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电子科学和技术专业本科实验教学改革和实践

胡永明

湖北大学 物理与电子科学学院 湖北 武汉 430062

摘 要:针对当前电子科学与技术专业本科实验教学中存在的问题,本文主要从构建新的实验教学内容、改变实验教学模式、建设高水平的教师队伍和改革评价体系等几个方面进行了探讨与分析,提出以培养学生的创新能力与实践能力为目标,通过发挥学生的主观能动性,提高教学效果和培养本科学生创新能力.

关键词:本科;实验教学;创新能力;教学改革

引 言

众所周知,创新与实践能力是当前大学生不可或缺的基本素质,提高大学生的创新与实践能力是高等教育培养的重要内容之一.实验教学作为理论联系实际的一个重要教学环节,是培养学生创新和实践能力的一个重要途径.就电子科学与技术专业来讲,如何根据自身的专业结构与实验教学的特点,把知识传授与创新能力培养融为一体,加强实验教学改革与学生综合能力的培养,是实验教学改革的重点所在.因此,实验教学内容的设计、实验方法的更新、实验教学队伍的建设及实验教学质量评价体系的建立都直接关系到实验教学效果的好坏与教学质量的高低,从而影响到人才培养的质量[1-10].

在中国的很多高校,目前仍采用的是传统的教学模式,即注重基础理论教学而轻实验教学,侧重于提高学生对基本理论知识的理解, 忽略了对学生创新与实践能力的培养[11-15].具体到本专业传统实验教学模式主要存在如下几个方面的问题:

(1)实验教学内容不新颖

由于受学时、理论教学内容及仪器设备等因素制约,实验教学缺乏自主性,在实验内容安排上更多的是基本理论或规律的验证,缺乏综合性的创新实验.此外,实验课内容比较陈旧,现有的实验项目之间缺乏连贯性.

(2)实验过程中学生主动参与程度不够

传统的实验教学活动中,学生主动参与实验的热情不高,学生只需根据教师的讲解、教材或讲义中的实验步骤进行机械操作记录,对实验本身的意义理解不透,教师的主导地位和学生的主体地位没有显现出来.

(3)实验教学队伍有待加强[16]

限于传统实验教学的体系,根据实验教学的分工,教师只需各自负责固定的几个实验项目,忽视了自身基本理论的学习和实验技能的探索,自身素质很难适应实验教学改革的需要.

(4)评价体系过于简单

对学生实验课程的成绩评价过于片面,教师往往是依据实验结果和实验报告的成绩作出判断,忽视了实验过程和创新性实验的考虑,这在一定程度上会影响学生的实验积极性.

鉴于以上情况,我院电子科学与技术专业本科实验教学将从以下几点加以改进[17-19].

一、构建新的实验教学内容体系

围绕创新人才培养目标,筛选优化知识点,逐步淘汰内容陈旧、技术落后的部分验证性实验,增加综合性、设计性试验,建立基础、综合、创新三层次的实验模块[20-23].基础实验模块主要是保证基本知识和基本技能的训练;综合实验模块主要是通过优化一门或多门课程知识点加强学生综合知识及应用能力的训练;创新实验模块主要是依托教师的科研课题,引导学有余力的学生进行探索性的实验研究,培养学生发现问题解决问题的能力.其中,综合性实验教学设计是一种完全有别于传统实验教学的新型实验教学模式, 其目的在于培养学生实际操作能力和创新能力的综合素质, 提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力.实验项目本身不在于复杂与简单,而在于创新和发展, 是以学生已掌握的有关专业知识层面上,让学生有一定的发展空间,未学习过的知识可以通过查阅相关文献资料获得,使学生的知识结构体系得到全面发展,提高学生的综合素质.

此外,在制定实验教学内容时还应围绕培养计划,遵循整体性原则、前沿性和更新性原则、开放性原则等[24].实验教学体系构建首先要满足培养计划的要求,一旦培养计划被确定,所有的教学环节都得围绕其运转.要改革实验教学体系,根据学科的交叉性和相关性,将本专业所有的实验教学进行归纳分类,作为一个整体进行统筹规划,调整实验内容,按多层次、结构化和开放式的思路构建实验教学体系,注重课程之间联系,循序渐进,逐步向深层次延伸、拓宽和渗透.实验课程体系要根据学科发展和科研成果不断更新实验内容,并注重学科的发展方向、前沿性,尤其将科研最新成果引进实验教学,以研促进,教研结合.开放型实验教学是教学改革最重要的组成部分,是强化课程的综合性和实践性,培养学生创新能力和实际操作能力的重要途径.通过开放实验室,使不同层次的学生在自己设计和独立操作的平台上,把智慧转化为创新能力.

二、改变实验教学模式方法

由单一的教师为主体转向多元化组合,针对不同的教学层次采用不同的教学方法:在基础训练模块中仍以教师为主体,夯实学生基础知识,加强实验基本技能和基本素质的培养;在综合应用模块中采用“双主模式”,即教师主导和学生主体,教师引导学生在良好实验氛围中去体验与尝试,调动学生的积极性和主动性,使学生在获取知识和技能的同时强化学生的综合能力;在创新型实验中采用以学生为主体训练模式,以小组为单位,当学生选定实验题目,可通过查文献资料、研究讨论确定实验方案并实施获得实验数据,经过深入分析最终得出实验结论[25-39].

