北京地区高等学校精品课程评选.

北京地区高等学校精品课程评选

《大学物理实验》

课程建设报告

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北京科技大学

二○○五年六月

北京科技大学是一所以工为主，工、理、管、文、法、经相结合的多学科综合性全国重点大学，本科年招生人数超过2500人。崇尚实践，勇于实践是北京科技大学的优良传统。大学物理实验课程则是实践教学中具有重要意义的一环。大学物理实验课程经过物理系几代教师的努力，已经形成了较好的实验室硬件设备和环境条件，浓厚的教学研究气氛和良好的师资队伍。1997年以来，在教育部“国家工科物理基础课程教学基地”、“211”工程一期和世界银行贷款之“自然科学实验中心”项目等项目的支持下，在改善物理实验硬件条件的同时，大学物理实验课程组特别注重教学理念的转变和课程内容与课程体系的改革，按照新的教学思想和改革方案，引进新的实验项目和开发具有自己特色的物理实验项目。在新的实验设备逐步到位的基础上，大学物理实验课程进行了深层次的改革，形成了“系列化与层次化的课程体系”，制定了新的教学大纲，确定了系列课程中各实验课程的教学目标、实验项目和教学方案，编写了系列配套使用的讲义。

1物理实验课程改革的总体思想

近年来，北京科技大学的办学目标转变为建立研究型大学，并朝着建设国内一流、国际著名的高水平研究型大学目标而努力。大学物理实验课程是为我校工科和理科学生开设的独立的、必修的基础课程，是理工科学生进入大学后最先接触的实践课，是学生接受系统的实验方法和实验技能训练的开端。课程中所涉及的实验知识、实验技能和实验方法是后继实践训练的基础，也是学生以后从事各项科学探索和工程实践的基础，对学生实践能力培养和创新意识的形成起着至关重要的作用。根据我校的人才培养目标，大学物理实验课的具体任务包括：1）物理实验的基本理论和知识的学习；2）实验技能的学习和动手能力的培养；3）实验数据处理能力的培养和提高；4）实验结果的综合分析和表述能力的培养；5）针对我校的研究型大学定位，突出以物理实验为载体，进行实验设计能力、实践探索精神、创新意识和创新能力的培养。

目前大学物理实验课所涉及的学生群体主要是需要一定量基本

实验训练的工科学生，以及需要较强物理实验训练的理科学生。理科物理实验的门数在物理实验室所开实验课中占的比例最大，占用的教师、实验室房屋和设备资源也较多。但这些课程每年只有一个学期开课，实验室房屋及设备资源得不到充分的利用。从实验内容上讲，理科物理实验所包含的主要是反映近代物理学进展和现代科学技术与

测试手段基本原理的综合性和设计性实验，测试手段也较为先进。为了让非物理类的学生能够更多地接触到近、现代物理学重要进展的内容，满足不同学生的学习需要，同时也合理地利用有限的人力资源和设备资源，在进行物理实验课程体系和内容改革时，我们将面向理、工科学生的各门物理实验课作为一个整体通盘考虑，开设系列化课程，以适应不同学生群体的学习要求；在教学思想上注意从“知识传授型”转向“能力培养型”，在教学过程中既注意加强学生基本知识和能力的培养训练，也注意引导学生进行探究性和研究性学习；在实验项目的选择和设置上，在保留经典的基础上努力改变物理实验的老面孔，激发学生做物理实验的兴趣，注重选择物理思想鲜明、实验内容贴近现代生活、实验手段比较先进，能够反映现代科学技术的发展与进步的综合性的实验。

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3实现物理实验课程的系列化设置

打破理、工科界限，按照实验的难易程度和对学生实验技能培养目标的要求，把大学物理实验课分成从基础到前沿，从接受知识到培养综合能力，逐级提高的I、II、III、IV、V级物理实验，并辅以专业近代物理实验（36学时）、仿真物理实验（27学时）、光信息技术实验（36学时）和传感测试技术实验（27学时）等选修课的新的系列化物理实验课程体系，工科学生必修I、II级物理实验，并可根据自己的兴趣选修仿真物理实验，IV、V级物理实验、光信息技术实验和传感测试技术实验等公共选修实验课，理科学生必修I、II、III、IV、V级物理实验，选修专业近代物理实验、仿真物理实验、光信息技术实验和传感测试技术实验等选修课。

