材料物理专业综合性实验教学方案的构建和实践

程学瑞 王永强

摘要：通过对材料物理专业实验教学的现状分析，就教学模式、教学内容、考核方式提出了综合性实验教学方案。实践证明材料物理专业综合性实验的开设，充分调动了学生的积极性和主动性，强化了学生实验技能的设计性和综合性训练，从而加强了学生的实践能力和创新意识，提高学生的综合素质。

关键词：专业综合性实验；创新型人才；实践能力；综合素质

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）09-0244-02

一、引言

材料物理一门物理学与材料学交叉学科，以理论物理、凝聚态物理和固体化学等为理论基础，利用物理和化学的研究方法和表征技术，研究材料结构与材性能之间的关系，并运用这些规律改进材料性能，研制新型材料。该专业不仅要求学生掌握物理学和材料科学基础理论，还要求学生熟悉现代分析技术和研究手段。因而，实验教学是材料物理专业教学体系中的一个重要环节。通过实验教学，学生不仅要掌握基本的实验技能，更重要的是能够独立操作和设计实验，具备独立分析问题和解决实际问题的能力。因而，如何完善材料物理实验教学体系，提高学生的综合实验能力、创新能力和科研素养，是当前面临的一个重要问题。

二、实验教学现状分析

材料物理专业学生实验分为基础实验和专业实验两部分，基础实验即大学物理实验，开设时间为二、三学期，通过实验现象的观测，掌握基本知识、基本方法和基本技能，加深对物理原理的理解。专业实验的开设时间为四、五学期，辅以相关的理论课程，使学生掌握材料的常用制备技术、相关仪器的原理和使用方法。然而，基础实验和专业实验只是所学知识的重复、验证和再现，目的旨在加深学生对已学知识的理解，但是仍然存在一些问题。

首先，教学模式为传统的教师授课模式，仍然以教师作为主体的传统的接受性学习的学习方式。授课方式通常以班级授课为主，一两个老师负责全体学生，工作量大，不能够深入每个实验的每个细节。实验内容上，不论是基础实验还是专业实验，都是验证性实验为主，各个实验相对独立，缺乏连贯性，学生只用按照教师和教材的要求，按部就班，即可完成实验，存在重理论轻能力培养的问题。而且，实验内容陈旧，与工程实际脱节。考核上，仍然以提交书面实验报告为考核形式，考核重点仍在实验原理的理解、仪器操作是否得当、数据处理的正误。该考核方式太过于形式化，并没有全面地考核到学生的综合能力。

因此，现有的实验教学体系侧重于培养学生实验操作和数据处理等基本的实验技能，缺乏设计性、综合性和研究性。学生缺少对实验过程和实验结果的思考和分析，难以激发学生独立思考的兴趣和激情，对学生创新能力和综合能力的提高是有限的。

三、综合性实验教学方案的构建

针对当前实验教学中存在的不足，我们专业结合自己的实际情况和科研平台，在已有的基础实验和专业实验的基础上，尝试在第六学期和暑假开展了综合性物理实验。综合性实验旨在将实际问题、教师的科研内容和现代分析技术融入实验教学内容，突出基础技能与实际问题相结合，充分调动学生的积极性和主动性，强化学生实验技能的综合性训练，加强学生的实践能力和创新意识，提高学生的综合素质。

教学模式：与以往实验模式不同，综合性实验以学生为主体，采用教师引导下的学生自主实践探索为主的教学模式。教师将自己的熟悉领域和科研内容引入到实验教学当中，设计不同的题目供学生选择。学生自行选择课题，主动地查询相关文献并制定实验方案。指导教师采取启发式、提问式和研讨式教学方法，指出实验方案中的不足，启发学生自行思考和改正实验方案。实验过程中学生独立操作、独立分析，尽量给学生自行实践和自由发挥的机会，在实践中提高自己的综合素质和创新意识。

教学内容：综合性实验是在基础实验和验证性实验的基础上，由老师提出问题，学生独立设计实验方案，实验过程由学生自行操作完成的一种实验教学模式，是一种介于传统教学实验与实际科学实验之间，具有对科学实验全过程进行初步训练的教学实验。学生首先根据自己的兴趣爱好和实验基础，自行组成研究小组，以小组为单位挑选实验课题和指导老师。例如，实验项目“石墨烯的合成及结构表征”，学生根据该实验的内容和任务书的要求，自己通过图书馆、资料室或者网络等途径查阅文献资料。石墨烯是热点材料之一，其合成方法有很多种，包括机械剥离法、氧化还原法、液相剥离膨胀石墨法、气相沉积法、液相剥离膨胀石墨法、有机合成法等。石墨烯的表征也有很多种，包括光学显微镜、拉曼光谱、原子力显微镜、透射电镜等。根据我们的科研平台和课时要求，学生可以选择前四种合成方法之一，并制定出本次实验的详细实验方案报告，包括实验步骤、实验仪器、原料、测试项目等。

