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摘要：本文以山东大学威海校区材料物理专业为例，介绍了新时代专业实验教学改革的设计方案，通过将整个实验课程分成四个模块，实验模块化的教学管理模式。采用与企业合作的形式，将企业生产中遇到的问题，作为学生课题；鼓励学生自主提出感兴趣的课题，并使用课程实验项目独立完成。最终采取答辩+论文的模式进行成绩考核，有效提高学生在专业实验课程中的积极主动性。该教学改革的实施有助于提高我校理工科人才的素养，为推动山东大学的“双一流”建设做出贡献。
关键词：专业实验；教学改革；材料物理
本文引用格式：辛艳青，等.山东大学威海校区材料物理专业实验教学改革的研究与实践[J].教育现代化,2020,7(38):90-92,96.
Research and Practice on Experimental Teaching Reform of Material Physics in Weihai Campus of Shandong University
XIN Yan-qing,SUN Hui,WANG Kun-lun,LV Ying-bo,YANG Tian-lin,SONG Shu-mei
(School of Space Science and Physics of Shandong University(Weihai),Weihai Shandong)
Abstract:Taking the material physics major of Weihai Campus of Shandong University as an example,this paper introduces the design scheme of experimental teaching reform in the new era.Through dividing the whole experimental course into four modules,the experimental modular teaching management mode.In the form of cooperation with enterprises,the problems encountered in the production of enterprises are regarded as students’topics;students are encouraged to put forward topics of interest independently and complete them independently by using course experiment projects.Finally,the mode of“reply+thesis”is adopted to assess the students’performance,so as to effectively improve the students’initiative in the professional experimental courses.The implementation of the teaching reform will help to improve the quality of science and engineering talents in our university and contribute to the construction of“double first class”in Shandong University
Key words:Professional experiment;Teaching reform;Material physics
一 引言
实验室是提高理工科大学生综合素质的重要教学平台,是培养综合型人才的重要基地，其在巩固学生专业基础知识、提高学生专业创新实践能力方面发挥着不可替代的重要作用[1]。实验教学有别于灌输式教学，它以实践性的教学方法和过程为主要教学方式[2]，通过简洁的要点和注意事项的讲解说明为基础，依托实际练习和拓展过程，进行学习。在高等院校教学中，实验教学的作用是不可或缺的，尤其在理工科专业中，实验教学更是重中之重。学生在实验过程中充分发挥其主体作用，通过主动观察、思考与动手操作来提高分析问题、解决问题的能力，获取对课堂所学理论知识的直观认识[3]。
