大學物理實驗教學改革的背景與思考本世紀以數字化為核心的信息技術的高度發(fā)展，預示人類社會在21世紀又將經歷一次重大變革。如果說前世紀的工業(yè)革命使人類從依靠體力的勞動中擺脫出來，那么今天的信息革命將使人類社會從繁雜的形式化腦力勞動中解放出來，大規(guī)模memory的記憶容量，計算機的運算速度，Internet網的交互管理能力，智能數據庫、CAD等各種應用軟件的功能，以及它們的準確性都是人腦所不能比擬的，21世紀人類對待這類腦力勞動如同操縱機器完成體力勞動一樣簡單。也就是說將來的腦力勞動性質將發(fā)生深刻的變化，站在這個角度來思考對未來科技人才培養(yǎng)的目標，它應該是具有對所學知識的凌駕程度，具有對知識的探索，應用開發(fā)能力的新型腦力勞動者。但是，我們的理工科教學長期受到教學條件、環(huán)境和師資水平的限制，因襲多年的傳統(tǒng)教學模式客觀上引導學生向形式化，記憶型方式學習，過重的學習負擔也制約了學生的創(chuàng)新能力及科學素質的養(yǎng)成。物理學在人的科學素質培養(yǎng)中具有重要的地位，物理實驗課程曾經為培養(yǎng)20世紀的優(yōu)秀人才作出了卓越的貢獻，實驗為物理學的基礎，它反映了理工科實驗的共性和普遍性問題。當我們從21世紀培養(yǎng)合格科技人才的角度看，當前物理課程體系與教學內容與新世紀的新觀念、新的思維方法及交叉學科的發(fā)展不甚適應。本世紀中葉以來，以計算機信息科學技術、生命科學、空間科學、材料科學等為代表的新的科學技術革命，極大地加速了科學技術的發(fā)展和各學科之間的相互交叉和滲透，新的綜合化趨勢已成為科學發(fā)展的主流。因此，高等教育人才培養(yǎng)的思路必然要適應這些變化，課程體系，教學內容和教學方法、手段必須由封閉型向開放型轉變?；A物理實驗作為大學生在進校后的第一門科學實驗課程，不僅應讓學生受到嚴格的、系統(tǒng)的實驗技能訓練，掌握科學實驗的基本知識、方法和技巧，更主要的是要培養(yǎng)學生嚴謹的科學思維能力和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學生理論聯系實際、分析和解決實際問題的能力，特別是與科學技術的發(fā)展相適應的綜合能力，因而實驗教學應該面對時代的發(fā)展，科技進步的新趨勢和新挑戰(zhàn)，不斷有所創(chuàng)新。只有這樣，才能適應社會對人才知識和科學素質越來越高的要求。根據上述的想法，我們反省目前教學上存在的弊端如下：長期以來，我國大學基礎實驗教學基本上處于一種封閉的狀態(tài)，多年不變的教學體系和教學內容與當今飛速發(fā)展的前沿科學新理論，新技術嚴重脫節(jié)，陳舊落后的實驗教學設備，因襲多年的傳統(tǒng)教學模式、方法和手段更是遠遠落后于科學技術進步的步伐。就大學物理實驗而言，原有的大學基礎物理實驗被分割為普通物理與近代物理兩門獨立課程，其中普通物理又被分為力、熱、電、光等各自獨立部分?；A物理實驗實際上只是處于課堂教學的從屬地位，其內容往往只是教科書上已有的基本物理規(guī)律、定律的簡單重復。二十世紀后期，科學技術發(fā)展的巨大成就很少能在基礎物理實驗中得到反映。因此，學生對基礎物理實驗課越來越感到枯燥無味，相當嚴重地阻礙了學生學習的積極性、主動性、創(chuàng)造性以及現代科學思維方法的形成。對本科生的實驗教學一般一項實驗課時是3—4個學時，在這樣一個很短時間內要學生了解實驗原理、儀器原理、熟悉儀器的操作使用并完成實驗是不太可能的，沒有辦法只好在實驗教學過程中教師對實驗原理、實驗步驟、儀器操作方法等盡量交待清楚一點，讓學生自己思考的太少，很多學生是盲目操作，走了過場，這實際上是一種呆板的模仿型教學。現代科學技術的創(chuàng)新都是在實驗室里產生的。