过去，理科物理实验课是按照力热、电学、电磁学、光学和近代物理实验划分并从大学第二学期开始，而工科普通物理实验课则从大学第三学期开始。我们修改了理科物理实验课的教学计划，安排理科学生从大学一年级第一学期开始与工科二年级学生一起做普通物理实验，使理、工科的学生有机会在同一个实验室里合作实验，有利于不同学科背景的学生相互间交流和影响，有利于思维方式和知识的交叉融合，而且提高了教学资源的利用率。

在实验内容安排上，将理科力热、电学实验、部分光学实验、部分近代物理实验和工科普通物理实验加以整合，形成理、工科通修的I、II级物理实验课；更新和整合理科电磁学实验、理科光学实验、

理科近代物理实验，使理科物理实验仍然成为一个完整的体系，形成III、IV、V级物理实验；将理科IV、V级物理实验中的部分实验项目作为公共选修课向非理科学生开放，满足对物理实验有浓厚兴趣的非理科同学的学习要求，为其提供了解现代科学技术与测试手段的基本原理、提高实验技能的机会，同时也使理科物理实验的设备得到较充分的利用（表1列出经过近几年教学研究与改革后确定的V级物理实验设置方案，其中打*号的项目为非物理类专业学生近代物理实验公共选修课实验项目）；开设大学物理仿真实验公共选修课，充分发挥仿真实验软件三维动画和实时仿真的特点，使学生能够较为直观地了解复杂、抽象的实验原理，并可借助仿真实验取得适当扩充实验内容、扩展覆盖面的效果。开设光信息技术实验和传感测试技术实验公共选修实验课，与现代科学技术接轨。

*：非物理类专业学生近代物理实验公共选修课实验项目

4建构I、II级物理实验课的层次化教学体系

在系列化物理实验课程设置中，I、II级物理实验课是理、工科学生的必修课。课程总学时数为60学时，分两学期完成。近几年我们对I、II级物理实验课进行了力度大范围广的改革和整合：1）重新整合实验内容，建构层次化教学体系

彻底打破过去按力、热、电、光等学科设置实验项目的界限，依据教学目标，实验难易程度和对学生的实验知识、技能的要求，将课程分为三个层次：（I）基础实验，（II）应用物理实验和设计实验，（III）综合性实验。三个层次的实验不是截然分开，而是具有一定的重叠与交叉，形成了从低到高，从接受知识到培养综合能力，逐层提高的新的层次化课程体系。其中，基础实验主要为基本物理量的测量、基本实验仪器的使用、基本实验技能和基本测量方法的学习训练与误差分析等；应用物理实验和设计实验涉及到力、热、电、光等物理技术的一些应用和小型设计实验；综合性实验则是以现代物理实验技术为主，涉及到多方面的应用技术。

新的I、II级物理实验课实验项目设置方案是基于以下三方面的要求：⑴所选实验的物理思想要鲜明；⑵实验内容、测试手段要有时代气息；⑶适当加大综合实验的比重。例如，由我校教师根据自己科研工作中所使用的仪器开发的“直流溅射法制备金属薄膜”、“金属薄膜电阻率的测量”、“磁性薄膜的磁电阻测量”、“金属薄膜生长过程中薄膜电阻的动态监测”等实验，使学生在普通物理实验阶段就接触到了当今材料科学领域中的重要领域之一--薄膜材料领域中的薄膜材料制备技术和电学、磁学性质测量技术，向同学们提供了一个了解和进入薄膜材料科学研究领域的机会。高温超导材料电特性测试实验综合了温度测量、小电阻四端法测量等实验内容，把普通物理实验的温度范围一下子扩展到了液氮温度（77K），同时使学生在实验中接触到了当前科研领域中的热点问题。在霍尔效应实验中去除了电位差计，改用目前科研与生产中广泛应用的数字表测电压，使普通物理实验技术与科研及生产实际更紧密地结合。而良导体热导率实验不

仅使同学们了解和掌握了一种利用热波来测量良导体热导率的新方法，还采用了计算机采集数据，使普通物理实验更具有现代化气息。表2给出了目前的I、II级物理实验课程实验项目设置方案。

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除了实验项目分层设置外，在每一个实验的内容要求上也分为基本要求和提高选作要求，实现因材施教。

