自主探究實驗對學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

王合英, 孫文博, 陳宜保, 陳 宏, 張慧云, 張留碗

(清華大學(xué) 物理系, 北京 100084)

物理實驗作為培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的實踐課程,對學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)、能力提高和品格塑造起著理論課無可替代的重要作用。為了充分發(fā)揮物理實驗教學(xué)在高素質(zhì)、創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的作用,從事物理實驗教學(xué)的教師從教學(xué)體系[1-5]、教學(xué)方法[6-9]、教學(xué)內(nèi)容[10-11]、教學(xué)組織和管理等各方面不斷進行探索和改革,取得了一定的成效[12-13]。我校近代物理實驗室一直致力于研究型教學(xué)模式的探索,建立了分層次、多模式的近代物理實驗教學(xué)體系,實施“自由實驗、樂學(xué)創(chuàng)新”為主旨的近代物理實驗教學(xué)[2,6],滿足不同學(xué)生群體的需求,注重對學(xué)生的志趣激勵和科學(xué)素養(yǎng)的提高,并同時兼顧優(yōu)秀學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。在研究型教學(xué)實施過程中,發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生喜歡課程有一定的挑戰(zhàn)性,在解決問題、克服困難的過程中獲得自信和成就感。自主探究實驗給學(xué)生提供自主思考和學(xué)習(xí)、自主探索和創(chuàng)新的實驗平臺與寬松環(huán)境, 有利于激發(fā)學(xué)生的興趣和探索內(nèi)動力,讓學(xué)生的主體意識和創(chuàng)新意識在獨立思考、自主學(xué)習(xí)、主動探究過程中得以充分發(fā)揮和萌芽生長, 充分發(fā)揮學(xué)生的潛能,提高實驗物理教學(xué)的質(zhì)量。本文介紹在“自由實驗、樂學(xué)創(chuàng)新”的研究型近代物理實驗中自主探究實驗對學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)所發(fā)揮的積極作用。

1 自主探究實驗的特點

自主探究實驗與傳統(tǒng)實驗相比,最大的特點是實驗的自主性、探究性、開放性和靈活性。傳統(tǒng)實驗一般有實驗講義, 其中對實驗原理、實驗內(nèi)容和方法、實驗儀器有較為詳細的闡述,學(xué)生只要認真預(yù)習(xí)、仔細操作,都能在實驗課上順利完成教材要求的實驗內(nèi)容。這種傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式，因為缺少對學(xué)生能力的挑戰(zhàn)性難以激發(fā)學(xué)生的興趣,相對固化的實驗操作方式不利于學(xué)生綜合能力的提高和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

自主探究實驗的教學(xué)理念是為學(xué)生營造寬松自由的實驗環(huán)境和研究氛圍,以興趣和問題為導(dǎo)向,讓學(xué)生處于主導(dǎo)地位,為學(xué)生提供挑戰(zhàn)自己的空間和施展特長的實驗平臺,學(xué)生通過探究式學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題,在以主動的姿態(tài)獲得知識的同時,獲得一整套科學(xué)研究方法的訓(xùn)練和綜合實踐能力的大幅度提高。踐行“教育”的深刻內(nèi)涵,實現(xiàn)“知識傳授、能力培養(yǎng)、價值塑造”三位一體的教學(xué)目標(biāo)。

自主探究實驗以學(xué)生為主體,學(xué)生根據(jù)自己的特長和興趣自主選擇實驗項目和實驗內(nèi)容,自己查閱文獻設(shè)計實驗方案,選擇實驗器材,完成實驗探究過程,并對結(jié)果總結(jié)分析,獨立完成實驗論文。它給學(xué)生充分的自主權(quán)和自由度,實驗內(nèi)容和方法具有開放性,探究深度具有靈活性。目的是營造開放創(chuàng)新的探究氛圍,打破課內(nèi)與課外、理論與實驗、教學(xué)與研究的界限,培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和質(zhì)疑精神,開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性和學(xué)習(xí)潛能,給學(xué)生獨立解決問題、自由探究的實驗平臺和寬松環(huán)境,發(fā)揮學(xué)生的主動性和積極性,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、研究素養(yǎng)和實踐能力。學(xué)生通過自主探究實驗,初步掌握科學(xué)研究的方法,體驗科學(xué)探究的樂趣,養(yǎng)成善于發(fā)現(xiàn)問題、獨立解決問題的良好習(xí)慣和開放的思維方式,增加自信心,提高綜合運用理論知識解決實際問題的能力, 充分認識自己的潛能, 有益于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,為終身教育打下堅實的基礎(chǔ)。

