摘要：创新实验室通过社团普遍培养、实验室择优选拔和分组开展研究等一系列循序渐进的过程开展了创新实验教学活动。创新实验以学生申请科研立项、参与教师科研项目和参加实验室建设为主要形式，以观摩演示实验、操作演示实验、拆解废旧仪器、改进演示实验、设计开发实验及仪器和设计开发通用仪器为教学内容，取得了以专利为代表的一系列创新成果。创新成果在教学实践中的应用，丰富了教学内容，从而激励更多的学生参与创新实验、开展创新活动。
关键词：大学物理；创新实验；社团；仪器开发；专利
物理实验涉及内容广，技术、方法全面，许多实验都蕴含着设计者的聪明智慧和巧妙思维，学生在综合运用这些技术、方法的基础上如果继续深入研究，不仅能进一步提升学生的实践能力，而且对培养学生的创新能力和创新意识具有明显的效果。常规的大学物理实验教学注重测量基本物理量和验证定律，[1]大规模的综合性、设计性实验开放程度不够，一部分有创新潜能的学生在教学过程中没有被发现，也没有他们展示的平台。在评估、检查和评比中，学生创新能力的培养越来越受到重视，创新实验的规模、质量成为一项重要指标。天津城建大学以创新实验的形式开展了一系列设计、研究型实验的教学工作，通过学生社团培养和选拔组建创新实验团队，分成研究小组开展研究工作，包括申报科研立项、参加各种竞赛和申请专利等。
1创新实验人才的选拔和管理
1.1组建创新物理实验社
2013年，天津城建大学物理实验中心组织学生创建了“创新物理实验社”学生社团，社团隶属学校团委领导并在实验中心专门指派的教师指导下开展活动。社团每年招募新生，保持一定的动态规模。社团以演示实验室为工作场所，以普及科学知识、探究物理问题、开发新型实验和培养创新精神为目标，[2]把全校各专业喜欢物理的同学聚集到一起开展活动。在这些活动中，社团成员所学的理论知识找到了与实践的结合点，学生的动手能力、分析判断能力以及活动组织能力得到了培养和提高。
1.2择优选拔进入创新实验室
通过学生社团半年到一年期间的培养和考查，通过自愿报名、社团推荐和教师考核的方式，选拔优秀社团成员进入创新实验室。在创新实验室，学生采取以老带新的形式组成研究团队，在教师指导下开展研究工作，包括申报校内学生科研立项，参加各种竞赛，学生在实验室中动脑学习的同时配合动手练习，达到基础理论精通、技术熟能生巧的水平。
2创新实验的教学过程和内容
教师根据研究内容需要，把具有不同特长的学生组成一个研究小组，互相合作完成研究任务。物理创新实验的教学过程由课内和课外两条途径构成，相辅相成，创新实验学生必须同时参与两个过程，见图1。
2.1课内过程
所有学生必须正常完成大学物理实验的学习任务，创新物理的学生可以边学边做实验课的助教，协助教师调节和维护仪器，逐步提高对物理实验知识、技能和方法的认识和掌握程度，加深了解仪器的工作原理和设计结构。
2.2课外过程
创新实验的主要教学过程是在课外循序渐进完成的，主要过程包括观摩演示实验、操作演示实验、拆解废旧仪器、改进演示实验、设计开发实验及仪器和设计开发通用仪器。演示实验内容丰富，学生可以通过演示实验了解更多的知识、技术和方法。参加创新实验的同学在老师的指导下观摩学习演示实验，逐步达到自己能操作讲解的程度；然后由创新实验室的同学负责讲解操作实验，面向全校开放演示实验室，在讲解过程中提升创新实验学生对仪器结构的认知能力。[3]拆解废旧仪器，可以培养学生初步的动手能力，从现有仪器中得到启发，进而具备组装、开发新仪器的能力。
3创新实验的项目来源
创新实验的实验项目主要有以下三方面来源。
3.1学校的“学生科技活动资助项目”
每年学校组织申报“学生科技活动资助项目”，创新实验室组织学生根据自己的特长和现有条件拟定题目，经指导教师审核、修改和批准后上报学校，获批后开展研究工作。
3.2教师研究课题的延伸
教师将在研项目中学生可以参与研究的内容分解一部分，由教师指导学生来开展研究工作，比如：一些仪器的研发、设计等。
3.3实验中心建设和教学改革的需要
每年根据实验中心建设和规划，将一部分建设任务交给学生来做，比如：教学视频的制作、演示教具的制作和演示实验室的开放式环境建设等。
4创新实验的教学方法
根据教学过程先后顺序和实验层次由低到高，创新实验依次适用以下四种方法。
4.1讲授法和演示法
入门阶段学生不具备动手实验的能力，通过教师的讲授、演示，学生观看、思考和推理，使学生了解物理实验的一般过程，认识一般的物理现象，对已经学过的理论知识加深理解和掌握。
4.2实验法和讨论法
