論理工科大學生科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)

如何培養(yǎng)有經(jīng)驗的科學學生是高科學教育工作者面臨的主要問題。物理課程與實驗在培養(yǎng)學生的研究意識、創(chuàng)新思維、工作能力與科學素質方面具有重要而獨到的作用,探索教學與科研的結合,將科學研究工作的思想、方法、技術等注入實驗教學,將一些科研成果轉化為具體的實驗項目,這無疑是一個非常有意義的課題。在實驗教學計劃中,除了與理論基礎結合的驗證性實驗外,努力發(fā)展與基礎理論有關的應用實驗及研究型實驗,使科研成果盡快轉化為本科教學內容,為本科教學服務。經(jīng)過幾年的努力,物理系的本科實驗教學基本上形成了以創(chuàng)新為目的的研究型實驗教學模式。一、支持大學可持續(xù)發(fā)展的研究生和科研團隊,培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力和團隊精神傳統(tǒng)的物理實驗教學是以驗證性、演示性實驗為主的教學模式,側重于對物理基本概念通過實驗*本文獲北京市教育委員會共建項目專項資助。加深理解,對物理規(guī)律加以驗證。對探究性、設計性實驗相對缺乏,前沿性的和實踐中有待解決的問題少有涉及。這種教學模式缺乏培養(yǎng)學生創(chuàng)新的因素以及基礎物理知識的應用培養(yǎng)環(huán)節(jié)。在有些情況下,學生將此看成為一種負擔,對實驗毫無興趣。對此我們本著將理論教學與實驗教學相結合、實驗內容與工程背景和科研項目相結合的教學思想,將自行開發(fā)的高溫磁場真空退火爐與磁敏傳感器綜合實驗儀等研究型實驗引入到物理專業(yè)教學中。由于本系列實驗可探求的實驗內容非常多,完全可以擺脫照著講義按部就班的教學模式,充分啟發(fā)同學們的想象空間,在充分預習和指導教師輔導的基礎上,擬定感興趣的自主研究實驗方案,各自得到不同的實驗結果。同時鼓勵本科生的科技創(chuàng)新活動,學生從大學二年級開始,逐步加入由本科導師指導的科技創(chuàng)新。開放的實驗環(huán)境為學生科研和科技創(chuàng)新活動搭建了平臺。例如在磁敏傳感器綜合實驗儀的開發(fā)和教學創(chuàng)新實踐中,同學們利用北京科技大學的科技創(chuàng)新平臺,在老師的指導下,學生在掌握了自動控制幾個閉環(huán)控制的基礎上,自行設計的實驗儀器,獨立研究出了角度傳感器,傾斜角傳感器,齒輪測速傳感器,磁敏位移傳感器,磁敏編碼器和磁敏電流傳感器等,拓展本實驗教學成果的應用領域。這些成果在2007年8月獲得了“全國高校第八屆物理演示教學儀器評獎二等獎”。另外,利用科技創(chuàng)新平臺系列實驗設備的研制成功,為畢業(yè)設計提供了先進的科研條件,為學生第七學期就可進入課題研究提供了條件保障。許多合適的科研項目,特別是一些實際工程項目為本科生的課程設計、畢業(yè)設計注入了新內容。教師通過科研項目對指導學生的課程設計、畢業(yè)設計有很大的幫助。學生接觸到實際課題,鍛煉了解決實際問題的能力,培養(yǎng)了創(chuàng)新能力和團隊精神。通過物理系科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng),這些同學均成為優(yōu)秀的人才,大部分保送研究生,部分申請到國外留學;物理系這樣的創(chuàng)新教育模式已經(jīng)輻射到北京科技大學其他學院。二、建立以科研為目的的應用型實驗教學模式實驗教學的最終目的是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐動手能力。實踐教學的生命力是學生的興趣和實驗內容的改革。而科研水平?jīng)Q定了教學水平,提高物理專業(yè)實驗教學的質量,就要鼓勵教師將科研成果轉化為實驗教學內容。在北京市高等教育教學改革重點項目“以高水平師資隊伍建設為龍頭,全面推進科研向教學轉化,強化創(chuàng)新性人才培養(yǎng)”的支持下,物理系建立了以創(chuàng)新為目的的研究型實驗教學模式。將教師成熟的科研成果及時轉化為實驗教學內容,讓學生在本科學習階段就能接觸學科前沿,學習科學研究的新技術、新方法、新知識。例如我系先后完成了將高溫超導、低溫測量、傳感技術等科研成果向物理系本科生物理實驗的轉化;2002年開發(fā)出貫穿科學研究思想的薄膜系列實驗,并很快引入物理系本科基礎實驗教學;2004年《薄膜生長特性動態(tài)監(jiān)測及金屬薄膜磁電阻測量》獲得了第三屆全國高校物理實驗教學儀器評比一等獎。已有清華大學等近20所高校購買了該實驗設備并開設了相關實驗項目。