2）转变教学理念，突出研究性学习

在教学过程当中，我们注意转变教学理念，注意从“知识传授型”转向“能力培养型”，除了在III、IV、V级物理实验中加强研究型教学以外，我们特别探索了在涉及到2000多人的入门级物理实验--I、II级物理实验课中如何拓展普通物理实验教学的功能，如何从预习、课堂实验到学期成绩考核等环节一致地加强学生自主性、研究性学习的问题，形成了一套可操作性较强的做法，使入门级物理实验在创新型人才培养中充分发挥作用。我们采取了如下一些具体做法：（1）改变预习要求，将学生定位为实验设计者。我们把每一个具体的实验项目都视为一个载体，通过这一载体，不仅要使学生熟悉基本实验仪器、基本实验方法，熟悉数据采集、处理、分析和表达的方法，同时要培养学生的观察能力、思维能力、分析能力和综合能力。为了将预习环节做到位，我们要求学生把自己定位于实验设计者的位置，在课前要根据讲义中提供的资料、相关文献以及网上提供的有关仪器信息，搞清楚要解决的问题，拟好自己的实验方案和实验步骤。课堂上，教师除了简单讲解注意事项外，要和每个同学就其要解决的问题和实验方案进行讨论，对存在的问题提出修正和建议。这种方式促使学生从一开始就成为整个实验过程的主体，他必须在课前没有教师帮助的情况下，借助已有的资料信息，经过较为深入的思考，独立自主地提出要解决的问题和解决问题的初步方案，而不再能够像过去一样根据老师课堂的讲解被动地完成实验。通过一对一的讨论，教师既能

够督促检查学生课前的探究性自主学习的效果，还可以根据学生的具体情况有针对性的提出建议。（2）倡导探究性自主学习，加强讨论环节。除了在预习环节倡导探究性自主学习和加强讨论以外，我们还在课堂实验过程和实验数据检查环节加强了引导和讨论。我们注意在课堂教学过程当中，把科学研究的各个元素渗透进来，注意引导学生进行探究式的工作，学习改变实验条件看结果或现象变化的研究方法，通过实验结果和数据的分析，让学生自己得出结论。例如，在迈克尔逊干涉实验当中，实验讲义要求学生数1000根条纹，有学生提出测100根条纹行不行，教师当即引导该同学作了不同条纹数目对于测量误差的影响的研究；在全息照相实验中，有的同学对实验室给出的曝光时间提出疑问，有的同学对怎样调节光路才能获得效果良好的全息像有浓厚的兴趣，有的同学很想知道多次曝光会产生什么结果，教师就引导同学对自己的问题设计出实验方案，并提供一定的耗材支持，让同学们通过实验自己找出答案；在夫兰赫兹实验中，要求把炉温控制在一定温度范围，有同学提出炉温如果不在指定的范围对实验现象和实验结果会有什么影响，教师就引导学生测定了不同炉温下栅极电压与板极电流的关系，让他们自己研究炉温对实验现象的影响。这样一种教学方式，所采用的仪器设备是实验室基本上已经具备的，不要求增加很多仪器设备，实验的复杂程度和对学生的实验技能方面的要求也基本没有改变，不至于让学生感到困难得无从下手，只是由于教师敏锐地抓住了学生创造性思维的火花，因势利导，使学生们的创造性思维能够得以展开和深入，激励了学生自主探索进行研究的热情，使学生得到了更多的锻炼。这种教学方式要求教师要有一个开放的意识，不拘泥于讲义教材，允许学生出新花样，从而鼓励学生无限的创造性。检查实验数据也是一个很重要的讨论环节，在这个环节教师通过对实验数据的检查，同学生对整个实验过程情况和出现的问题进行有针对性地分析和讨论。（3）实验操作+实验报告+口头报告的综合评定方式。在多年理科近代物理实验考核方式改革经验的基础上，提出以平时实验操作+实验报告+期末口头报告（占学期总成绩的30%）的综合评价方法评定学生的学期成绩。口头报告的时间是10分钟，其中7分钟由学生就已做过的实验中的某一个实验（在进行口头报告的前一个星期以抽签的办法确定）做一个从要研究的问题、基本原理和实验过程、数据分析和结果讨论到最后给出结论的一个完整报告。口头报告里提出的实验所要研究的问题可以不局限于讲义的要求，鼓励学生有自己的想法，有自己的侧重点和特色；在3分钟答辩

时间里教师根据学生的报告情况提2-3个问题，并在“口头报告纪录纸”上记录所提的问题及简略回答。这样的安排，一个实验班（15人）所需期末口头报告时间正好是3学时，既不会给教师增加太多负担，便于在大面教学（2000多人）上实施，同时也极大地调动了学生学习实验课的积极性，学生们为了准备好口头报告，充分利用了图书馆和Internet资源,涉及到的知识范围远远超过了讲义范围。口头报告对学生的综合应用知识的能力、综合分析的能力、归纳总结的能力、表达能力以及临场应变能力都是一个很好的锻炼。这种“实验操作”+“书面实验报告”+“口头报告”的考核方式，全面考核了学生的实验能力。此项改革一经实行，就受到了学生们的热烈欢迎。