当今，科学技术迅猛前进，强力助推社会和经济快速变革和发展，在此时代背景下,如何加强和提高实验室教学质量，以适应时代发展是一个亟待明确和解决的重要课题。本文以山东大学威海校区材料物理专业实验教学为例，探讨实验教学改革。
综合国外文献资料和国内实地考察可以发现，在不同的高校中，材料物理实验的项目内容与各自开展的研究相关，因此每个学校都各自有自己的偏向，这就造成它们所使用的设备仪器和实验项目相差较大。此外，专业实验用的设备精密、价格昂贵，且与老师的研究方向密切联系，因此部分高校实验题目还停留在综合性基础实验项目上。
二 存在的主要问题有以下几方面
1.部分高校缺少大型专业设备，即使有部分设备，也为了避免仪器损坏而影响科研活动，而不对本科生开放，仅对研究生参与科研开放，造成了专业实验项目太少，实用性太差，专业理论和实验脱节,仪器使用效率不高，造成了实验资源的极大浪费[4]，从而违背了实验教学的本质。
2.部分高校开设的专业实验项目比较孤立，往往存在强势方向存在大量的仪器设备，这些设备与其他弱方向的设备之间相互联系不够紧密。另外，也存在老师的研究方向结合不够充分，造成研究与教学相脱节的情况，这些均会导致学生对实验项目目的认识不够清晰，容易在实验过程中产生茫然性情绪，严重影响教学的效果。
3.专业实验讲义不规范。专业实验讲义是实验教学的重要资料，它是学生接触实验的首要材料，由于实验设置不够合理、讲义编写没有通盘考虑、多方编写等问题，造成实验讲义多数是多个实验项目的简单拼盘，相互之间缺乏内在必然联系，甚至逻辑上都是混乱的。
4.专业实验没有和老师的科研项目、毕业论文、科技创新以及学生的科研兴趣有机结合起来，学生参与兴趣不高，造成实践能力和科研能力没有得到充分锻炼。
从文献资料来看，湖南工业大学[5]、武汉理工大学[6,7]、天津大学[8]、中山大学[9]、郑州轻工业学院[10]等高校对各自开设的材料物理实验进行了相应的教学改革。其中湖南工业大学根据自身的实际情况，提出了比较符合其情况的改革方案：将材料物理实验教学分为材料科学基础实验、材料分析测试实验、综合设计性实验三个层次，采用分层次教学；同时改进传统实验教学方法，分别采用开放式实验教学和实验教学导师制。实践发现，改革成效显著，找到了一条适合的教学模式。
相比于上述高校，我校应用物理学专业材料物理方向具有自己的专业特点。专业研究方向主要以薄膜研究为主，涵盖了透明导电薄膜制备、光学表征、电学性能测试、表面形貌和结构表征；超硬薄膜制备、薄膜力学性能表征、形貌表征；半导体器件制备、器件性能测试与表征等，这与其他高校相比，无论是在材料制备设备还是表征设备都存在差异，所以不能生搬硬套相关兄弟院校的改革措施，需要找出符合我校材料物理实验教学改革的有效举措。
我校材料物理专业实验是应用物理专业一门实践性很强的必修课，其教学目的是让学生掌握材料制备与测试的基本方法和手段，熟悉大型设备的工作原理、使用与维护，在实验中逐步了解科学研究方法。在课程中培养学生的分析问题和解决问题能力，提升学生科学思维方式以及综合科研素质。
三 研究目标及内容
山东大学学科提升计划评审专家一致认为应用物理专业需要加强实践教学，培养应用型人才。本研究以提升材料物理专业实验课教学效果为目标，以实验课程改革为研究内容，主要包括以下几个方面。
（一）根据专业研究方向，设置实验课程模块
目前，我校应用物理专业材料物理专业实验课自编讲义共开设实验17个，项目较多，涉及真空及真空获取、材料制备、光学和电学性能测试及表征、材料形貌和结构表征等方面。在实际操作过程中，发现学生主动参与不够，学习兴趣不高。为此，我们根据应用物理专业的几个主要的研究方向，通过模块化四维，将实验项目有机的划分四个模块，分别是：半导体薄膜材料、光子晶体材料、超硬薄膜材料、基础模块。学生根据自己的爱好进行模块化选择，其中基础模块是必选模块。每个模块包括若干实验课程，根据分块的不同设计一条模块的主线，辅以相关实验课程。
（二）在每一个模块中老师设计不同研究课题
题目来源不局限于教师科研项目，还可以是相关企业的实际生产问题[11,12]，也可以是学生自己感兴趣的相关问题。教师根据学生选定的课题，进行全程贯穿式的教学。
首先，要求学生查阅与模块和课题相关的文献资料，自主学习相关知识，教师对该过程中的问题进行辅导与解答。其次，学生开展文献综合与实验方案设计结合工作，对调研文献和实验设计方案进行公开的答辩，指导教师对实验方案进行评估指导，并结合实验安全性进行风险评估，综合各方面因素最终经指导教师与学生一起确认实验方案。最后，开展实验课题研究。
