中南大学物理实验教学中心

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一、中心发展历程

中南大学物理实验教学中心是国家工科物理教学基地的重要组成部分。中心于2000年由原中南工业大学、湖南医科大学、长沙铁道学院三校的物理实验室合并组建而成。此前，三所学校的物理实验室均于1998年通过了湖南省基础课实验室合格评估。中心于2002年被列入湖南省首批示范实验室建设行列，物理实验课程于1996年被认定为湖南省优秀课程，并于2003年再次列为湖南省新一轮重点建设课程。2004年经验收正式成为国家六大工科物理教学基地之一。2005年，物理实验中心成为湖南省普通高校首批示范实验室之一；2007年被评为国家级实验教学示范中心，此后，“物理实验”被评为国家精品课程。

中心始终以学生的实践创新能力培养为目标，以课程建设为核心，在90年代中，实验室建设和物理实验课程改革快速发展，并形成了重视教学改革、狠抓教学质量、强化实验室管理的优良传统，经历了学校重点—省级重点—国家级基础课教学基地的“三级跳”。

自工科物理基地建立以来，实验中心累计投资1943万元（其中：教育部基地建设教学专款81万元，学校从“211”工程、“985”工程建设经费以及学校的教学设备费中配套投入1800余万元），分别用于设备购置、实验室改造、教学研究的经费为1729万、150万、64万元，使实验室的软硬件环境得到彻底改观，并在实验教学和人才培养中发挥了很好的作用。

二、实验教学理念与改革思路

1.以现代教育理念指导物理实验教学改革

在实验教学理念上，以学生为本，强调自主博学，实行科学精神、实践能力和创新意识培养的统一，促进“三个转变”（即使学生从知识的被动接受者转变为知识的主动探索者，使单纯的知识传授过程转变为知识、能力、素质协调发展的培养过程，使注重共性教育转变为注重个性教育）。体现在以下几个方面。

（1）通过实验教学各个环节，培养学生的严谨的科学态度、实事求是的科学作风、主动探索和团结协作精神，加强学生的科学实验基本技能的训练，使学生掌握实验科学的思想和方法，提高学生科学思维能力和实践创新能力，造就全面和谐发展的高素质人才。

（2）开展研究性、开放式教学，发展学生的学习能力，为其终生学习奠定坚实基础。通过物理实验课程的学习，使学生掌握科学有效的学习方法。引导和鼓励学生的创新实践活动，为学生提供个性发展的空间和主动学习的环境。

（3）将物理实验教学改革同科技发展结合起来，将物理实验对人才的培养同社会经济发展需要结合起来，走出一条教学、研究、开发与人才培养一体化的创新之路。

2.改革思路

改革的总体原则是通过集成创新，实现整体优化。加强实验室建设，构建适应创新型人才培养的多层次、系列化的物理实验教学体系，将现代化教育技术和现代化教学模式有效地用于实验教学环节，全面实现教学内容、教学方法和教学手段的现代化，提高实验教学和人才培养质量。

在教学改革中注重三整合一协调。三整合是：物理实验课程内部各教学要素的整合（教学内容、教学手段、教学方法等），物理实验课程与物理理论课程的整合，跨学科的实验类课程整合。一协调是：教学改革中，以学生创新能力培养为核心，促进知识传授、能力培养和素质提高协调发展（在知识方面，使学生掌握基本的实验方法、实验技能、实验的基础理论和现代物理实验新技术知识。在能力方面，培养学生的综合实验能力、实验设计能力和研究创新能力。在素质方面，培养学生的创新意识、科学态度和探索精神）。

三、实验教学体系与内容

中心建立课程系列化、内容层次化、结构模块化的物理实验教学新体系。

1.课程系列化

实验中心开出系列化的物理实验课程，使学生在整个大学阶段甚至在研究生阶段都能持续系统地接受物理实验训练。通过这些课程的学习和训练，增强了实践能力，为学生的创新能力培养打下良好基础。为了满足不同专业、不同层次、不同兴趣爱好的学生的需求。为此中心开设了以下系列课程：

（1）物理实验Ⅰ（64学时）（低年级本科生大部分专业必选）

（2）物理实验Ⅱ（48学时）（低年级本科生部分专业必选）

（3）物理实验Ⅲ（40学时）（医学专业必选）

（4）近代物理实验（64学时）（应物、材物学生必选）

（5）工程物理量测量方法（32学时）（高年级本科生自选）

（6）误差理论与数据处理（16学时）（高年级本科生自选）

（7）现代物理实验技术（32学时）（本科生自选）

（8）物理学与高新技术（24学时）（全校本科生自选）

（9）物理实验竞赛实训（24学时）（部分学生自选）

（10）物理创新实验讲座（16学时）（学生自选）

2.内容层次化

突破按物理学分支学科设置课程的传统体系，以培养学生的实践能力和创新意识为宗旨，以加强基础、循序渐进、全面提高为原则，构建以“五个层次”（引导实验、基础实验、综合性实验、设计性实验、研究创新性实验）为整体构架的“物理实验”教学新体系。