在最近的幾年中,物理系在國家自然科學基金重點項目、973等科研項目的支持下,不僅在科研上邁上了一個新的臺階,而且又有一批由科研成果轉化來的實驗儀器應用于物理系的本科教學中。搭上科研的快車,本科生就可以較早地進入科技創(chuàng)新的天地。其中磁敏傳感器綜合實驗儀與高溫磁場真空退火爐的研制就是物理系近期的主要成果之一,分別在2008年教育部首屆高等學校自制教學儀器設備評選活動中被評為自制教學儀器設備優(yōu)秀成果獎及成果獎。三、探索并掌握學科間知識,培養(yǎng)學生科學的思維方式在理論與實驗緊密結合的教學模式培養(yǎng)下,學生的創(chuàng)新意識得到了培養(yǎng),在普通物理學的學習中,學生學習的都是經(jīng)典的物理學概念與規(guī)律。在“基礎理論,大應用”的教學模式下,會引導學生自覺的把基本物理規(guī)律與應用實踐結合起來。物理概念一般都是很抽象的,我們利用系列研究型實驗幫助學生對力,熱,聲,光,電等基本物理現(xiàn)象有更為直觀的正確的理解,更能激發(fā)學生學習的興趣。高溫磁場真空退火爐以及磁敏傳感器綜合實驗儀的應用加深了學生對真空、磁場、電磁感應,電流等這些基本物理概念和規(guī)律的理解。在磁場中進行熱處理作為磁性材料的制備、處理的過程中,可以幫助學生深入理解磁性材料的磁性質以及磁性的來源,變化規(guī)律等。磁場退火可以影響磁性材料的取向生長,可以影響某些材料的巨磁阻抗效應,可提高磁性薄膜的垂直磁各向異性,對鐵磁/反鐵磁材料的交換偏置或磁多層膜的層間耦合或納米磁顆粒之間的耦合作用都能起到很好的促進作用等等。這些問題對學生建立正確的物理圖像與樹立正確的物理思維是非常重要的。而在磁性材料的制備過程中,可以幫助學生深入理解磁性材料磁性來源,變化規(guī)律等,這對于培養(yǎng)學生科學的思維方式至關重要。在學習中如果學生能夠掌握學科間的知識綜合運用能力,則無論是對于將來的研究生學習還是從事高新技術研發(fā)工作都是必需的基礎。我們利用磁敏傳感器綜合實驗儀綜合了多種交叉學科知識拓展點的特點,首次將傳感器檢測技術與電動機模擬量、數(shù)字量檢測,開環(huán)檢測與閉環(huán)控制,速度閉環(huán)、位置閉環(huán)、功率閉環(huán)等自動化基礎實驗有機融入基礎教學實驗,使物理基本原理與信息檢測、自動控制、機電一體化等專業(yè)自然地銜接,形成了綜合性較強的實驗教學平臺,尤其對物理類、儀表類、檢測與自動控制類、機電一體化、各種工程設計系列課的學習提供了良好的條件。學生通過該實驗能夠自覺地養(yǎng)成學科間知識的綜合運用能力。我們的教學成果是非常顯著的,如物理系04級的同學在進行傳感器實驗時,發(fā)現(xiàn)在磁鐵的N,S極出現(xiàn)了傳感性能不一樣的現(xiàn)象,然后自己動手設計了實驗步驟,研究了該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,通過線圈的正接與反接研究了磁滯回線等可能的影響因素,該實驗已經(jīng)成功開發(fā)為物理系本科生的一個實驗項目。該項目在北京市理科大學物理競賽中獲一等獎。四、與現(xiàn)有的知識結合的物理類專業(yè)重視應用與綜合性大學物理系不同,以工科主的大學物理系學生對所學知識總是會想到在實踐中是否有用的問題。在我們目前的教學模式下已經(jīng)基本解決了工科學校中物理學作為基礎學科的應用前景問題這樣一個即普遍又棘手的問題,首先基礎理論被廣泛應用:物理系的本科教學從低年級開始就注重與高新技術應用的結合。例如磁敏傳感器綜合實驗儀,就是將普通物理學知識與現(xiàn)在非常重要的應用連接起來,該儀器綜合了普通物理學的多個基本知識點,如機械運動,磁場產(chǎn)生,電磁感應,電流等這些基本物理概念。而該儀器的位移檢測系統(tǒng)由磁敏位移傳感器和螺旋微位移發(fā)生尺組成。螺旋位移尺的頂頭與位移傳感器的滑動頂頭對頂共線安裝,當旋動螺旋位移尺的旋頭,其尺頭頂著傳感器的滑動桿共同滑動,帶動位移傳感器的磁鐵發(fā)生直線位移,磁敏元件感受磁場變化輸出電壓信號。當學生親身體會到傳感器這樣的高新技術也是來源于非常經(jīng)典的物理學基本原理時,自然就會真正喜歡物理專業(yè)。其次前沿科技有了重大應用:學生在磁性材料的物理性質研究應用學習中,可以了解現(xiàn)在物理學的發(fā)展與應用前景。因為磁性材料在功能材料、信息存儲、磁敏傳感器、自旋電子學中具有重要應用以及巨大的發(fā)展空間。在本科階段的學習中,如果學生認識到現(xiàn)代物理學具有如此重要的應用,則可以提高學生學習的自覺性。五、增加了學校實驗教學的科學成果的培養(yǎng),提高了教師的創(chuàng)新能力1.在物理實驗教學過程中,引入科學研究的思維方式,是