3）营造创新人才培养的多元化教学环境

引入电化教学、计算机仿真实验、网络和传统教学方式相结合的多维教学方式，努力营造创新人才培养的多元化教学环境。我们在大学物理实验网页上给出了课程主要实验仪器照片、课前预习题、参考文献、自测题和物理基础知识等；实验室墙上挂有我们精心制作的各个实验的彩色展板；实验室机房提供大学物理仿真实验课件；备有液晶投影仪方便使用电子课件；在开设物理实验必修课以外，提供系列公共选修实验课。以上措施使物理实验教学内容在时间和空间上得到了延伸。

近几年来,我们更新了大学物理实验60%以上的实验项目，扩建了大学物理演示实验室，开设了系列公共选修课，新建了大学物理实验多媒体专用教室、大学物理特色实验室、传感技术实验室、光信息技术实验室、网络与接口实验室，计算机模拟实验机房、大学物理演示实验走廊。自1997年以来，新增仪器设备800余件，价值逾500万元。

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4）在教学组织形式上全面实施开放式教学

大学物理实验课程组从1992年开始，就围绕开放实验室这个主题，对物理实验课进行了一系列有目的、有计划、有组织的系统研究和改革，至今已经形成了一整套切实可行的实验室开放环境下学生、教师、实验室人员的管理制度，有关这方面的工作1996年获得了北京科技大学本科生教学研究成果二等奖和冶金部教学改革二等奖。针对不同学科学生的培养需要，提供不同的实验项目套餐，在网上公布所开实验项目，开放时间，可容纳人数等信息，学生根据自己的主修

方向和兴趣网上选课，从而打破了多年来一个年级学生一张课表的作法，满足个性化教育要求，提高了学生学习兴趣，提高了实验教学水平。同时采取开放实验室的管理模式，还提高了实验设备的利用率，方便了学生根据自己的时间表安排实验时间。实验课成绩实行计算机管理，网上发布成绩。

5科研成果迅速转化为课堂教学内容

在教学改革实践中，我们注意将科研成果迅速转化为课堂教学内容，从软件和硬件两个方面将教学与科研结合起来。在软件方面，从观念上，不只是把物理实验教学的作用仅仅限于验证物理理论知识和训练实验技能手段，而是进一步尝试在物理实验课教学中引入科学研究的思维方式，注重培养学生分析与解决实际问题的能力，鼓励教师在实验教学活动中运用科学研究的思维方式，随时随地引导和鼓励学生发现和提出问题，敏锐地抓住他们的创造性思维火花，引入探索性思想，启发同学进行探索性研究，注重对实验现象和实验结果的分析，对可能的影响因素进行有意识的深入（穷尽性）研究，开展内容、形式多样、活泼的探索性实验，允许学生有不同于讲义的设想和方案，甚至是标新立异的想法，使学生能够自由地表现他们的创造性。为了更系统的做好这个结合，我们在新编的大学物理实验讲义中，对每一个实验除了给出基本实验内容外，都提出了数个研究性课题，供学生参考。在硬件方面，在“国家工科物理基础课程教学基地”项目的支持下，注意将教师的科学研究成果向物理实验教学转化，设计开发了既可以用于科学研究、又适合于普通物理实验教学的“直流溅射法制备金属薄膜”、“金属薄膜电阻率的测量”、“磁性薄膜的磁电阻测量”、“金属薄膜生长过程的电阻动态监测”等实验，其中“金属薄膜生长过程的电阻动态监测”实验装置已经取得国家专利。在2003年1月“国家工科物理基础课程教学基地”项目验收报告会上，这些项目得到了北京大学、清华大学、中国科技大学等高校的专家们的肯定，清华大学、北京工业大学、华中科技大学、北京工商大学等学校已在他们的实验教学中引进了我们的实验项目，另有一些单位购买这些设备用于科研工作。2004年4月教育部专家组在对我校工科物理基础课程教学基地进行评估验收时,同济大学顾牧教授说，“这几个实验将科研成果和教学结合在一起，实验的各个项目既可以独立出来，又可以把几个实验组合成系列实验，既有基础性实验，又有更高

层次的综合性实验，更有利于促进学生的研究性实验思维的发展。这是很值得在全国各高校中推广的。”在“第三届全国高校物理实验教学仪器评比”中我们研发的这些实验荣获一等奖（2004年8月，长春）。

