開放物理教學實驗室對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的探索和思考

葉曉靖

(華南理工大學 物理教學實驗中心，廣東 廣州 510640)

物理學是大部分工科學科的基礎(chǔ)，而物理實驗教學則是工程技術(shù)和基礎(chǔ)物理理論的結(jié)合，是協(xié)助學生完成物理知識認知的途徑。物理實驗課程體系本身就是開放的：一方面它受益于現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展，在實驗環(huán)境、實驗設(shè)備等硬件上得以快速更新；另一方面可以推動教學水平和教學質(zhì)量的提高，在實驗內(nèi)容、實驗教學法等軟件上形成良性互動。因此物理實驗室的開放是符合物理實驗課程發(fā)展規(guī)律的。

實驗室開放，是給使用者提供一個靈活、方便的實驗條件，通過實驗室導師的指導或協(xié)助，讓使用者創(chuàng)造性地完成實驗研究，并使使用者和實驗室都能從研究成果中互惠受益。

1 從創(chuàng)新人才培養(yǎng)看實驗室開放的要求

與科研實驗室不同，物理教學實驗室是為物理實驗課程服務(wù)的。現(xiàn)開設(shè)的物理實驗課程是理工類本科生的必修課，是按學生的平均知識、能力水平設(shè)計的，既要照顧不同學科要求對物理知識掌握的程度，也要兼顧物理實驗室能夠大范圍提供的實驗教學環(huán)境，故未開放的物理實驗室無法滿足培養(yǎng)創(chuàng)新人才的需求。

現(xiàn)今的創(chuàng)新人才可以大致分為專業(yè)特長型、技術(shù)應(yīng)用型和跨學科型，對創(chuàng)新人才的培養(yǎng)也要適應(yīng)個人的特點而進行。

從專業(yè)特長型人才的培養(yǎng)角度出發(fā)，研究能力突出或者自我要求較高的學生是實驗教學的開放對象，提供專業(yè)實驗設(shè)備和實驗室導師的指導對培養(yǎng)此類人才至關(guān)重要；從技術(shù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的角度出發(fā)，實驗室需要有針對性地、系統(tǒng)地提供與應(yīng)用技術(shù)相關(guān)性較強的物理實驗內(nèi)容，并且實驗的內(nèi)容要涵蓋基礎(chǔ)性、綜合性及設(shè)計性實驗；從跨學科人才培養(yǎng)的角度出發(fā)，需要為實驗室建立自主立項機制，鼓勵實驗室自主進行隊伍建設(shè)、技術(shù)革新、設(shè)備引進與制作、行業(yè)交流、情報收集等方面的立項，引導建立可持續(xù)發(fā)展的實驗室建設(shè)機制，使實驗室走上特色建設(shè)之路。

基于以上分析，開放實驗室應(yīng)具有以下特點。

(1) 開放時間的靈活性。使用者可根據(jù)自己的實驗計劃到實驗室預(yù)約登記，自主選擇實驗時間。

(2) 實驗內(nèi)容的不確定性。開放實驗室為使用者提供功能強的實驗儀器和良好的實驗環(huán)境；在實驗過程中，使用者可以根據(jù)實際情況作階段性調(diào)整或修改實驗方案；

(3) 實驗室有償對外開放服務(wù)性。實驗室的資源在滿足教學需求的前提下，對外開展有償服務(wù)，可以解決實驗消耗和值班人員的加班補貼問題。

(4) 實驗室建設(shè)經(jīng)費來源多樣性。開放性實驗室可以引入社會資源，減少學校投入，成為學生接觸工程實踐和學校對外合作的平臺。

2 開放物理實驗室對于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的意義

2.1 實驗室為學生提供課外科技創(chuàng)新活動的平臺

華南理工大學自啟動開放性實踐教學改革以來，為支持學生課外學術(shù)科研項目的開展，每年撥出200萬元作為“本科生參與課外科研實踐訓練計劃”(SRP)的項目經(jīng)費。學校通過設(shè)立國家級/省級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐訓練項目、大學生課外學術(shù)科技作品競賽、大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽、物理實驗設(shè)計競賽、電子設(shè)計競賽等活動，檢驗學生的創(chuàng)新成果。在良好的學生課外科技創(chuàng)新氛圍中，學生參加課外科技創(chuàng)新活動的熱情高漲。