目前大學本科開設的有些物理實驗是當時科技發(fā)展的突破性成果。有的實驗對物理概念的深化、發(fā)現、總結規(guī)律和對規(guī)律本質的解釋做出了歷史性的巨大貢獻。但教學中沒有作太多講解，學生認識不到當時科學家為什么要設計這樣一個實驗，科學的概念和規(guī)律是怎么產生的；還有一些實驗成果為后來的科技發(fā)展開辟了新的研究范圍，派生出很多研究方向，但在教學中也沒有通過這些例子介紹學科的相關性，展寬學生的思路；有的實驗成果則產生了一個新的科學領域或者一個新的產業(yè)，但在我們教學中沒有介紹當時的科學技術背景和經濟背景，學生不了解當時的科學家和工程師怎么聯想到它的應用方向，以及發(fā)展過程。這些內容是培養(yǎng)學生科學素質、創(chuàng)新意識的重要環(huán)節(jié)和很好的教材。物理學是以實驗作為基礎的科學，它的概念和規(guī)律是通過實驗形成的。愛因斯坦把物理理論稱之為“理想實驗”的結果。在我們的理論教學中對概念的引進缺乏對實驗背景和該概念前的學科背景講解。這樣雖然學生理解了概念，但不理解概念是通過怎樣的思考、怎樣的實驗產生和進化而來。這樣的學習容易使學生把概念絕對化，形成對理論的形式化理解，這樣的學習不利于科學素質和理論聯系實際的思考能力的培養(yǎng)。從面向21世紀科技發(fā)展和人才科學素質需求的角度來考慮，物理實驗教學的改革，必須建立一種適合當代科技發(fā)展、有利于培養(yǎng)具有深厚的基礎知識的創(chuàng)造性人才的教學新體系。教學內容應反映當代教育思想和高科技成果，教學方法和手段應改變過去的單一模式，建立多級開放實驗室，滿足不同層次的學生獨立進行學習和研究的需求，采用CAI、Internet網等現代教學手段，改善我們的教學條件，形成多元化的教學環(huán)境，激發(fā)學生學習的主動性。大學物理實驗教學改革的基本內容與實踐發(fā)展教育技術，創(chuàng)新教學模式教育資源的缺乏是長期困擾教學質量提高的難題，也是教學改革發(fā)展的瓶頸。隨著時代的發(fā)展，科技進步對教育提出越來越高的要求，對人才的創(chuàng)新思維和實踐能力的培養(yǎng)是一種趨向個性化的教學，需要比普通公共教學占用更多的教學資源，對公共教育來講也要進一步提高教學質量和教學效益，這些矛盾只能通過發(fā)展教育技術、創(chuàng)新教育手段來解決。在這些方面，我們進行了多年的探索與研究，研制和開發(fā)一批物理教學軟件。其中，96年我們在國際上首創(chuàng)開發(fā)出第一套仿真實驗教學軟件；98年升級為Windows版本，在規(guī)模和虛擬技術水平上得到進一步提高和完善，實現國際領先水平。99年我們又推出了《大學物理虛擬實驗》的Internet網遠程教學系統(tǒng)，在國際和國內物理教學界都產生了很大的影響，得到了廣泛應用和贊揚。它的意義主要在如下三個方面：開創(chuàng)了物理實驗教學的新模式，該成果利用計算機把實驗設備、教學內容（包括理論教學）、教師指導和學習者的思考、操作有機融合為一體，形成一部可操作的活的教科書，為物理實驗改革提供了有力工具，同時克服了實驗教學長期受到課堂、課時限制的困擾，使實驗教學內容在時間和空間上得到延伸；作、波的特性研究、教學軟件的設計與開發(fā)等。在開放服務實驗室中，學生可利用實驗室提供的設備，自己設立題目，教師只是指導和審核學生提出的實驗方案與題目，允許失敗，最后以小論文的形式在Seminar課中上臺發(fā)表，討論和總結成功和失敗的原因，自己的創(chuàng)新點。仿真實驗室實驗室提供計算機和物理實驗教學軟件，根據實驗的特點和復雜性，與實際實驗相配合，進行多種方式的教學組合，完成各種物理實驗。主要貢獻和成果近幾年獲得省部級以上教學成果獎獎項5項97年“大學物理仿真實驗（fordos）”獲國家級教學成果二等獎。