指导教师对学生递交的实验方案报告进行审查，重点审查其实验方案的可行性和正确性，指导学生对方案进行分析讨论和完善、最终制定出一份切实可行的、合理的实验方案。依此实验方案为指导，学生进入开放实验室，指导教师首先对学生进行必要的培训，包括安全培训、仪器操作演示等，同时对学生进行相关内容的考核。考核通过之后，学生方可自行进入开放实验室，实施该实验方案和操作。实验过程及结果整理，包括处理实验数据、实验结果分析与讨论、撰写和提交实验报告，均由学生自主完成，实验小组提交实验报告。

在整个系列实验过程中，充分体现学生在教学活动中的主体地位，教师则起到辅助和指导的作用。例如，通过“石墨烯”实验项目，学生不仅能够了解制备技术，而且切身感受创新思维在的重要性。学生自己动手合成超导材料并表现出磁悬浮特性，学生会有一种成就感，激发学生的学习主动性。“LED用荧光粉”实验项目，在锻炼学生动手能力的同时，也对生活实际问题有了更清楚的认识。因此，综合性实验项目的实施，能够激发学生学习的兴趣和激情，提高学生的综合素质。

考核方式：综合性实验旨在培养学生的综合实验能力和创新能力，与验证性实验不同，综合实验的实验结果因实验题目和实验方案不同而有所差异，因而没有统一的评判标准。因此在评价标准和考核内容上主要侧重对学生综合实验能力和科学素养的评价，考核内容更多关注实验过程中的参与情况、操作技能的提高、设计和研究能力、实验结果处理与分析的能力等。综合实验报告，要求学生以科技论文的形式完成，内容包括文献概述、实验过程、性能测试、分析与讨论、结论、实验心得和建议等。实验报告的撰写过程能够充分激发学生的思考，提高学生独立分析问题的能力。在实验报告的基础上，以实验小组进行答辩和讨论，对实验过程和思路进行系统地整理，重点分析实验当中存在的问题、分析其原因和可能的解决方案。同时老师再给以点评，以扩大学生的知识面，并对实验情况和实验结果进行总结，对学生存在的不足给及纠正和指导。

四、综合性实验教学的实践

三年的综合性实验教学的实践，综合性实验教学在学生、老师中得到了积极的评价。材料物理专业学生对综合性实验表现出浓厚的兴趣，充分调动了学生的积极性和主动性。实验过程中，学生乐意投入时间和精力对自己的选题进行试验探索，个人的实践能力和综合素质得到了锻炼，同时与老师的交流研讨中，培养了自己的创新思维和科研能力，同时开阔了自己的视野，为接下来的毕业设计和研究生阶段的学习打下了坚实基础。学生在实验过程中也为实验室建设和指导老师提供了新想法和新思路，进而丰富了实验项目和实验方法。个别学生的实验样品和实验结果达到了很要的效果，在指导老师的进一步指导下，撰写发表了学术论文。通过综合实验的开设，巩固了学生的基本实验技能，学生的论文撰写能力和组织能力得到显著提升，加强了学生的实践能力和创新意识，提高学生的综合素质，为学生的考研和就业打好了基础。

我院开设材料物理专业综合实验3年来，共有6专业教师和90余名同学参与，开设实验项目36个。参与实验的同学在毕业设计中有15名获得优秀毕业论文，获奖比例明显高于未参与实验同学。另外，综合实验的开设，增加了学生的科研热情，学生考研比例有所增加，研究生录取率均在30%以上，位居我校各专业考研率首位。另外，学生发表论文5篇，其中核心期刊1篇。由此可见，综合性实验的开设有益于培养知识型、创新型、复合型人才，完全适合现代社会会高校教育的要求。

五、结束语

如何提高实验教学质量，增强学生的综合能力和创新意思，需要不断的探索和完善教学方法和教学模式。综合性实验教学是一种新的实验教学方式，在实施过程中难免会遇到暂时的困难，实验条件有限，有些实验项目需要借助其他院系的资源，实验项目数目和实验内容还需要进一步增加和完善。因此，还需要总结实验教学中的经验和教训，进一步改进和完善综合实验教学体系，充分发挥综合性实验教学的优势，达到提高实验教学质量和学生综合素质的目的。

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