经过几年实验教学的尝试,笔者也积累了一点经验.比如《介电常数和介电损耗随频率的变化规律》和《陶瓷材料的密度测试》这两个实验,传统的教学模式下学生将会按照教材或讲义内容依次预习、操作、获得数据并完成实验报告.实际教学过程中,在《介电常数和介电损耗随频率的变化规律》实验项目进行之前教师要求学生复习理论课程《电介质物理学》中关于Clausius-Mossotti 方程的部分内容,理解介电常数的本质.当实验结束学生得到介电常数随着测试频率增加而减小,介电损耗在特定位置出现峰值的实验结果时,通过讨论学生明白了介电常数就是表征电介质极化能力的物理量,它在本质上是物质内部微观极化率的宏观表现.极化粒子对微观极化率的贡献可以来自不同的极化机制,其中主要包括电子云畸变引起负电荷中心位移的电子极化,正、负离子在库仑力的作用下发生相对位移而产生离子极化,极性分子或极性基团沿电场方向转动而产生的取向极化以及电荷的空间积累引发的空间极化.对于具体的电介质,往往有一种或多种极化机制占主导地位.在不同的电场频率下,产生主导作用的极化机制往往也不一样.当频率很低(例如IkHz)或是为零时,所有极化机制都能参与响应;而随着频率的增加,慢极化机制会依次退出响应,介电常数就会呈阶梯状降低,且每种极化机制在退出时都伴随着一个损耗峰的出现.

在《陶瓷材料的密度测试》实验中,要求学生按照教材或讲义使用阿基米德原理测试同一种材料不同烧结温度下的陶瓷样品的实际密度,然后根据已知样品种类结合X射线衍射(XRD)数据得到晶格参数,计算陶瓷的理论密度,最终计算出相对密度.在计算理论密度时,学生必须熟练掌握陶瓷材料的晶体结构.在这个实验项目中表面看只测试了陶瓷材料的实际密度,实际上,学生通过实验也掌握了利用XRD数据及晶体结构计算理论密度的方法.最后在讨论中有学生提出,测试不同密度的陶瓷样品的介电常数,即将两个实验项目结合起来,最终尝试结果发现陶瓷材料的密度确实对介电常数有影响,而这与影响介电常数的因素主要有极化率和密度相吻合.

从上述两个例子可以看出,虽然是两个独立的基础性实验项目,但是通过不同的教学方法,即实验后的小组讨论,学生不仅能更深刻的理解实验的本质,同时能将实验内容与所学理论知识紧密联系起来,并且在讨论中找到两个独立实验项目之间的联系.在此过程中,学生学会了通过独立思考、查阅文献、主动探究、动手操作解决实际问题的能力.在这种环境中学习,能充分调动学生的主观能动性,有效培养了学生的创新思维方法.

三、建设高水平的教学队伍

专业实验室的建设除了要购置基本的设备仪器外,还应建设一支高水平的实验教学师资队伍[40,41].教师不能很好地将本科实验教学与科学研究融为一体,导致教学与科研脱节,实验教学中缺少创新思维与设备更新.因此,吸引既有较高理论水平又有较强的实践能力的教师从事实验教学,能有力地推动实践教学质量的提高[42].此外,还应该提高实验教师及实验技术人员的业务素质[43],这方面主要包括:扎实的教学基本功、较强的组织管理能力、较高的科研能力等.实验教师除了具备丰富的教学经验、较高的科研水平, 还应具备较强的事业心和责任感.高水平的教师与实验技术人员共同承担着教学实验、科研实验以及实验室日常管理工作,能充分调动实验教师的工作积极性,有力地提高实验教师队伍的整体素质.

四、改革评价体系

制定科学合理的专业实验成绩考核评价机制, 要从多方面、多角度、多种形式对实验成绩进行综合评价.具体考核学生的查阅文献能力、实验动手能力、灵活运用所学知识的能力、分析和解决问题的能力.除此之外,作为实验成绩考核的重要组成部分,在完成每个实验后,要求学生在实验报告中对实验过程与实验方法、出现的问题与应对措施, 实验改进、实验收获等予以反馈[44].

学生最终的实验成绩由两部分组成:平时成绩和期末成绩(其中平时成绩占总成绩的60%,期末成绩占总成绩的40%).平时成绩包括学生出勤、预习、查阅文献、实验基本技能操作、实验结果、实验报告等.实验报告强调规范性、实验结果和数据与原始记录的一致性,特别是对实验结果分析讨论要有深度和广度.期末成绩采用实验技能与笔试相结合的考核方式,且各占期末成绩的50%.这种考核方式不仅可以客观、公正地评定学生的实验成绩, 更有利于调动学生的学习积极性, 提高教学质量.

五、结束语

实践证明,通过改革实验教学内容、改进实验教学方法、加强实验教师队伍建设和改革实验教学评价手段可充分调动学生上实验课程的积极性,明确了实验的目的,大幅提高了教学质量.可以预测,随着今后教学改革与实践的不断深化,一定会建立起适应时代要求,更加科学、合理的实践课程教学体系,提升学生的创新能力与实践能力.

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作者简介:胡永明(1978-),男,湖北大学教授,副院长.从事电子科学与技术专业的教学与科研工作.

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