2006—2013年，我校物理教學實驗中心實驗教學團隊年均承擔校級SRP項目8項，每年直接受益的本科學生約30人。2006年至今，由實驗教學團隊成員指導本科生公開發(fā)表論文10篇。如果能將來自實驗團隊的指導和協(xié)助制度化，并通過對學生社團的幫帶、催化作用，充分利用實驗室平臺輔助學生課外科技興趣小組的活動，則受益的學生人數(shù)將會更多。

由此可見，學生開展課外科技創(chuàng)新活動對實驗室開放有客觀需求。通過為在校學生提供課外科技創(chuàng)新活動的平臺，對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)有直接的作用。

2.2 實驗室可作為學生備戰(zhàn)科技競賽的工作室

廣東省大學生物理實驗設(shè)計大賽，是為更好地激發(fā)學生學習物理學的興趣，加強理論聯(lián)系實踐、提高學生的動手能力而舉辦的物理類實驗競賽。競賽賽題在每年年初發(fā)布，本科生隊伍需通過撰寫論文、提交實驗視頻參賽。每年在全省高校的參賽作品中選擇前30名的作品進入決賽，這30支隊伍則在當年10月攜帶參賽作品參加答辯、現(xiàn)場測試等環(huán)節(jié)的激烈角逐，最終競出一、二、三等獎和優(yōu)勝獎。通過競賽可以看出，參賽學生不僅具有扎實的物理基礎(chǔ)知識，還具有良好的科學素質(zhì)和創(chuàng)新能力。歷屆獲獎作品都體現(xiàn)出參賽學生具有很強的對電子科學與技術(shù)、單片機技術(shù)、傳感器技術(shù)等知識的綜合運用能力。這對于本科生，尤其是許多二、三年級的學生，是非常難能可貴的。

2006—2013年，我校每年約有25支參加廣東省物理實驗設(shè)計大賽的本科生代表隊接受物理教學實驗中心團隊的指導和協(xié)助。為了更好地提供參賽備戰(zhàn)的條件，從2008年開始，物理教學實驗中心利用實驗教學條件為參賽隊提供全面開放的集訓工作室，我校也因此在后來各屆物理實驗設(shè)計大賽上獲得4～6個獎項的優(yōu)秀成績，并連年被授予大賽“優(yōu)秀組織獎”。

可見，要使一批能力突出的學生快速成長，關(guān)鍵是為他們提供超越基礎(chǔ)物理實驗層次的開放實驗室。

2.3 開設(shè)物理實驗通選課的嘗試

現(xiàn)國內(nèi)高校對通選課的劃分主要參考北京大學“溝通論”的做法，即將課程劃分為5個領(lǐng)域：數(shù)學與自然科學、社會科學、哲學、歷史學、語言文學與藝術(shù)，主張理工科學生選修通選課程中經(jīng)管、文、史、哲、藝類課程，而文科學生則選修通選課程中自然科學、工程技術(shù)類課程。實驗類通選課現(xiàn)在主要在綜合性大學中開設(shè)，目的是提供文科學生或者理工課基礎(chǔ)薄弱學生相應(yīng)的實踐教學環(huán)節(jié)，仍然屬于“溝通論”范疇[1-4]。

物理實驗課是高等學校理工科類專業(yè)對學生進行科學實驗基本訓練的必修基礎(chǔ)課程，是本科生接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓練的開端。按教學計劃的設(shè)置，本科生在一、二年級完成公共基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課后，才能在高年級進入專業(yè)課的學習。而在我校多年的教學實踐中，有部分能力突出的本科學生在低年級時，已經(jīng)有獲得規(guī)范的科研訓練的需求。一些國家級、省級的學生課外科技創(chuàng)新項目也要求申報人必須是二年級以下的本科生。

因此，客觀上就有對以開展系統(tǒng)的科研訓練為目的、以講授當代科學研究與工程技術(shù)中廣泛應(yīng)用的現(xiàn)代物理技術(shù)和以溝通各門理工學科內(nèi)容為目的的通選實驗課的開設(shè)需求。我校計劃在必修的物理實驗課與學生課外學術(shù)科技活動中間，設(shè)立一個開放性、探索性的實踐教學環(huán)節(jié)，講授現(xiàn)代測量測試技術(shù)、實驗室常用儀器使用、數(shù)據(jù)分析與處理方法等內(nèi)容。從而為這些能力突出的理工類本科生在今后進入各項創(chuàng)新實踐活動打下基礎(chǔ)；而實現(xiàn)這個中間實踐教學環(huán)節(jié)最合適的途徑就是開設(shè)通選實驗課。