自主探究實驗的評價方式根據(jù)實驗內(nèi)容靈活安排,設(shè)置多目標(biāo)、分層次、多出口的成績評價模式。因為探究實驗過程和結(jié)果都是不可預(yù)知的,成績評價不以成功或失敗作為依據(jù),而是關(guān)注過程,允許失敗、寬容失敗,但學(xué)生應(yīng)了解失敗的原因和改進的方案。

2 自主探究實驗的教學(xué)組織和軟硬件保障

自主探究實驗作為分層次、多模式的近代物理實驗教學(xué)體系的一種模式,向所有對實驗研究有興趣且喜歡自主學(xué)習(xí)的學(xué)生開放。由于自主探究實驗從選題到完成需要學(xué)生投入比傳統(tǒng)實驗多幾倍甚至數(shù)十倍的時間和精力,同時學(xué)生的興趣和能力也因人而異,是否選擇自主探究實驗由學(xué)生根據(jù)自己的情況自由選擇。自主探究實驗付出很多,學(xué)生的收獲和成長也更大。希望理論基礎(chǔ)好、實驗?zāi)芰姷膶W(xué)生能主動參加自主探究實驗,進一步提升綜合能力和創(chuàng)新能力。但學(xué)生在選課時對各種模式的具體實施和要求不太了解,為此,在每學(xué)期開學(xué)的第一周專門組織所有選課學(xué)生,介紹近代物理實驗的分層次、多模式的教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容,尤其是自主探究實驗的教學(xué)方式、選題方法、具體組織和實施方法、成績評價、往屆學(xué)生的收獲與評價等,讓學(xué)生充分了解自主探究實驗對自身能力提高和開放性思維培養(yǎng)的積極作用。學(xué)生在了解各種模式的差別后量力而行,從第二周到第八周可以隨時在近代物理實驗網(wǎng)頁上自由選擇或更換實驗?zāi)Ｊ健?/p>

近代物理實驗室為學(xué)生提供多個近代物理綜合實驗平臺,包括量子物理與量子信息綜合平臺、現(xiàn)代光學(xué)與信息處理、凝聚態(tài)物理與實驗技術(shù)、等離子體物理與實驗技術(shù)、真空物理與實驗技術(shù)、現(xiàn)代測量技術(shù)及應(yīng)用等,實驗內(nèi)容基本涵蓋物理學(xué)的所有二級學(xué)科。每個平臺有不同的物理學(xué)學(xué)術(shù)方向和現(xiàn)代前沿技術(shù)方向,反映近代物理學(xué)的重大發(fā)展,注意與當(dāng)代科研的發(fā)展相結(jié)合,注重實驗技術(shù)的先進性和時代性。實驗內(nèi)容和儀器都具有開放性,為學(xué)生自主探究實驗提供實驗條件、儀器設(shè)備等硬件保障。除實驗室現(xiàn)有的所有儀器設(shè)備,實驗中心提供一定的經(jīng)費,根據(jù)需要購買自主設(shè)計實驗所需的材料和通用實驗設(shè)備。對于一些需要昂貴設(shè)備的方案,實驗室積極為其聯(lián)系物理系的科研實驗設(shè)備或?qū)W校的大型開放儀器完成部分實驗內(nèi)容。這些綜合實驗平臺的建設(shè)為實施自主探究實驗提供了硬件設(shè)施和實驗條件。