“五个层次”的实验各具明确目标：

引导实验：以开阔视野、激发兴趣为目的，设有“物理科技馆”、“物理演示实验室”、“物理示教实验室”，可实际操作的实验项目200余个，可放映100多部科技小电影及包括最新科技成果在内的图像资料，为实验预习提供实物和环境。

基础实验：使学生接受“基本知识、基本方法、基本技能”的训练，学习并掌握常用实验仪器使用、基本物理量测量、误差理论与数据处理等方面知识。为综合性、设计性实验打下基础。

综合性实验：体现力、热、声、光、电、磁、核等物理知识的综合运用、多种测试方法和技术手段的综合使用。开设了综合性实验项目34个，为各专业学生提供了广泛的选择余地，成为培养学生综合实验能力的重要环节。

设计性实验：在明确实验目的、要求和提供实验设备器材的条件下，由学生自行选题、自拟方案、自选仪器、自主进行实验设计与操作，通过设计性实验培养学生的实验设计能力、独立实践能力。

研究创新性实验：从科学研究的实际过程出发，引申和提炼问题，进行研究性质的创新探索。由教师引导，学生确立选题，充分利用实验室资源，完成实验过程、撰写小论文或实验研究报告。

3.结构模块化

在物理实验教学体系中，注意共性的提炼，加强内容整合，进而形成具有“大综合”特色的8大物理实验模块。引导学生将分散在不同实验中的知识、测试技术、测量方法加以梳理，以共性为脉络，进行串联，突出对学生综合实验能力的培养。同时也有利于学生选修实验项目。具体如下：

（1）共振实验模块：在核磁共振、光磁共振、电子自旋共振等实验中深度挖掘其原理上的共性，由此构成了知识综合的“共振”实验模块；

（2）超声实验模块：由超声测速、超声测厚、超声成像与探伤等实验构成了应用综合的超声实验模块；

（3）光谱实验模块：由红外光谱、可见光谱、紫外光谱、X光谱、喇曼光谱等实验构成了技术综合的光谱实验模块；

（4）工程物理量测量实验模块：由材料强度、弹性系数、电导率、磁导率、居里点、热学参数、光学特性、物质微观结构等测量构成了工程物理量测量实验模块；

（5）血液参数测量模块：血液组分浓度测量、血液散射系数测定、血液粘滞系数测定、血液吸收光谱测量实验构成了血液参数测量模块；

（6）光纤应用实验模块：光纤传输实验、光纤色散系数测量实验、光纤衰减系数测量实验、光纤光栅调制实验等构成了光纤应用实验模块；

（7）传感器模块：压力传感器、液位传感器、位移传感器、生物传感器等构成了传感器实验模块。

（8）电子技术模块：D/A转换、电子综合实验、万用表的制作、PN结物理特性测试、电学设计实验、LED特性测试与应用研究、半导体材料电学特性研究构成了电子技术模块。

在构建教学体系时，中心注意：

（1）在实验项目的建设上，重点建设综合性、设计性、研究创新性实验，使“三性”实验的比例大幅度提高。教学实施过程中，先做基本实验（必做），然后进行选做实验。由基础性训练到综合设计性训练再到研究创新性训练，层层递升，改变以往只注重知识传授而忽视能力培养的倾向。

（2）实验课与理论课教学内容有机结合。物理实验虽然独立设课，但实验教学内容、项目设置、学时计划、进度顺序安排要与理论教学协调衔接，有的实验在理论教学之前能使理论课讲授更透彻，有的实验在理论教学之后能使学生对物理学原理理解更深入；物理实验系列选修课与大学物理及选修课密切配合；引导实验层次既是物理实验最基本的内容之一，也是理论教学的重要辅助手段。

