成果名称：工科物理实验中培养学生创新能力的研究
项目组成员：杨长铭 戴同庆 王阳恩 彭秀华
获奖等级：湖北省高等学校省级教学成果奖三等奖
获奖时间：2001年
一、成果的主要内容
大学物理实验是培养和提高学生创新能力、科学素质的重要教学环节，但目前大学物理实验在与中学物理实验间的衔接、与新专业体系间的衔接以及工科大学物理实验教材等方面内容还存在诸多问题，尤其是不少物理实验教材存在一些弊端。首先，在教学体系结构上，按物理理论内容分类组织实验项目，失去了实践性课程本身所具有的特点，课程训练层次单一，不能满足因材施教和学生个性特点的发展。其次，在教学内容上实验项目多年基本不变，已不能适应高教改革与社会发展的需要。第一，传统物理实验使学生的实践技能得不到足够的训练；第二，近代项目太少，陈旧的实验项目涉及现代物理测试技术甚少，这就造成学生知识结构与当代科技的迅速发展形成了强烈的反差，学生学到的实验方法和测试技术滞后于现代科技发展；第三，综合性实验偏少，不同程度地忽视了物理知识、原理的应用，这不利于学生综合能力素质的培养；第四，设计性实验太少，这不利于学生创新能力的培养。基于上述背景，通过对98、99两级新生的中学物理实验现状进行了详细的问卷调查与分析，对全国的工科物理实验教材进行研究分析等方式，完成了在大学物理实验课堂教学中培养学生能力素质的研究，取得了如下成果：
（一）完成了对现行物理实验教学体系改革的理论研究
我们认为大学物理实验体系应分为三个层次：即基本训练、综合能力训练和科研训练。
基本训练层次用30学时，主要学习基本实验技能、方法等，实验绝大部分或全部应为必做实验，在第一实验学期完成。
综合能力训练层次用30学时。在基本训练的基础上，增开综合应用型物理实验，加大近代物理实验和设计性物理实验力度，主要训练学生的综合能力和科学素质。训练在第二实验学期完成。少部分实验为必做实验，相当一部分为选修实验，以供不同专业的学生选修。
科研训练层次的训练主要为成绩好、动手能力强又学有余力的拔尖的学生提供。训练过程在进行综合能力训练层次教学的同时，或完成前两层次实验教学任务后选修。选修的学生既可以是二年级的学生，也可以是三年级的学生。第三层次的教学不安排固定时间，教学内容既可以是科研讲座、毕业设计、也可以是科研小制作、计算机仿真实验等。重在训练培养拔尖学生的创业精神和创新能力，发展学生的个性特长。
（二）完成了物理实验教学内容的改革
工科物理实验课程改革的核心是教学内容的改革，教学内容的改革也就是实验教材的改革。因此，我们编写了与实验改革配套的《大学物理实验》教材。教材不仅在体系上作了大的变动,打破了原有教材体系结构，在教学内容上也尝试作了改革。第一，使用了结果的不确定度评价体系，并力求使数据处理内容既符合国家技术规范又简单可行；第二，对实验项目进行了精选，删去了部分过于陈旧或与中学完全重复的传统实验项目，合并了部分基础实验，增加了教学信息量，加大了基础训练内容，提高了教学起点；第三，加强了实验方法、测量方法及基本操作技术的教学内容；第四，加强了综合应用性实验、设计性实验和近代物理实验的内容。除此之外，在教材编写上，对其内容、训练要求、课后训练要求都作了不同层次的精心设计。华中理工大学物理实验专家李天应教授评价：“此教材具有减轻学生负担、便于教学、结果评价体系超前等特点”。教材已在全院99级开始使用，由湖北科学技术出版社出版。此外，还编写了与之配套的教学参考书。
（三）改革了传统的实验教学模式，变封闭式为开放式
为了有效地、有的放矢地提高学生能力，我们对98、99级新生的物理实验现状进行了问卷调查。共收回问卷近1500份，对问卷中的37个项目、140个选项进行了详细的统计、分析。根据我院学生的现状和物理实验室的实际情况，我们制定了物理实验全面开放实施方案，并在全院98、99级中全面实行。物理实验教室、实验时间全面开放，学生进物理实验室做实验就象进图书馆学习一样。为了使实验开放工作顺利进行，我们在实验管理上也做了大量工作。
在实验教学体系、内容、教学模式改革的同时，我们也加强了现代化教学手段的应用，拍了自己的教学片。改革收到了很好的效果。通过98级的实验实践，学生能力素质提高显著。与97级比较，在增加试题难度前提下，98级的不及格率下降了3个百分点。均分提高了2个百分点。