實驗室采用全方位開放的原則讓學(xué)生自由選題。學(xué)生在選定自主實驗題目后，自己查閱文獻和實驗資料并整理總結(jié),然后進行師生討論。討論時先讓學(xué)生報告文獻資料綜述,對該實驗原理的理解、實驗方向和初步的實驗方案等。教師根據(jù)學(xué)生的報告提出一些問題,引導(dǎo)學(xué)生較深入地理解實驗原理,針對實驗方案給出建議和實驗中需要注意的問題。之后，學(xué)生預(yù)約時間，按設(shè)計的方案完成實驗。實驗室定期舉辦報告會,討論實驗進展的細節(jié),及時解決實驗過程中遇到的問題,保證自主實驗的進度和質(zhì)量。實驗室在工作日全天開放,學(xué)生在預(yù)約實驗時間或在實驗設(shè)備閑置的其他時間都可以來實驗室進行實驗研究。有時根據(jù)學(xué)生要求,也在晚上或周末開放。此外,學(xué)生完成實驗研究不限于在本實驗室,可由實驗室?guī)椭?lián)系科研實驗室,讓學(xué)生利用科研儀器完成部分自主實驗內(nèi)容。實驗完成后寫論文報告,并做成PPT,在期末相互交流。

教學(xué)管理采用現(xiàn)代信息技術(shù)進行數(shù)字化管理,通過近代物理實驗網(wǎng)站進行教學(xué)組織和實驗管理。學(xué)生的實驗設(shè)計方案、實驗時間預(yù)約、問題討論、研究論文和口頭報告的提交；教師對各種報告的批閱及師生交流等都通過網(wǎng)絡(luò)高效進行,同時實驗網(wǎng)站有豐富的實驗資料,包括網(wǎng)絡(luò)教程、實驗儀器說明書、實驗參考文獻、網(wǎng)絡(luò)課件等為自主探究實驗提供高效的軟件環(huán)境和保障。網(wǎng)站的建設(shè)數(shù)字化管理為實施自主探究實驗提供了高效的軟件環(huán)境和實時交流的平臺。

3 自主探究實驗與學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

自主探究實驗以學(xué)生的興趣和問題為切入點,給予學(xué)生挑戰(zhàn)自己的空間和施展才華的舞臺,實施個性化和多樣化人才培養(yǎng)。學(xué)生在查閱和總結(jié)大量資料的基礎(chǔ)上,自己制訂實驗方案、選擇實驗儀器、設(shè)計實驗過程,完成實驗數(shù)據(jù)的采集、計算、理論分析及總結(jié)反思,教學(xué)過程重視培養(yǎng)學(xué)生敏銳的觀察力和質(zhì)疑能力,鼓勵學(xué)生提出原創(chuàng)性的問題并設(shè)法解決,強調(diào)設(shè)計實驗的過程,重視自主學(xué)習(xí)能力、獨立工作能力、科學(xué)思維和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

3.1 培養(yǎng)學(xué)生對問題的洞察力和質(zhì)疑能力

課題選擇是自主探究實驗的第一步,也是學(xué)生感到最難的一步。能否提出高質(zhì)量、富有挑戰(zhàn)性的問題,選擇一個新穎可行的探究題目,對學(xué)生后續(xù)的實驗過程和結(jié)果至關(guān)重要。不能提出問題、沒有質(zhì)疑,探究就無從開始。質(zhì)疑是思維獨立性、自主性的體現(xiàn),是創(chuàng)新的基礎(chǔ)和原動力。學(xué)生對問題的洞察力和質(zhì)疑能力在選題環(huán)節(jié)上顯得尤其重要。培養(yǎng)學(xué)生的問題意識、質(zhì)疑能力、自主選題的能力是自主探究實驗的重要環(huán)節(jié)之一。

學(xué)生的問題意識和質(zhì)疑能力需要一定的理論知識基礎(chǔ),也需要對實驗儀器有充分的了解。學(xué)生在選定自主探究題目前,首先對近物實驗室的綜合實驗平臺有比較全面的了解,結(jié)合自己的興趣和特長選做3～4個平臺的實驗以深入了解各平臺的實驗設(shè)備和實驗方向。教師在實驗過程中引導(dǎo)學(xué)生帶著問題意識關(guān)注細節(jié)、發(fā)現(xiàn)問題,啟發(fā)學(xué)生利用創(chuàng)新思維和開放思維分析問題,利用網(wǎng)絡(luò)資源查閱文獻資料,特別是相關(guān)實驗領(lǐng)域的科研文獻,了解該實驗領(lǐng)域的前沿進展,站在更高的角度,以更寬的視野審視問題,進而結(jié)合實驗儀器和實驗條件針對發(fā)現(xiàn)的問題提出可行的探究題目。在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，一旦學(xué)生具有問題意識,很容易在實驗過程中發(fā)現(xiàn)各種問題并積極思考,對問題的敏感度和洞察力有一定的提高。鼓勵學(xué)生大膽“挑刺”,善于分析與質(zhì)疑,培養(yǎng)學(xué)生的主體意識和獨立精神。