做完实验项目后，将获得的原始图片和数据保留，教师核查学生获取的数据资料，判断数据是否正确与完整。之后针对每个不同的学生的实验，对学生开展数据分析方法指导。学生综合实验过程、数据材料等，在教师指导下写出实验课程论文。
（三）成绩认定模式改革
改变过去唯实验报告成绩论，采取多元化的实验成绩模式[13]，实验成绩由实验设备使用、实验项目设计方案评估、集中论文答辩、最终论文书写等四部分组成。最终提交材料包括答辩PPT、论文、实验原始数据以及图片等资料，这些材料留档保存。
（四）专业实验和毕业设计紧密结合
毕业设计一般从大四上学期开始，至第二学期5月底结束。往往存在着持续时间较短，学生深入不够等问题。针对这样的情况，结合材料物理实验的特点，可以对在实验中表现优异的学生，鼓励其进一步深入研究，延伸至毕业设计环节，作为毕业课题。
（五）将该实验课与低年级科研立项相结合
为了充分调动本科生参与科研活动的积极性，材料物理实验设置部分简单的实验项目，面向低年级本科生开放，以小组形式进行，每组设置一名组长，对该小组负责。实验教师与研究生可以均可作为指导教师指导小组实验。
四 教学改革中的问题及解决方法
材料物理专业实验教学改革中主要存在以下问题。
1.对实验讲义进行相关的分类、归纳、整合，将各实验项目归类至对应模块中。模块化课程，需要对现有的教材和实验内容进行有效的在分配和编排，一些讲义需要重新编写、整合内容，同时需要对条理和关联性做系统的梳理，因此需要进行大量的实际工作。
2.教学过程管理中，需要合理安排每个模块的实验项目实施时间。模块化也就意味着差异化的存在，需要对每个模块的工作量、学时、实验顺序按着时间进行充分的调研和研究之后，才能行成整体性的管理方案。
3.实验改革后，老师的工作量就加大，如何发挥学生的主动性。这需要对老师的工作量进行重新的核算。在教学过程中心也要充分调动老师的教学主动性和学生学习主动性，两者相结合才能将改革的成效发挥到最大。
针对以上问题，我校材料物理专业实验教学应着重从以下四个方面进行改革。
1.将实验根据研究内容不同，分为半导体材料研究、光子晶体材料、超硬薄膜材料、基础模块4个部分，其中基本模块为必选模块。按专业研究内容出发，将教师分成半导体薄膜材料、光子晶体材料、超硬薄膜材料三个小组，从专攻方向角度对讲义进行编写。例如：半导体材料研究模块课题，讲义包括真空获取和测量、射频磁控溅射法制备透明导电薄膜、X射线衍射测物质结构、薄膜电阻率测量、电输运测试综合实验、薄膜透过率的紫外可见光谱测定等相关内容。
2.选定实验课题的学生都配备导师，定期与学生见面，鼓励学生勇于发问，激发学生的好奇心，解决学生在课题进行中遇到的问题。此外充分利用现有的网络资源，收集信息，对学生在课程进行中心遇到的问题进行网络指导。建立可追踪的学习日志制度，要求学生按天书写日志，将每天阅读和查询的文献资料所学习到的记录下来，也可以将实验感受写下来，日积月累形成册，固定下来。
3.考评方式采用答辩方式进行。实验成绩组成由实验设备使用、实验项目设计方案评估、集中论文答辩、最终论文书写等四部分组。最后提交材料包括PPT，论文，实验原始数据以及图片等。在集中答辩环节，要求所有参加课程同学参加，划分若干小组，每个小组针对答辩的同学，提出至少一个问题，每个小组有一名同学具有评分权。论文评价主要从科研素质养成和内容等方面予以评价。
4.教师积极性及教学质量把控。教师在实验教学中起着重要作用。为提高教师的教学积极性和教学质量，在该课程中，采用学生评教与教师所带学生实验评价相结合的方式进行。对于学生评价较好，所带学生实验评价较高的教师，教学工作量上加以倾斜。
五 总结
山东大学作为双一流建设重点高校，肩负着培养优秀各学科人才的重要任务。威海校区作为一校三地发展中的重要一环，在实验教学方面应当积极主动进行教学改革，尽快建立新时代优秀人才的培养体系。本改革以山东大学威海校区空间科学与物理学院应用物理专业为例，介绍了专业实验教学改革的思路，待成熟之后可以推广到院内各专业实验课程，亦可在校内理工科专业实验课程中加以推广，适时在省内推广。该教学改革可以提高学生学习的积极性，拓宽学生知识面的广度和深度，对学生将来找工作和进一步深造有积极的推动作用。
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