另外，開設(shè)通選實驗課，可以促進實驗室全面深入開放，做到實驗內(nèi)容設(shè)置與實驗室建設(shè)、實驗師資隊伍建設(shè)相結(jié)合，教學改革與科研、學科發(fā)展緊密結(jié)合，力求在培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的同時達到對學生進行個性化培養(yǎng)的目的。

2.4 在開放與對外合作中雙贏

一個具有特色的教學實驗室，更應(yīng)該將自身的價值通過示范作用對外輻射，例如在實驗儀器通過計量認證的前提下，承接企業(yè)質(zhì)量檢測任務(wù)[5-6]。這樣，開放性實驗室既可以作為第三方檢測機構(gòu)提供具有法律效力的檢測數(shù)據(jù)，又可以在日常教學中引入產(chǎn)品質(zhì)量檢驗的實際經(jīng)驗，更好地將學生的學習內(nèi)容與社會需求掛鉤，促進實驗技術(shù)的發(fā)展。

此外，通過引入社會資源成立校企共建實驗室，對實驗室而言，既可以整合校企優(yōu)勢資源，促進科技成果的轉(zhuǎn)化，又可以對外承擔企業(yè)的開發(fā)業(yè)務(wù)和技術(shù)人員培訓任務(wù)，還可以在較少投入的情況下實現(xiàn)實驗室建設(shè)的一步到位。對企業(yè)而言，既節(jié)省了研發(fā)、培訓的投入，又可以共享高校智力資源，還通過實驗室對在校學生開放，鎖定了適用的技術(shù)人才，一舉多得[7]。

長期被看作基礎(chǔ)教學部門的物理實驗室如能在對外合作中走出一條屬于自己的可持續(xù)發(fā)展道路，則能充分發(fā)揮實驗室開放的優(yōu)勢，達到雙贏的目的。

3 運行和管理開放性實驗室待解決的問題

雖然開放高校的教學實驗室對創(chuàng)新人才的培養(yǎng)、對實驗室自身建設(shè)、對社會都有利，但以教學為目標的開放實驗室與以科研為目標的開放實驗室在管理模式上是不同的，涉及到諸如數(shù)量大而單價相對低的儀器設(shè)備的借用管理、實驗室準入管理、實驗室開放時間的安排、實驗室內(nèi)工作成果的匯總管理等問題[8-10]。

3.1 開放性實驗室管理隊伍的建設(shè)

一個好的實驗室管理團隊，在學生課外創(chuàng)新活動中的角色應(yīng)該亦師亦友：師者，在知識、技能上能給予學生指導；友者，在研究探索中能密切協(xié)作、平等交流?？紤]到開放實驗室的受益主體是接受創(chuàng)新實踐訓練的學生，因此負責開放性實驗室管理的人員，也應(yīng)該具有熱心教學、知識面廣、技術(shù)過硬、合作精神、創(chuàng)新思維等特點。在此基礎(chǔ)上，再組合為學歷、職稱結(jié)構(gòu)合理的團隊，才能更好地發(fā)揮實驗室在創(chuàng)新人才培養(yǎng)上的作用。而管理團隊人員的組成則可以多樣化，無論教學科研工作者、實驗技術(shù)人員、工勤技能人才、研究生助教、短期聘用人員、學生志愿者等均可以成為開放性實驗室的管理隊伍一員。

在管理隊伍的團隊組合上，以實驗室自身的成長和建設(shè)為目標，通過項目化方式組建的實驗室管理團隊具有工作目標明確、組合機動性強、考核和管理相對簡單的優(yōu)勢，可以在后續(xù)的工作中進行研究和探索。