以超聲實驗為例,在測量固體材料中的超聲縱波聲速時,學(xué)生首先要分析示波器上的超聲回波信號的來源,正確判斷超聲回波的位置,然后測量回波距離和時間,就可以計算縱波波速。實驗中選擇單探頭模式測量,即一個超聲波探頭既可以發(fā)射超聲波,也可以接收檢測超聲波。具有問題意識的學(xué)生在實驗開始時就會提出問題：如果超聲探頭利用逆壓電效應(yīng)按超聲頻率的電信號產(chǎn)生超聲波,壓電晶片做持續(xù)的受迫振動,它如何同時接收超聲波？進一步思考,超聲不僅用于缺陷檢測、固體彈性參數(shù)測量,同時也用于醫(yī)療檢測、工業(yè)超聲清洗、焊接等領(lǐng)域,這些不同的應(yīng)用領(lǐng)域,其超聲的產(chǎn)生原理和實驗技術(shù)是否相同？由此引起對超聲波產(chǎn)生原理的深入思考和探究。做聲速測量時,示波器上除出現(xiàn)一系列缺陷回波信號和底面回波信號,每個底面回波后面還有一系列等間距的逐漸衰減的回波信號,善于觀察和分析的學(xué)生就會提出問題：這一系列回波是從哪里反射回來的？回波個數(shù)和強度衰減與哪些因素有關(guān)？由此引起對超聲波傳播規(guī)律和波型轉(zhuǎn)換原理的深入探究。其實很多的實驗都與超聲實驗相類似,實驗過程中因為儀器結(jié)構(gòu)和實驗技術(shù)的原因會出現(xiàn)很多理論上預(yù)期不到的實驗現(xiàn)象,這些意外的實驗現(xiàn)象就是考查和培養(yǎng)學(xué)生對問題敏感力和洞察力的著力點,也是自主探究實驗選題的入手點。

教師在學(xué)生選題階段主要是引導(dǎo)和把關(guān)。引導(dǎo)學(xué)生善于觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題,進而深入探究,從解決實際問題入手,由淺入深、由表及理、循序漸進,不盲目追求高大上,培養(yǎng)學(xué)生對問題的洞察力、質(zhì)疑能力和解決問題的能力,鼓勵學(xué)生發(fā)揮個人特長,展示自己的創(chuàng)意和貢獻。教師在審核學(xué)生的自主選題時從幾個方面把關(guān)；一是課題實施的可行性,學(xué)生提出的實驗探究課題能夠利用實驗室的實驗條件或?qū)W校的開放設(shè)備完成,研究難度適合學(xué)生現(xiàn)有的知識水平和實驗?zāi)芰?具有一定的挑戰(zhàn)性,又不能過高和過難,否則將不利于學(xué)生科研能力的提高和自信心的培養(yǎng)；二是課題的新穎性和原創(chuàng)性,只要有自己的創(chuàng)意點，便給予肯定和鼓勵,例如實驗技術(shù)、實驗方法的改進、實驗儀器的完善、實驗內(nèi)容的拓展等,沒有新意的重復(fù)實驗沒有探究的意義；三是課題的方向和目標(biāo)明確,學(xué)生一旦明確自主探究課題所要解決的具體問題和目標(biāo),就會激起挑戰(zhàn)的勇氣和興趣,充分發(fā)揮主觀能動性,積極主動地完成實驗,保證實驗的進展和質(zhì)量。

