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提高创新能力 多效多举,提高学生创新能力

来源:音频视频 发布时间:2019-06-22 04:09:13 点击:

  编者按:   熊永红教授是华中科技大学国家物理实验教学示范中心(以下简称“中心”)和大学物理实验国家精品课程的负责人。2008年以来,她带领中心4年上了4个新台阶,承担国家级、省级和校级教学改革与实验室建设项目22项。中心一直坚持以创新教育为导向培养有创新意识和能力的拔尖人才,积极探索创新人才培养与物理实验研究性教学的内在关联性,培养出了很多物理方面的创新人才。下面就请大家通过我刊(http://www.cmee-online.com)对熊永红教授的专访,走进华中科技大学国家物理实验教学示范中心,解读中心的发展革新之路。
  熊永红,教授。现任华中科技大学大学物理实验国家精品课程、国家物理实验教学示范中心和基础物理课程国家教学团队负责人。兼中国高校实验物理教学研究会常务理事,中国物理学会物理教学委员,湖北省物理实验教学示范中心联席会理事长和全国中学生物理竞赛湖北省竞赛委员会副主任。
  熊永红教授自1983年起一直工作在教学和科研的一线,年均担任本科生教学工作量超过400学时,近年来指导本科生发表研究论文10余篇,获国家专利2项,指导本科生获全国物理实验竞赛等国家和省部级学科与学术竞赛奖10余项,研制教学仪器10余种(全国评比获奖仪器7项)。获得过国家教学成果一等奖1次、省教学成果特等奖1次、省教学成果一等奖2次和二等奖1次,先后获宝钢优秀教师、湖北省教学名师和国家教学名师奖。
  在“Phys. Rev. B”“ J. A. C.”“ J. Phys. C”“ J. Phys. D”“ J.M. M. M. ”和《物理实验》等国内外期刊上发表科研和教学研究论文70余篇,其中SCI收录40余篇。
  :2005年教育部启动了“高等学校实验教学示范中心建设和评审工作”,促进了高校实验室建设,提高了实验教学水平,您能谈谈中心的建设理念吗?
  熊永红:自2008年中心被评为国家级物理实验教学示范中心建设单位以来,学校在经费、设备和队伍配置上给予了极大支持,教育部质量工程和985项目、实验教学改革项目等经费的支持(总投入超过770万元),为中心发展提供了有力的外部环境。学校深知一流大学不仅要有一流的设施,更需要一流的教学团队。为此,学校制定了一系列政策和激励措施。对实验室教学队伍建设、体制改革、管理信息等方面作了明确规划。鼓励高水平教师从事实验教学,积极支持青年骨干教师和实验技术人员对外合作交流,对参加教改与实验中心建设的人员在成果认定、职称评定、劳务提成等方面采取与科研工作同等对待的方法,有效地调动了教职工参与实验中心工作的积极性。
  物理实验是大学生进入高校后的科学实验训练的入门课,中心坚持以学生为本,将知识传授、能力培养、素质提高、全面发展的教育理念贯穿于整个物理实验教学全过程。注重培养学生对基本物理思想的理解,对基本实验方法的熟悉,对基本实验技能的掌握;培养学生分析问题、解决问题的能力;培养学生提出问题的能力,增强创新意识。中心进一步加强了国家教学团队、国家精品课程和国家物理实验教学示范中心的建设,开展了一系列实验教学改革和教学研究。
  :请您从中心现有仪器设备中, 选择1~2件对提升本科生综合实验能力、创新意识和精神有帮助的自制仪器,作为教学案例加以介绍。
  熊永红:中心鼓励本科生积极参加教师的教改项目,参与教与学的研究、参加教学仪器的研制和改进,注重在设计和研制仪器的过程中,培养学生深刻理解实验原理、科学思维能力和解决实际问题的能力。学生参加研制的多种新仪器,在全国物理实验教学仪器评比和全国实验教学仪器评比中多次获奖,既满足了本校物理实验教学的需求,还推广到全国十多所高校,获得良好的教学效果。例如:
  1.热辐射与红外扫描成像仪