提升阶段通过学生自己动手操作实验来提高动手实践能力和对实验原理、技能、方法的理解能力。操作内容包括两类：一是，演示实验的深度开放（学生自己操作）；二是，分组实验的常规教学，即大学物理实验，由学生动手操作完成。在这个过程中，学生自己操作完成实验，验证理论知识，在综合、设计实验中可以相互讨论，进而加深对知识、技能及方法的理解和掌握。创新实验从层次上属于大学物理实验的最高层次，即研究层次，这个层次是以前面的演示、预备、基本和综合层次的实验为基础的。
4.3发现法和探究法
在创新实验的应用阶段学生以研究小组的形式开展课题研究，这一阶段需要学生自己发现问题、分析问题和解决问题，深入探究课题的意义、内容、技术和方法。发现和探究是实现创新的必经之路，也是创新型人才必备的能力。
4.4边学习边实践
学生所学的知识只有在实践中应用才能得到熟练掌握和灵活运用。比如：“CAD”是学校学生必修的课程，教师经常布置给学生一些实际任务去用CAD绘图，并直接用3D打印机打印，使学生在实际应用中巩固已学的技术，也深度发掘了软件的功能。另外，学生通过拆解废旧仪器，近距离地接触科技含量较高的仪器，从实际仪器中认识光、机、电技术的结合以及机械设计与组装的实践经验。这些实践经历使学生受益匪浅。
5创新实验的教学手段
5.1现代化教学手段的实践应用
创新实验的教学手段必须紧跟科技前沿，充分利用现代化手段，尽可能地拓展学生视野。创新实验室配备了多台电脑，方便学生上网查阅资料；配备了投影设备，便于随时汇报交流；在演示实验室安装了远程监控系统，教师可以对实验室进行远程控制和管理。
5.2拆解、维修、组装仪器设备
学生在担任实验助教过程中，通过协助教师维护和维修仪器来培养动手能力。多渠道收集报废仪器，如：复印机、打印机等，学生利用拆解的配件发挥想象力自己组装新的装置，这种方式既节约资金，又使学生开阔视野，从而提升动手能力。
5.3购置和自组常用的加工装备
在创新实验室建设中，学校可以通过教师项目、自筹资金和废旧物资调剂等方式添置一批加工设备，使学生通过实践锻炼技术提高能力。这些设备主要有铣床、车床、台钻和3D打印机等。在上述设备的安装、调试过程中，尤其通过购买散件组装3D打印机的过程中，学生对打印机的原理、功能和结构有了充分的了解，进而为他们以后的研究工作积累经验。
6创新实验的成果和效果
创新物理实验社团举办了各类反响热烈的科技活动，其中代表性的有：2014年10月，波兰驻华大使馆和天津科技馆官方支持的“居里夫人纪念展”活动，为期四天观展，达400人次；面向少年儿童定期开设的“少年儿童基础物理演示实验展”，科技性、竞技性和观赏性的融合，积极激发了广大青少年学生爱科学、讲科学和学科学的热情。社团在成立不满一年时，即在“天津城建大学第十届社团评优”活动中囊括“新星社团奖”和“优秀社团负责人”两项桂冠。创新实验室学生在教师指导下已经授权专利六项，其中“便携式李萨如图形演示仪”于2015年1月授权国家专利，并在2015年“挑战杯”天津市大学生课外学术科技作品竞赛中获三等奖；之后，学生为第一发明人的“光杠杆望远镜演示装置”“一种相对运动演示仪”“转动定律演示装置”“振动波动演示仪”和“磁吸式便携弹簧下楼梯演示装置”等专利陆续授权。近三年，创新实验室获得学校学生科研立项四项，其中A类3项。目前，创新实验的成果都是课堂演示仪器或装置，这些仪器已经应用于教学实践中。一方面，逐步满足了课堂教学演示的需求；另一方面，自主开发并拥有知识产权的仪器更能激发学生学习物理的兴趣，激励更多的同学参与创新实验，开展创新活动，从而响应国家“大众创业、万众创新”的号召。创新实验是大学物理实验的延伸，是经过物 理实验培养学生创新意识、提高创新能力的重要途径和关键阶段，经过这一阶段对学有余力的学生进行集中的有针对性的培养，使这些学生的创新潜能得以发挥，使学生的知识和技能在实践中得以应用和创新，无论对大学物理实验课程的建设，还是对学生的个人发展，都具有深远意义。随着逐步的建设和改革，创新实验室的功能将更强大，创新实验的教学体系将日趋完善，创新实验开放的教学环境必将培养出更多的优秀人才。
参考文献：
[1]教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委员会.理工科类大学物理实验课程教学基本要求[M].北京：高等教育出版社，2010．
[2]滕道祥，刘红玲，地方高校物理实验室开展第二课堂教学的研究和实践[J].徐州教育学院学报，2008，23（3）：169-170.
[3]李艳琴，孙峤，李学慧.物理实验教学中开展第二课堂——培养学生的创新意识和创新能力[J].大学物理实验，2012，25（1）：90-92.
作者:杨广武 朱飞 刘立娟 石飞飞 江越 单位:天津城建大学