3.2 培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題、解決問題的能力

學(xué)生在選定實驗探究題目后,開始實驗方案的設(shè)計和實驗方案的實施。設(shè)計實驗方案要落實到實驗儀器和實驗方法的具體細節(jié),在實驗過程中學(xué)生會遇到各種想象不到的問題,每一個問題都要自己想辦法解決,在不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程中學(xué)生的綜合素質(zhì)和實踐能力逐步提高。自主探究實驗的過程猶如登山,明明山峰就在不遠處,但登頂?shù)倪^程道路坎坷曲折,困難重重,這就要求學(xué)生有“會當(dāng)凌絕頂、一覽眾山小”的勇氣和信心,有堅忍不拔的意志,有戰(zhàn)勝困難、永不放棄的精神,當(dāng)然要有科學(xué)的思維方式和運用知識解決問題的能力。

以超聲實驗為例,學(xué)生在提出問題后,就要自主設(shè)計方案解決問題。為了搞清超聲波的產(chǎn)生原理,學(xué)生要想辦法測量超聲探頭發(fā)射的超聲波頻率、用于激發(fā)超聲探頭的電頻率,如果兩者一樣,則說明壓電晶片按電頻率做受迫振動,產(chǎn)生同頻率的超聲波。但測量結(jié)果顯示兩者的頻率相差104量級,完全超出學(xué)生的預(yù)期。學(xué)生的問題看似又回到起點：超聲波是如何產(chǎn)生的？超聲波的頻率與哪些因素有關(guān)？其實經(jīng)過上述的實驗探究,學(xué)生對超聲波的產(chǎn)生原理雖然有所質(zhì)疑、產(chǎn)生好奇,實際上已是螺旋上升了一個臺階：超聲探頭中壓電晶片受到一個低頻脈沖信號的激勵,結(jié)果產(chǎn)生一個超聲頻率的高頻振動。因此,下一步問題是找到壓電晶片高頻振動的來源。這時教師應(yīng)利用學(xué)生的質(zhì)疑心和好奇心,給予適當(dāng)?shù)膯l(fā)和引導(dǎo),“當(dāng)告則告、不可告則不告, 中道而立, 使自得之?！薄爱?dāng)告”的是科研的思維方法和分析問題的方法：高頻振蕩電磁波怎樣產(chǎn)生？學(xué)生就會聯(lián)想到 LC振蕩電路。進而引起學(xué)生進一步探究超聲探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的興趣,發(fā)現(xiàn)超聲探頭設(shè)計的原理和精妙之處,這樣通過不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題,層層深入,學(xué)生通過自主探究的實驗過程一直處于積極主動的思維狀態(tài),不僅深刻理解實驗原理,感受實驗儀器設(shè)計的精妙,更重要的是體驗到科學(xué)研究的方法,分析問題、解決問題的能力也得以鍛煉和提高。

再如學(xué)生在做基于BBO晶體的I類參量下轉(zhuǎn)換量子糾纏的自主探究實驗時,參考文獻的做法是先判斷入射激光的偏振方向和BBO晶體的晶軸方法,然后調(diào)節(jié)光路和光學(xué)元件使入射光偏振方向和BBO晶體晶軸成45°角,以產(chǎn)生最大糾纏度的糾纏光子對。一旦在實驗中發(fā)現(xiàn)晶體光軸角度有所偏差,則需要在光路中對BBO角度進行原位精密校準(zhǔn)。文獻的原位校準(zhǔn)方法是通過旋轉(zhuǎn)激光偏振和測量所用偏振片的角度,這樣的做法操作十分繁瑣,同時需要測量兩條符合計數(shù)曲線尋找曲線交點,符合計數(shù)較小,會導(dǎo)致更大的誤差和更長的測量時間。選做該實驗的學(xué)生在實驗過程中發(fā)現(xiàn)采用文獻中的調(diào)節(jié)方法費時費力、精確度不高,學(xué)生積極分析問題,運用自己所學(xué)的理論知識和計算機編程技術(shù),通過模擬計算,得到任意偏振片角度組合下旋轉(zhuǎn)BBO晶體角度所得的單通道與符合計數(shù)率,其中單通道的曲線為周期為90°的正弦曲線。單通道偏振片偏振方向45°時,曲線斜率最大處位于BBO角度45°處。因此可通過對單通道計數(shù)的測量將BBO角度精確地確定到45°。然后對模擬結(jié)果設(shè)計實驗予以驗證,得到預(yù)期的實驗結(jié)果。與文獻中實驗方法相比,所提出的方案在實驗實現(xiàn)上不需要記錄大量數(shù)據(jù),僅需要兩個觀測量,并且這兩個觀測量能夠在不改動實驗儀器設(shè)置的條件下同時測量,做到原位矯正BBO角度,更加簡便、易于操作,而且精確度高,提高了糾纏源的性能,提高了研究和教學(xué)實驗的工作效率。學(xué)生的相關(guān)實驗成果獲得我校學(xué)生實驗室建設(shè)貢獻獎。