3.2 將管理信息系統(tǒng)引入實驗室日常管理

目前，大多數(shù)高校實驗室采用紙質(zhì)登記本進行用戶使用登記，實驗室儀器設(shè)備的借取和交還、耗材的準備和發(fā)放等也主要依賴實驗室管理人員的分立管理。但在開放性實驗室中，分立的實驗室管理方法在實驗設(shè)備的預(yù)約、耗材的申請和發(fā)放上均不能迅速響應(yīng)用戶的需求，甚至制約了實驗室資源的全面開放。

此外，如果開放性實驗室沒有有效的管理信息系統(tǒng)，實驗室管理員就不能方便地統(tǒng)計出實驗室或儀器設(shè)備的使用情況，不能實時統(tǒng)計耗材庫存情況；實驗室管理部門更無法跨實驗室進行聯(lián)網(wǎng)管理以實現(xiàn)資源綜合調(diào)配，無法高效地對實驗室資源的總體規(guī)劃提供決策支持。雖然國內(nèi)已經(jīng)有部分高校開始采用管理信息系統(tǒng)進行實驗室管理，但已有的管理信息系統(tǒng)往往只適用于專業(yè)實驗室或者一般教學實驗室[11-12]。

普通高校為師生提供實驗、實踐創(chuàng)新活動或研究式教學活動使用的開放性實驗室，其特點是用戶數(shù)量較多且流動性大，可使用的儀器設(shè)備較簡單但功能組合多樣，實驗室開放時間靈活。因此，在管理上也立足于用戶、實驗儀器設(shè)備、實驗耗材和開放時間等4個方面，一般以使用“人時數(shù)/學年”為評價或考核實驗室和儀器設(shè)備的開放指標：(1)在用戶關(guān)系管理上，注重通過實驗室資源實現(xiàn)目標，實驗室也要能給出相應(yīng)的實驗技能評價；(2)在實驗儀器設(shè)備的管理上，注重儀器設(shè)備的數(shù)量、性能是否滿足用戶的需求；(3)在耗材的管理上，注重其倉管能力和配送能力；(4)在開放時間管理上，則專注于能否按需開放。

3.3 實驗室管理系統(tǒng)的設(shè)計要點

以用戶的預(yù)約記錄為內(nèi)在聯(lián)系，可分別建立開放物理實驗室的用戶、儀器設(shè)備和耗材三大數(shù)據(jù)庫，形成中央管理信息系統(tǒng)。中央管理信息系統(tǒng)通過外部接口和硬件控制器，與門禁考勤系統(tǒng)、實驗室內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、用戶終端系統(tǒng)組成開放性實驗室管理系統(tǒng)。用戶在預(yù)約時間用身份卡(ID)可激活管理信息系統(tǒng)的預(yù)約記錄，實驗室則實現(xiàn)門禁開放、耗材自動發(fā)放、指定儀器設(shè)備通電運作等功能。這些功能還可以在某些場合實現(xiàn)無人值守的開放實驗室智能管理。

對實驗室用戶而言，可通過此系統(tǒng)對實驗室儀器設(shè)備進行查詢、操作位預(yù)約、耗材預(yù)約、數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測、瀏覽操作手冊等。對實驗室管理人員而言，可通過系統(tǒng)對用戶權(quán)限進行管理、對實驗室儀器設(shè)備和耗材的需求情況進行統(tǒng)計分析、實現(xiàn)對實驗室運行情況的遠程監(jiān)控。此系統(tǒng)既方便學生有效地利用實驗室的資源，也便于管理員和教師了解學生利用實驗室的情況，以便更好地改進實驗教學方法。實驗室主管部門還可以通過對開放性實驗室管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，對實驗室資源進行總體規(guī)劃建設(shè)。

4 結(jié)束語

在大多數(shù)高校，公共教學實驗室的建設(shè)投入都是優(yōu)先保證的，這意味著學校對教學實驗室的期望也是很高的。但若公共教學實驗室的功能只是局限于為開設(shè)的教學課程服務(wù)，那么就談不上實驗室開放，更談不上培養(yǎng)創(chuàng)新人才。華南理工大學物理教學實驗中心已經(jīng)實現(xiàn)了面向競賽和學生課外科技活動的實驗室開放，并取得了一些成果。今后，我們還需要在通選型的獨立實驗課和實驗管理隊伍建設(shè)、實驗管理方法上進行更多的探索和研究，為教學實驗室的全面深入開放打下基礎(chǔ)。

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