（3）寻求传统实验与现代实验在实验基本方法、原理、操作技术和创新意识培养等方面的结合点，使传统实验体现现代气息，使现代实验体现基本方法和技能。

（4）实物实验为主、仿真实验为辅，必做与选做相结合，实验项目数量充足，按专业需要和兴趣爱好给学生留有大的选择空间。

（5）突出以学生为本的改革宗旨，在教学整体安排上给学生提供根据专业、兴趣爱好自主选择的余地。

4.物理实验教学与科研、工程和应用紧密结合

加强物理实验教学与科研、工程和社会应用的联系，主要体现在：

（1）开设工程物理量测量实验项目。物理实验涉及到许多物理量的测量问题，其测量原理、方法和技术在工程应用中十分重要。为此，中心在国家工科物理建设之初，就将工程物理量测量实验室作为特色项目进行规划建设，目前已成规模。该实验室能够检测从力、热、电（磁）、声、光等方面的工程物理量40多项，联系实际应用，深受学生欢迎。

（2）将物理学领域新成果、新技术及时引入实验教学，不断更新实验项目。如扫描隧道显微镜、原子力显微镜、X射线衍射仪、振动样品磁场计、微波吸收系数与电磁频谱测量、超声检测、光纤通信等一系列新实验及高端实验仪器等，已陆续进入物理实验教学，开阔了学生视野，提升了学生的知识层次和研究能力。

（3）将教师的科技成果改造成特色教学实验。如谢书银教授建立了硅材料抗弯强度测试的新方法，并研制出实验测试装置，巧妙地解决了半导体晶体薄片的强度测定问题，所研制的硅材料强度测试仪已成为国家标准。中心将这一成果开发成物理实验项目——脆性材料强度测试实验，受到学生欢迎。又如，曹建教授带领学生，结合电力传输中的检测问题，研制出输变电过程介质损耗测量装置，所指导的学生也在大学生挑战杯竞赛中获国家级奖。将该成果开发为产品。该项科研成果被转化为实验项目——介质损耗测试实验，在教学中产生了良好的效果。

（4）通过开放科研资源，训练学生科研能力。中心充分利用科研设备资源、科研场地，结合实验教学，提供条件让学生自主开展科技制作。吸收优秀学生参与教师科研项目、实验技术和课件的开发。通过科研训练，学生的创新意识和实践能力普遍提高较快，有不少学生踊跃参加实践创新活动，并在国家、省、学校各级科技作品竞赛中获得与物理学科有关的奖励和成果。

（5）利用物理实验的原理和方法，开发科技产品，为社会应用服务。如刘雁群老师带领学生将物理实验中的红外技术、热敏温控技术分别用于点滴输液装置、输血袋温度控制器等医疗器械开发，产生了良好的经济效益。又如，实验室徐富新老师带领学生用干涉原理解决了某企业的玻璃缺陷激光在线检测问题。

（6）鼓励学生将在生产实习过程中遇到的技术问题，带回实验室与教师共同研讨，为教学实习单位解决一些实际问题，而取得一些横向科研课题。如通过表面处理解决了某企业生产的电瓷器件表面的放电问题等。

四、实验教学方法与手段

1.重视应用先进实验技术，培养学生创新思维

教学中大量采用先进的实验技术手段，如CCD图像转换用于若干光学实验、计算机实时数据采集应用于塞曼效应等实验、网络技术应用于远程教学系统、信息技术应用于全息照相、生物技术用于果蝇复眼病变检测创新项目、传感技术用于温度等参数测量、电子技术应用于数据采集系统设计等十多个实验项目。

大力开展实验教学与技术研究，在购置先进仪器和建设新项目的同时，极其重视对已有仪器进行挖潜，拓展出新的教学内容，在传统中求创新。例如，中心在三线摆测转动惯量实验中，结合工程应用中经常需要对各种非规则形状物体的惯性进行测量的实际，开设了测量齿轮、子弹弹头转动惯量的新内容，拉近了物理实验与工业及高技术领域的距离，提高了学生的学习积极性。又如，在万用表制作实验中，中心结合现代社会数字技术发展的大趋势，自行研制了数字万用表实验装置并开出相应的实验内容，同时还将万用表在电路故障排除中的应用技巧穿插到实验中，很好地激发了学生的学习兴趣，培养了学生的思维能力和创新意识。

2.实行全方位开放教学模式，促进自主学习

物理实验课程实行全方位开放式教学——“时间开放、项目开放、面向全校学生开放”，学生通过中心自行开发的“物理实验开放式教学管理系统”进行网上选课。确立了开放式教学的基本原则：“自由预约不设限制，稳住基础重在综合设计，强调专业结合实际、保护兴趣突出个性”。

实验分为必做和选做两部分，学生在完成必做实验后，可根据自己的专业、兴趣和实验的难易程度自由选择实验，实现因材施教和个性化培养。建立了运行良好的开放式教学管理平台和机制，全面提供相应的软硬件条件保障，制定相关激励政策，充分发挥教师和实验室管理人员对实施开放式教学的积极性。