  热辐射是19世纪发展起来的新学科,至19世纪末对该领域的研究达到顶峰,以致于黑体辐射和光电效应成为量子论的诞生经典实验。中心引导本科生参加热辐射与红外扫描成像仪的设计和研制,让学生来了解众多科学家对热辐射问题的认知过程,了解基尔霍夫定律、斯特藩-玻耳兹曼定律和维恩位移定律,了解普朗克 “黑体辐射公式”的物理含义。重温这些经典实验,深刻理解科学家的创造性思维方法和高超实验技艺对培养当代大学生的科学素养和综合实验能力是大有裨益的。
  热辐射探测技术及相关的定律在现代国防、科研、航天、天体的演化、医学、考古、环保、工农业生产等各个领域中均有广泛应用。例如利用红外线成像技术,在建筑上有红外无损探伤仪和多种红外线测温仪,在军事上有各种红外夜视仪和红外制导技术,在医疗中有医用红外成像仪和红外医疗诊断仪等。
  使用该实验装置学生可以了解黑体空腔辐射器的结构和特征,理解热辐射最基础的概念和实验原理,掌握热辐射探测技术,进行基础性、综合设计性和应用探究性实验研究。
  基础性实验:(1)验证黑体辐射定律;(2)维恩位移定律;(3)测量普朗克常数;(4)测量物体辐射本领与温度的关系。
  综合设计性实验:(1)红外扫描成像;(2)热辐射传输特性研究;(3)研究物体辐射本领与物体表面状态的关系。
  应用设计性实验:(1)红外温度计的设计;(2)红外无损检测;(3)红外法测物质的冷却定律;(4)材料热辐射特性与规律研究。
  本科生在该实验装置上完成了数百篇课程论文,参加该装置研制的学生先后发表了3篇研究论文。该装置还获得一项国家专利,并获全国教学仪器评比优秀成果奖和全国物理实验教学仪器评比一等奖。
  2.混沌电路综合实验仪
  混沌是20世纪兴起的一门新兴学科。用混沌原理设计的混沌电路和同步装置,因其优异的特性,已用于保密通讯领域。
  学生从不知“混沌”和“虚拟仪器”为何物开始,在教师的引导下参加混沌电路综合实验仪的设计与研制,通过该实验装置的研制,学生不仅理解了“混沌”的含义,了解到“虚拟仪器”是由计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块和传感器的构成,而且能独立设计混沌电路,熟练地掌握LabVIEW的编程技巧,完成混沌电路综合实验仪的研制,发表了1篇研究论文。该实验装置在全国物理实验仪器评比中获得一等奖。使用该装置可以完成虚拟仿真和实时测量的实验:(1)非线性电阻测量;(2)混沌电路的演变过程;(3)混沌同步;(4)混沌保密通讯。该装置用于我校和兄弟院校的物理实验教学中深受师生的欢迎。   :课程建设与实践教学紧密联系,而且我们了解到中心在课程建设方面取得了骄人的成绩,请您简要为我们介绍中心在课程建设中所做的工作与取得的成果。
  熊永红:中心以教育部质量工程建设项目为动力,以学生为中心开展了一系列实验教学改革和教学研究,构建了以主动学习和创新能力培养为核心的物理实验教学体系,进一步提高了综合性、设计性、研究性和专题创新性实验的比例,丰富了物理实验教学中心网站和国家精品网站的教学资源,进一步完善了物理实验创新基地和DIY实验室的文化氛围与软硬件环境,加强与科研院所的合作,建立实习基地,中心与美国国家仪器公司、美国海洋光学公司建立了联合实验室,逐渐扩大了参与创新性实验项目的学生覆盖面,形成了自主式、研究式为主的学习方式,提高了学生自主学习能力和创新能力。
  2008年以来,中心承担国家级、省级和校级教学改革与实验室建设项目22项,4年上了4个新台阶:2008年大学物理实验国家精品课程,2009年湖北省物理实验教学团队,2010年基础物理课程国家教学团队,2011年1人获国家教学名师奖。获得国家级教学成果奖励1项,省级教学成果奖励3项,发表教学研究论文35篇,中心自制仪器在全国教学仪器评比中有10项获奖,出版国家“十一五”规划教材3本。
  :贵中心在建设过程中形成了哪些突出特色?