學(xué)生在做完實驗后這樣總結(jié)自己的收獲：“我們發(fā)現(xiàn)問題后,查閱文獻資料,提出解決問題的理論方案,基于量子力學(xué)的理論推導(dǎo),獨立得到結(jié)果,對結(jié)果進行數(shù)值計算與分析,再結(jié)合實驗找到合適的實驗方案。然后選購實驗用品,搭建實驗裝置,測量分析結(jié)果。在這些工作中,我們進一步加深了對量子力學(xué)以及糾纏態(tài)理論的理解,相關(guān)的理論推導(dǎo)方法得到了練習(xí),也在數(shù)值計算與參數(shù)選取方面得到鍛煉。通過選購相關(guān)實驗用品,我們對整個實驗與研究的環(huán)節(jié)有了更多的了解和親身體驗。實驗過程中遇到的困難和挑戰(zhàn)也讓我們意識到實驗過程的復(fù)雜與艱難,體驗到科研過程的曲折。在克服困難的過程中,我們在實驗規(guī)劃和整體建設(shè)的把控、團隊分工合作、理論指導(dǎo)與實驗內(nèi)容相結(jié)合方面都有所實踐,有所收獲。”學(xué)生的收獲和反應(yīng)表明自主探究實驗對培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題、解決問題的能力,提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和實踐能力起著積極的作用。

3.3 激發(fā)學(xué)生的靈感,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,提升創(chuàng)新自信和能力

自主探究實驗不限定實驗內(nèi)容,也不限于課內(nèi)與課外,選題具有開放性和靈活性。學(xué)生在實驗過程中會發(fā)現(xiàn)各種問題,由于實驗課堂時間有限,我們把實驗室交給學(xué)生,給學(xué)生課外探究和拓展的自由空間,點燃學(xué)生進一步自主探究的熱情之火,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,提升學(xué)生的創(chuàng)新自信和綜合實驗?zāi)芰?。近代物理實驗教學(xué)采用基礎(chǔ)實驗和自主探究實驗相結(jié)合的方式,許多自主探究型實驗題目來源于學(xué)生在基礎(chǔ)實驗中發(fā)現(xiàn)的問題。這種發(fā)現(xiàn)問題、獨自解決問題的過程有利于激發(fā)學(xué)生的靈感,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,提升創(chuàng)新自信和綜合實踐能力。