96年“大學物理仿真實驗（fordos）”獲中國科學院教學成果一等獎。97年“大學物理仿真實驗(forwindows第一部分)獲教育部全國優(yōu)秀教學成果二等獎。99年“大學物理仿真實驗（forwindows第二部分）獲安徽省優(yōu)秀CAI成果一等獎。99年“物理學CAI”獲安徽省優(yōu)秀CAI成果一等獎。多年來我們對大學物理實驗的課程體系，教學內容，教學模式，教學方法進行改革，承擔了省部級以上教學研究項目十一項：“理科實驗教學培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的研究與實踐”（世界銀行貸款21世紀初高等教育教學改革項目）“九五”國家重點科技攻關項目計算機輔助教學軟件研制開發(fā)與應用：“大學物理仿真實驗forWindows”；“九五”國家重點科技攻關項目計算機輔助教學軟件研制開發(fā)與應用：“物理學”；“九五”國家重點科技攻關項目計算機輔助教學軟件研制開發(fā)與應用：“物理實驗CAI”；教育部“九五”重點教材和面向21世紀教材：“物理實驗”（一，二，三，四冊）的編寫；“四級物理實驗教學模式的研究”（安徽省重點課題）；國家理科基地創(chuàng)名牌課程“大學物理實驗”；教育部教改項目（子課題）一：“面向21世紀高等工科教育教學內容和課程體系改革”；教育部教改項目（子課題）二：“面向21世紀教學內容和課程體系改革研究計劃”；教育部遠程教學試點課程：“大學物理虛擬實驗”；“大學物理虛擬實驗遠程教學系統(tǒng)”（安徽省教學研究課題）作為我們的教學成果近幾年研制開發(fā)的教學軟件和教材有17部，由高等教育出版社出版教材一部（共計四冊），物理教學軟件五部：“大學物理仿真實驗forwindows”（第一部分）“大學物理仿真實驗forwindows”（第二部分）“大學物理”“基礎物理學CAI”“大學物理仿真實驗forDOS”“大學物理虛擬實驗遠程教學系統(tǒng)”面向二十一世紀教育部“九五”重點教材：“大學物理實驗”（一，二，三，四冊）《幾何光學實驗設計平臺》（三維、用VR眼鏡）《天體物理學》《廣播電視大學大學物理虛擬實驗》《物理學史的啟迪》《天文概論》網絡課程《數理方法》網絡課程《微電子學》網絡課程《物理化學》網絡課程《材料科學》網絡課程《現代光學》網絡課程其中“大學物理仿真實驗forwindows”（第一部分）；“大學物理仿真實驗forwindows”（第二部分）；“大學物理”；“基礎物理學CAI”；“大學物理仿真實驗forDOS”；及教材“大學物理實驗”（一，二，三，四冊）共計六部，已由高等教育出版社出版。在國內核心雜志和重要國際會議上，發(fā)表物理實驗教學改革相關論文26篇（見附錄）推廣應用情況：從九五年我們開始啟動了新的實驗課程體系，教學內容和教學方法改革后，大大激發(fā)了學生的學習積極性與熱情，取得了很好的教學效果。98年被評為教育部首批創(chuàng)名牌課程，與新體系配套的物理實驗教材作為國家“九五重點教材和教育部面向21世紀教材將于2000年由高等教育出版社出版。在學?！熬盼濉苯涃M支持下，我校九六年創(chuàng)建了國內第一個物理仿真虛擬實驗室。近五年來我校有8千多學生受益，使物理實驗跨入了一個新水平。到目前包括香港地區(qū)的香港大學，香港中文大學，香港城市大學等以及內地150多所大學應用了“大學物理仿真實驗forWindows”，相繼建立了物理仿真教學實驗室。99年我們又推出了《大學物理虛擬實驗遠程教學系統(tǒng)》，香港大學、香港中文大學、北京郵電大學、北京航天大學等近十所大學在internet網上開設了遠程物理實驗課，并被列為教育部遠程教學試點課程。99年受日本應用物理學會邀請赴日本學會大會展示并已出資決定翻譯成日文版本。近幾年來有先后有數十所大學組團專程來我校學習和交流。我校在兄弟院校的支持下