我们不仅注重实验课堂内的教学改革，也注重课外对学生能力的培养。我们进行了物理实验第二课堂(第三教学层次)培养学生创新能力的研究与探索实践。
1. 开展了学生自制大学物理演示教具的活动
我们从全院23个班中选出了84名优秀同学参加，选题要求是：拟做教具必须与大学物理理论课程配套且是物理教研室目前没有或已损坏的，每个指导教师所带各小组的活动经费总和不超过500元。制作要求是：学生自己设计制作方案，包括设计原理及原理图、装配图或加工视图，元器件清单，成本估算，仪器使用说明书等。废品利用由学院国有资产科提供。经过5个多月的辛勤制作，学生完成并移交使用的演示教具共26套件。经学院组织的专家评审组对学生的设计方案、成品教具及学生活动小组代表答辩三方面的评审，十套件有新创意的教具分别获学院一、二、三等奖。
这样的活动不仅提高了学生自学能力和动手能力，而且提高了他们适应社会的能力；这样的制作，既能开拓思路、培养勇于探索创新的精神和能力，也能培养学生团结协作的精神，使学生终生受益。此活动开了学生研制教具的先河，得到了石油高校物理学科教学指导委员会专家们的高度评价。此次活动公开发表论文三篇。
2．开设了计算机物理实验
在95、96级自动化专业学生中，指导了16位同学设计计算机物理实验，设计完成的项目有：“实验设备动态管理”、“开放实验预约管理”两个软件；“物体导热系数测量方法研究及实现”、“智能化单摆仪设计”、“用单片计算机测量物体的转动惯量”、 “用单片计算机实现霍尔元件测量磁场”、“智能化迈克尔逊干涉条纹计数器”、“智能化动量守恒实验仪设计”、“物体导热系数智能化测量系统设计”、“示波器使用计算机仿真硬件设计”、“落球法测粘度实验智能化设计”、“数字显示温度计的设计”共10个智能化物理实验仪设计；以及“静电场模拟”、“光电效应”、“计算机模拟超声声速测量方法研究”、“示波器使用计算机仿真软件设计”4个物理实验CAI软件。通过设计制作，学生不仅加深了对物理理论知识的理解，而且深刻认识到了专业知识的重要性；不仅拓宽了专业知识的运用，而且也得到了创新能力的训练与培养。他们的设计得到了院专家们的一致好评：其中“物体导热系数测量方法研究及实现”和“智能化单摆仪设计” 、“计算机模拟超声声速测量方法研究”获院优秀论文奖。
二、创新点
（一）改革传统的课程体系，将大学物理实验体系分为基本能力训练、综合能力训练和科研创新能力训练三个层次。
（二）编写出版与分层次能力训练教学改革配套的《大学物理实验》教材。全面推行了实验结果不确定度评价体系。
（三）编写具有创新特色的《大学物理实验教学指导书》。
（四）开设多项设计性物理实验。
（五）实行全面开放式实验教学，制作与之配套的学生网上预约管理系统和教师教学管理系统。
（六）开展了学生自制物理演示仪器活动和计算机物理实验。
三、应用情况
编写了与实验课程体系分层次、教学内容改革配套的《大学物理实验》教材，该教材全面推行了实验结果的不确定度评价体系。华中科技大学物理实验专家李天应教授评价：“此教材具有减轻学生负担、便于教学、结果评价体系超前的特点。”教材已在全院99级中开始使用。
改革传统的教学模式，变封闭式为开放式。实验教室、实验时间全开放已在全院98、99级中全面实行。
实验教学体系、内容、教学模式的改革，这在全省是超前的，我们也收到了很好的效果，通过98级的实践，学生能力素质提高显著，与97级比较，在增加试题难度前题下，98级的不及格率下降了3个百分点，均分提高了2个百分点。
进行了物理实验第二课堂教学的实践。在全院97级23个班中开展了学生自己设计制作物理演示教具的活动，制成并移交使用的教具共26套件。石油高校物理学科教学指导委员会专家们观看演示教具后，给予了高度的评价：此活动开了学生研制教具的先河。在全院95、96级自动化专业中开设了计算机物理实验，学生设计完成了2个管理软件，设计了10个智能化实验仪，设计完成了4个物理CAI软件。在学生中开设计算机物理实验，是重点高校实验课程改革的方向，这在全国高校也是走在前列。
此项目的成果不仅应用面广，而且提高教学质量效果显著，在高校物理实验课堂内外的教学中培养学生的能力素质具有普遍的实际推广意义。