例如電子衍射實驗是經(jīng)典的近代物理實驗,對確立電子的波粒二象性和建立量子力學(xué)起過重要作用,也是分析物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)最重要的方法。目前高校近代物理課程中一般都開設(shè)該實驗,采用在火棉膠基膜上鍍銀膜作為樣品觀測電子衍射現(xiàn)象。因為火棉膠本身和其薄膜制備過程中用到的有機溶劑(乙酸正戊脂)都是有毒且易燃、易爆的化學(xué)品,如果實驗室通風(fēng)不當(dāng),配溶液制備基膜的過程對教師和學(xué)生有害,儲存這些化學(xué)品也有一定的安全隱患。學(xué)生在做該實驗時,結(jié)合自己在納米中心的研究經(jīng)歷,提出用超順排碳納米管(super-aligned carbon nano-tube SACNT )薄膜做電子衍射實驗的基膜設(shè)想,這一設(shè)想就是學(xué)生的靈感閃現(xiàn),來源于學(xué)生對實驗問題的思考和自己知識的積淀。學(xué)生抓住了一閃而過的靈感,得到教師的支持,開始自主探究實驗的設(shè)計和實施。之后學(xué)生查閱文獻,調(diào)研商家,設(shè)計儀器結(jié)構(gòu),調(diào)研相關(guān)器件的參數(shù)與價格,最后成功設(shè)計并搭建了一套由4個平臺組成的從SACNT陣列制備SACNT薄膜的機械裝置,操作簡便,現(xiàn)已用于電子衍射實驗教學(xué)。學(xué)生的后續(xù)實驗表明超順排碳納米管薄膜是電子衍射實驗更為理想的基膜,相比于作為高分子有機物的火棉膠,SACNT是一種準(zhǔn)晶體,其結(jié)構(gòu)更為有序(如各向異性和碳納米管層的固有間距),其貢獻的額外衍射信號將使學(xué)生能夠從新的角度測量電子波長和晶格常數(shù)。不僅不會對樣品的衍射圖帶來干擾,而且可以產(chǎn)生更加豐富的現(xiàn)象,提高實驗的精度。此外,SACNT 是一種用途廣泛的納米材料,學(xué)生搭建的鋪膜裝置不僅改進了電子衍射實驗,而且方便日后實驗室利用SACNT薄膜做出更多有趣的工作,并借此機會增加學(xué)生對碳納米管的了解,拓寬近代物理實驗室的教學(xué)內(nèi)容。

學(xué)生在完成該自主探究實驗時這樣總結(jié)：“這是我第一次自己設(shè)計、搭建實驗裝置,學(xué)到了很多東西。設(shè)計一個實驗,有時候出發(fā)點是抽象的(基于基礎(chǔ)理論),設(shè)計一套裝置,初步的設(shè)想往往是很簡單的,但是實現(xiàn)起來就必須細化所有目標(biāo)和需求,制定詳細的計劃,這樣才能和各方(實驗室、商家、樣品提供者)進行有效溝通,克服困難,高效完成目標(biāo)。此外我也認識到,作為一個設(shè)計者,應(yīng)該有長遠的眼光,在一定的成本范圍內(nèi),使自己的設(shè)計有盡可能多的用途和改進空間。就我們的工作而言,事先查閱儀器商的產(chǎn)品手冊,根據(jù)產(chǎn)品參數(shù)初步確定裝置的構(gòu)成元件,然后基于這些元件向納米中心定做SACNT 陣列,最后搭建、調(diào)試裝置并加以改進。我們希望這個裝置能夠有多種用途并可以長期使用,于是采用了比較靈活的設(shè)計。我們后來自己也體會到了：我們的裝置可以較容易地制備雙層交叉膜,從而驗證我們對SACNT薄膜的特征衍射斑形成原因的猜想?！睆膶W(xué)生真實的體驗中可以感覺到學(xué)生通過自主探究實驗收獲的自信和能力的提高。

自主探究實驗給學(xué)生發(fā)揮特長和展現(xiàn)能力的自由空間,學(xué)生在自主探究實驗中沒有各種條條框框的束縛,實驗過程中會遇到各種意想不到的困難和問題,往往一波未平、一波又起,這種跌宕起伏的實驗過程和很多不確定因素,對學(xué)生心智的成長、品格的塑造、毅力的考驗、能力的提高和創(chuàng)新思維的萌芽都起著積極的作用。每至期末學(xué)生交流,學(xué)生體會最深、收獲最大的就是自主探究實驗的曲折過程。很多學(xué)生表示這樣做實驗才體會到做實驗的樂趣,是自己做真正的實驗,即使結(jié)果未達到預(yù)期，甚至失敗,也收獲良多，影響深遠。

4 結(jié)語

數(shù)年的教學(xué)實踐表明,自主探究實驗?zāi)芗ぐl(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的內(nèi)動力,實現(xiàn)“以人為本,因材施教”,培養(yǎng)學(xué)生對問題的洞察力,提高學(xué)生的科研素養(yǎng),促進學(xué)生的個性發(fā)展和能力成長,提升學(xué)生分析問題、解決問題的能力,喚醒學(xué)生的創(chuàng)新潛質(zhì),起到課止而思不止、課止實驗研究不止的作用。