师范类高年级学生的中学物理教学法、多媒体教学软件开发与制作和中学物理实验设计与制作等课程的实验教学以及中学物理师资的在职培训等工作。本模块的教学目标是使学生掌握中学物理教学必需的某些基本实验技术和做好某些主要实验的关键,培养学生中学物理实验教学与研究的能力,培养学生改进和设计中学物理实验的能力。
电子信息工程实验教学模块包括通信原理、模拟电路、电工、电视机原理、网络技术、单片机、传感器原理、高频电子线路、数字电路、视听技术、综合设计和电子系统设计与创新等十二个专业实验室,主要负责本院物理学专业电工学、电子技术、C语言程序设计课程的实验教学任务;负责本院电子科学与技术专业电路、电子技术、传感器原理及应用、单片计算机原理与应用、低频电子线路课程设计、电路的计算机辅助设计、数值计算方法、数字信号处理、数字与逻辑电路、科技文献与检索和C语言程序设计课程的实验教学任务;负责本院电子信息工程专业MATLAB、VISUAL BASIC编程技术、电路、电子技术、传感器原理及应用、单片计算机原理与应用、低频电子线路课程设计、电路的计算机辅助设计、电视机原理、高频电子线路、可编程控制器应用、数字信号处理、数字与逻辑电路、通信原理、微波技术基础、微机原理Ⅰ和Ⅱ、信号与线性放大系统和C语言程序设计课程的实验教学任务。本模块的教学目标是着重培养学生在应用电子技术方面的实验技能。
电子科学与技术实验教学模块包括半导体器件、材料物理、光电技术、光学工程四个专业实验室,主要负责本院电子科学与技术专业高年级学生的光电技术、光纤通信技术、半导体器件制作与性能测试、现代检测技术、纳米材料和器件等实验课程教学任务。本模块的教学目标是着重培养学生在半导体技术和光电子技术方面的实验技能。
三个层次是围绕教学目标分三个层次来设计教学内容和教学方法。
第一层次为基础型实验,属于必做实验,教师指导比较具体,进行规范化教学。基础型实验的内容为大学物理实验中最基本的实验,以验证性实验为主。在这一层次教学中,要求教师狠抓基础训练,在预习实验、课堂观测和批改实验报告等教学环节要严格把关,具体指导,反复纠正,一点一滴地培养学生的实验技能。
第二层次为综合型实验,采取必做和选做相结合的方式,遵循实验主线:理论知识→实验原理→熟悉设备→数据测试→实验报告,体现理论知识系统化,在教师的指导下由学生独立完成实验,培养学生的综合实验能力。
第三层次为研究设计型实验,全部为选做实验。研究设计性实验以调动学生主观能动性为目标,采取实验室开放,实验过程开放,学生自由选题方式,老师负责审查实验设计方案的物理思想和可行性。本层次的教学,以训练学生科学研究的思维方法、培养学生进行科学研究的能力和创新意识为目标,使学生更好地掌握实验原理、操作方法、步骤,能够合理选择、正确使用仪器,分析处理实验数据,写出实验报告。对有特色的报告,指导教师鼓励学生充分修改后以论文形式发表。还可与毕业设计、各种科技大赛、学生参与教师的科研项目等实践活动相结合,让学生体会自身知识、能力如何在科研、实践中得到应用与发挥,真正做到学以致用。
 
2、实验课程、实验项目名称及各类型实验所占的比例
中心根据实验教学理念制定了相应的实验教学大纲,根据实验教学大纲设置相应的实验课程和实验项目。中心目前开设有独立学分的实验课程有14门:普通物理实验I(教育学专业)、普通物理实验II(电子科学与技术专业、电子信息工程专业)、物理教学法实验、近代物理实验Ⅰ(教育学专业)、近代物理实验Ⅱ(电子科学与技术专业)、中学物理实验设计与制作、电路实验、电子技术实验Ⅰ(电子科学与技术专业、电子信息工程专业)、电子技术实验Ⅱ(教育学专业)、电工实验、低频电子线路课程设计实验、高频电子线路实验、半导体器件制作与性能测试实验,另外开出其它非独立设课实验课程22门。
各教学模块中包含的实验项目数如下表所示:
序号
中心实验教学模块系列
开设的实验项目数
基础型实验项目数
综合型实验项目数
研究设计型实验项目数
1
普通物理实验教学模块
45
27
12
6
2
近代物理实验教学模块
29
0
15
14
3
物理教学法实验教学模块
34
19
7
8
4
电子信息工程实验教学模块
129
45
45
39
5
电子科学与技术实验教学模块
48
11
12
25
中心开设的实验项目总数为285项,其中基础型实验项目102项(36%)、综合型实验项目91项(32%)、研究设计型实验项目92项(32%)。(实验项目名称见附件10)
3、实验教学与科研、工程和社会应用实践结合情况
(1) 实验教学与理论教学相结合
实验教学和理论教学是一个教学系统中的两个子系统。从系统论的观点看,这两个子系统既是有其各自的教学特点和规律,又处于一定的相互联系之中。可见实验教学既不能成为理论教学的附属,同样不能使其完全脱离于理论教学,两者之间的关系是相辅相成,相互促进。因此,强调理论教学和实验教学并举。中心要求从事理论教学的教师必须参与该课程的实验指导,亲自制定并不断完善实验内容,改进实验方法,研制试验仪器。如根据实验教学的需要自行研制或改造出原子核链式反应、涡电流电磁阻尼、LED显示器、场发射特性测量设备等实验装置。
(2) 实验教学与科学研究相结合
中心坚持教学与科研紧密结合的原则,以教学为本,以科研为根,鼓励教师积极参与科研项目,并注重将教师的研究成果移植到实践教学中,转化为研究设计型实验题目,如ZnO半导体纳米阵列的制备与荧光特性检测量、化学腐蚀-光学方法检测硅晶体缺陷和晶向、用扫描电子显微镜检测ZnO半导体纳米线样品等,使学生及时地掌握学科前沿知识,提高学习兴趣。同时,让学生直接参加到新实验的设计或传统实验的更新和改造之中,或者参加到一些教师的科研课题当中,让学生感受科学研究的全过程,达到锻炼学生独立科研能力的目的,学到更多书本以外的知识。
( 3) 课堂教学与课外实践相结合。
中心坚持教学与实践紧密结合的原则,积极组织学生参加国家、省、市、校各级各类形式的课外科技活动、配备指导教师、给参与课外科技实践的同学提供良好的实践环境,向学生提供发挥才能的机会和条件。近五年来,在全国大学生挑战杯竞赛、全国大学生数学建模竞赛、全国大学生电子设计大赛、大连市青少年机器人设计等科技活动中,我中心教师指导的100多件学生科技作品和参赛设计获得优异成绩,多名学生获奖。中心还联合计算机学院,开展了机器人创新设计大赛培训活动,学生通过这项活动,既拿到了创新学分,又学到不少机器人设计方面的知识,从硬件和软件两个方面都受到了锻炼和培养。中心还通过组织学生参加专业实习和毕业设计(论文)让学生直接接触大型现代化仪器设备,了解仪器设备的构造、原理和使用方法,领悟现代科技的前沿知识及其应用。
 
三、实验教学方法与手段
1、实验技术
方面,中心新增和更新了大批实验仪器设备,极大地丰富、充实了实验教学资源。激光喇曼/荧光光谱仪、原子力显微镜、扫描隧道显微镜、激光多功能光电测试系统实验仪、声光效应实验仪、电寻址液晶光阀、次大气压辉光处理机、等离子体实验仪、微波顺磁共振系统等一批反映现代物理实验技术的大型精密仪器设备在实验教学中的运用,充分体现和保障了实验教学技术的先进性。
另一方面,中心教师和实验技术人员带领学生积极开展实验教学仪器的研制工作,自行研制教学科研设备和教具600多台件,不仅解决了综合型、研究设计型实验的需要,也为中心实验教学节约了大量的实验室建设经费,同时对培养学生动手能力和创新精神发挥了重要的作用。如力矩演示器、分子运动演示仪、光电效应实验演示器等都是教师带领物理学专业师范类学生自己研制的,包含热学、力学、光学方面的多项实验;电子信息工程专业的姜春华老师为了开设单片机实验,主动利用现有的旧计算机进行改造升级,使单片机实验得以顺利进行;张卓老师在指导学生开放实验中,利用现有的基础条件,积极引导学生自己动手制作LED显示器模型,在改善教学条件的同时,也为培养学生动手实践能力创造了条件;李梦轲老师因陋就简,积极利用、改造学院旧的实验设备,通过自己维修改造,将一台旧的镀膜设备改造成场发射特性测量设备,另外,他还带领学生动手搭建了化学气相沉积设备3套,使得电子科学技术专业的教学、科研工作能够顺利开展。