  熊永红:1.依托创新实验平台,培养拔尖创新人才
  以创新教育为导向培养有创新意识和能力的拔尖人才,积极探索创新人才培养与物理实验研究性教学的内在关联性,并与美国国家仪器公司和美国海洋光学公司建立了联合创新实验室,不断完善物理实验创新基地的软、硬件环境。
  以项目为牵引构建师生一体化自主学习和实验研究团队;学生不仅是被教育对象,也是教改项目的主体和参加者,导师是团队的成员和引领者,将教师科研团队的部分子课题,或物理实验教学中激发出的“设想”,或物理创新基地DIY实验室建设的需求,转化成若干研究“问题”,引导学生展开深入的实验研究,遴选出优秀的项目申报国家大学生创新实验计划项目;引导学生积极参与基地和教学研究平台的建设,自制教学仪器,通过参与平台建设和主动实践,增长才干。以物理实验创新基地2007级学生为例:整体成绩优异,保送研究生比例达到90%,其中4人保送清华大学、北京大学,5人保送中国科学技术大学、中国科学院、上海交通大学等,还有5人到美国杜克大学、美国卡梅基内隆大学等深造。而早期的基地成员已在“Science”“PRL”等期刊上发表了多篇研究论文。
  物理实验室
  2.多元化全开放的教学模式解决了量大面广的实践性基础课难以因材施教的矛盾
  1988年我校率先打破了物理实验传统的封闭式教学模式,进行了开放式教学模式的探索。中心立项以来,我们进一步完善了开放式教学系统,已将这种开放模式从教室拓展到网络,从课内拓展到课外,充分利用有限的教学资源,较好地解决了我校物理实验教学量大面广(64个专业、7 000余本科生)、难以因材施教的矛盾。
  例如:中心网站对于每项实验都有详细介绍,包括仪器的使用说明、实验要求以及背景介绍,学生可以提前预习,增加对实验内容的了解,学生可根据自身学科的特点、兴趣爱好和时间选择适合自己的实验项目,激发了学习热情。学生之间、师生之间可通过多种方式(课内课外、互动平台)开展交流和讨论,学生可进一步在创新实验室进行自主研究。
  又如:中心教师在物理实验教学过程之中,注重启发式、提问式、互动式、讨论式、项目式和专题式等各种教学方法的灵活运用,在课程安排、授课形式、训练模式和考核方法等环节上实行了多元化教学,增强了学生观察问题、提出问题、分析问题和解决问题的综合实验能力,部分优秀学生还能将在物理实验课程中激发的“灵感”转换成大学生创新性实验计划项目或课外实验研究项目。
  3.高水平的教学引领
  “科学研究引领教学,培养学生创新能力”是我校的传统。1978年,老校长朱九思就提出:科学研究对于教学来说,是“源”与“流”的关系。中心为加大创新人才培养力度,将教学内容与科研密切联系,逐步将教师的高水平科研成果转化为实验教学内容,同时把一些科技前沿的热点问题融入实验教学之中,实现了基础与前沿、经典与现代的有机结合。
  :请您谈谈担任中心主任以来的工作感悟。
  熊永红:实验中心是“麻雀”,虽小,但五脏俱全,工作涉及方方面面。调到华中科技大学十余年,每天在实验室待上10多个小时,总有做不完的事情,虽说取得了一点成绩,但全靠学校各级领导、教学团队核心成员和中心全体教职同仁的大力支持,还要特别感谢和我一起学习与成长的学生,每当我收到国内外深造或工作的学生来信他们近况或成绩的时候,我就倍感幸福,与中心同仁和学生一起经历过的“酸甜苦辣”都成为了最美好的回忆。我也快到退休之年了,衷心希望华中大学物理实验中心越来越兴旺发达,取得更大的成绩。

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