5 结构合理的师资队伍

为了更好地培养具有创新意识的人才，切实使物理实验教学从“知识传授型”转向“能力培养型”，优秀的师资队伍是关键。要培养具有积极探索、创新意识的人才，教师自身先要有这种意识。单纯搞物理实验教学，教师的水平难以提高，因此大学物理实验课程组大力倡导教师积极从事科学研究工作和其他教学工作。目前，大学物理实验课程组的教师，除了物理实验教学以外，75%的教师同时还从事科学研究工作，87%的教师从事其他课程的教学工作，这样一种机制，使我们的教师队伍具备了较好的科学研究素养和深厚的理论水平，为不断提高大学物理实验的教学水平、不断改进大学物理实验的教学内容以及在日常教学中更好地渗透对学生的能力和创造意识的培养的教学理念奠定了良好的基础和科学积累。大学物理实验课程已经形成了一支结构合理的优秀的师资队伍。在大学物理实验课程骨干教师中，有教授6人，其中博士生导师5人，副教授7人，讲师6人，教师中具有博士学位9人，硕士学位6人。

物理实验室配有9名教辅人员。我们非常重视实验室人员的继续培养，组织实验室人员参加计算机、外语、电子显微镜等方面的培训，参加全国物理实验教学研究会议和有关实验的培训。全体实验室人员积极参加教学改革和实验室建设活动，近几年70%以上的实验室教辅人员发表了教学研究论文。部分实验室人员还参加了科学研究活动，取得了一定的成绩。所有这些措施，都促进了实验室人员素质的不断提高。

2004年4月教育部专家组在对我校工科物理基础课程教学基地进行评估验收时,高度评价了物理实验课程的建设改革工作。他们指出：“以培养学生能力为核心，建立了以“基础实验”、“应用物理实验和设计实验”、“综合性实验”组成的“大学物理实验”课程新体系；建立了学生自主选课网络系统，实行了开放实验教学模式，并进行了考试方法的改革，有效调动了学生自觉学习的积极性，提高了实验教学的水平。”,“科研成果向物理实验教学转化。自行设计了内容新颖、技术先进、适合于研究型实验教学的系列新实验项目，实验设备在兄弟院校中得到了推广应用”，“构建了教学与科研相结合、学科

建设与基地建设相互促进的平台，极大地激发了教师的工作热情，促进了教学质量的提高，并产生了有特色的系列物理教学实验，具有示范辐射作用”，“师资队伍建设成效显著。以学科建设为依托，纵向建设学术梯队，横向建设课程组，彻底打破科研与教学分离、理论教学与实验教学分离的局面，形成了一支年龄、学历、职称结构合理、科研与教学相结合、团结协作、生气勃勃、有持续发展后劲的教师队伍。”

6 课程继续建设工作

1）系统研究在大学一年级开设物理实验课的实验设置与教学方案

在进行教育部“材料类专业人才培养方案及教学内容课程体系的改革的研究与实践”（即大材料试点班）的实验教学改革工作时，中国科学院柯俊院士曾一再提出大学物理实验课可否在一年级开出。一年级的课程安排通常是比较轻松的，若在一年级就开始物理实验课，有助于均衡安排四年的课程。随着物理实验逐渐脱离“验证理论”的附属地位而成为一门教学目标明确、内容体系独立的课程，适当调整课程要求后在一年级开出是有可能的。此外，课程中涉及到部分略微超前的知识，也能促使学生积极查找资料自学一些新的知识，树立“对教过的知识要掌握并运用，对没教过的知识在需要时也应该能够通过自学掌握和运用”的观念。它有助于培养学生的独立学习能力，而不是仅仅依赖于教师的灌输。我们将系统研究在大学一年级开设物理实验课的教学方案，重点解决好一年级学生物理知识和数学知识衔接不上的困难。

2）大学物理理论课与实验内容的整合工作

我系承担了教育部《大学物理理论课与实验课的整合》的教改项目，尝试将大学物理理论课与实验课内容有机整合，进一步精选实验项目，更大力度地加强近代物理实验和小型研究性实验项目的规划、设计和实施。在试验的基础上，形成新的大学物理理论课与实验课的设置方案、教学大纲以及相应的教材等。该项目已经通过教育部专家组的验收，我们将进一步研究如何推广的问题。

3）设计开发具有自主知识产权的实验项目

在已有工作的基础上，完善和推广已开发的实验项目，并继续鼓励教师将自己的科研成果向实验教学转化，如将我系教师“光弹调制差分反射分析系统”的科研成果向实验教学转化，开发测量磁性材料

磁特性的磁光效应实验装置，测量透明介质和吸收介质（金属）折射率的实验装置等。

4）系统地建设和完善与物理实验教学配套的电子课件、网络教学资源。