2、实验教学方法
通过建立符合学生认知规律的教学方法,使学生由浅入深、由简单到综合,逐步认识、理解和掌握物理实验研究的方法,有利于调动学生实验的积极性、主动性,有助于学生自主学习、合作学习和研究性学习,有利于学生实践能力和创新精神的培养。
中心建立了以学生为中心的开放式的实验教学模式,形成以自主式、合作式、探究式为主的学习方式。学生可根据自己的时间安排和学习兴趣,自主选择实验项目进行实验或探索研究。在教学内容上,分基础型实验、综合型实验和研究设计型实验三个层次进行,优化实验项目,在实验项目的选择、实验方案的设计上以有利于启迪学生科学思维和创新意识为主导思想,达到激发学生兴趣、主观能动地完成实验的目的。针对不同层次的教学内容,采取不同的教学方法:对基础型实验,采用常规的以实验教师现场指导为主导教学方式,学生现场操作、有问题现场提问的学习方式,要求教师狠抓基础训练,在预习实验、课堂观测和批改实验报告等教学环节要严格把关,具体指导,反复纠正,一点一滴地培养学生的实验技能;对综合型实验和研究设计型实验,采取以学生自主学习为主导的教学模式,即学生利用各种信息资源,自行查阅资料、设计实验、开题答辩、实验操作、完成实验项目和总结实验报告。
3、实验教学手段
在保留传统行之有效的教学手段外,我们采取了如下措施:
(1)教师使用多媒体教学技术,通过生动、形象、图文并茂的多媒体教学课件,对学生进行物理实验绪论课教学和实验课前预习的指导。根据我中心实际情况,将实验教学与精品课程建设紧密结合,充分利用中心现有资源,申报了电子线路、通信原理、电路基础、电子技术基础等校级精品课程,并利用学校网络资源将教学课件在天空教学平台上网,增加实验教学网络模块,开放网络实验教学资源。
(2)结合微格教室的使用,在物理教法实验课程中学生使用多媒体教学技术自己制作教学课件,自己讲课、自己录像、自己分析,在实验内容选择上突出中学物理实验的教学设计、新技术应用教学实验的案例开发、探究式实验教学的设计,为培养学生教师教育素质与能力起到了重要作用。
(3)中心注重网络化实验教学和中心管理信息平台的建设,建立了实验示范中心网站,有关实验教学资源和管理制度全部上网。已购买了中国科大虚拟实验教学软件,准备进一步加大网上教学申请、管理力度,学生可在网上选课、预习实验、进行仿真实验等,为中心拓展开放范围创造了条件。
4、实验考核方法:
实验成绩评定采取多种考核方式相结合,不同实验课程考核采取不同的标准。对于专业选修课和考查课主要考核学生知识点的掌握和实验方法的正确性;对于专业主干实验课程既考核学生对知识点的掌握,又考核综合运用知识的能力。低年级的学生根据实验的完成情况进行考核,高年级的学生则把考核重点放在综合能力和创新能力方面。在实验课成绩考核时,既注重实验过程,又注重实验结果。实验课成绩由平时成绩、实验考试成绩、开放实验小论文成绩等构成。平时成绩由每次实验成绩构成,每次实验成绩分为预习报告、实验操作和实验报告三部分。根据具体实验项目的不同,按一定的比例进行成绩评定。如“普通物理实验”和“近代物理实验”采取“平时成绩(60%)+实验操作考试(40%)”相结合、 “多媒体教学软件开发与制作”采取“平时成绩(30%)+上机设计成绩(20%)+期末考察成绩(50%)”相结合。总之,对实验成绩的考评注重过程评价,倡导并鼓励创新。