从实验课程、实验项目的选择到实验时间的确定，从实验方案的设计、可行性分析到实验结果的研究，从课前、课中到课后，全程强化学生自主意识。教学中坚持“五个结合”，即必做项目与选做项目相结合、教师引导与学生自主学习相结合、虚拟实验与实物操作相结合、课内与课外相结合、知识考核与能力评价相结合，保证了自主学习的效果。

3.建立网络平台，提高实验教学管理效率

实验中心建立了大学物理实验教学中心网站，与国家工科物理基地网站信息互通、功能互补，形成了功能强大、内容丰富、信息全面的现代化高效网络平台。

利用实验中心信息网络平台，还相应建立了高速局域网、仿真实验室、网络化的实验教学平台，实现网上辅助教学，充分发挥现代教育技术手段的作用，以信息化带动教学手段多样化。

通过这个信息平台，学生可以自由讨论学习，通过与校园网相连的物理实验教学局域网，教师可进行网上指导、学生成绩评定管理等，学生可通过网络浏览实验资源库、网上预习、进行实验预约和查询、提交实验报告，从而拓展物理实验教学的时空和知识范围。

物理实验教学局域网有如下功能。①预习功能：仪器结构及操作复杂的实验可上机预习，学生可随处访问网站，大大提高了实验预习的效果、实验项目选择和预约的针对性。②答疑功能：各实验房间配备微机终端，并安装了“物理实验辅导系统”（“电子教师”），该课件集实验原理、操作示范、注意事项、疑难解答、应用拓展等内容于一体，学生在实验中遇到疑难或碰到常见的实验故障及操作问题时，可向“电子教师”请教，实现了实验教学指导的网络化。③知识扩展功能：学生可凭兴趣选做各种仿真实验，扩大知识面。将微机仿真实验与实物实验等多种模式结合起来，实现不同教学方法、教学模式的互补。

4.重视软件建设，研发多种网络教学资源

利用湖南省重点教改基金资助、学校建设投入、学校研究课题、学院建设投入、实验中心建设投入以及自立研究课题、集合多校优势联合攻关等多种形式，积极组织人力物力开发实验教学网络资源，少量从外校购买，目前形成了10个系列30多种精品电子资源的规模。研制“物理实验开放式教学管理系统”、“物理仿真实验”、“物理实验辅导系统”、“物理演示实验”、“物理实验试题库”等教学课件。全面深化了网络实验教学手段改革，有效促进了实验教学方法改革、教学模式改革。

5.采取灵活多样的教学方法，提高物理实验教学质量

在进行教学手段改革的同时，加强物理实验教学方法的研究与改革，并重视二者的密切结合，坚决避免重视手段改革轻视方法改革的现象和以手段改革代替方法改革的倾向。在改革过程中一方面通过探索总结多种教学方法，另一方面充分吸取借鉴兄弟院校的经验，通过采取“启发式”、“讨论式”、“问题式”、“发现式”等多种教学方法，综合运用的“三级教学法”：一级“示范-多练-提问”、二级“启发-讨论-总结”、三级“自主-合作-探究”的教学方法，从感性认识到理性认识再到提高升华，取得了良好效果。

6.建立多元考试机制，全程综合评价学生能力

探索能综合评价学生实验能力，知识考核与能力评价相结合，建立多元考核方式，包括统一笔试、操作考试、随堂考试、提交实验设计方案（操作考试和笔试含有设计内容）等，既重知识考核，更重能力评价，统筹考核实验过程与实验结果。学生的期末总评成绩根据平时成绩（预习分、操作分、报告分）及考试成绩进行综合评定。

对申报物理实验课程成绩为“优秀”的学生，实施新的考核办法：不必参加期末考试，但必须另外经过三关：报名与初选、提交论文、参加答辩。其中，允许申报的学生平时成绩应处于所在班级的前五名，初选则通过口头提问面试的形式进行，筛选合格的学生再进行实验设计并撰写设计报告，然后集中参加答辩；最后根据学生在资料查阅、方案设计、报告撰写、答辩等多方面的表现进行综合评分，确定物理实验课程的优秀学生名单。

五、特色

（1）建立了层次化、系列化、模块化的物理实验教学内容体系，凸显应用性、时代性教学特点。

（2）营造了开放式、自主化、研究性学习的实践环境，促进学生创新能力培养。

（3）开发了丰富的电子教学资源和功能强大的信息平台，实现了教学过程和实验室管理的全面网络化。