摘 要：传统大学物理实验教学模式无法满足培养学生创新能力的要求。结合多年的大学物理实验教学工作经验和当前大力开展创新型教育的新形势,探索在实验教学过程中实行能够培养学生创新能力的"学生课题性实验"教学模式,并列出了"学生课题性实验"的几个案例。
关键词：教学模式；实验研究课题；创新能力
0 引 言
当前随着高等教育改革的深入，社会的不断快速进步，对人才的培养，提出了更高的要求。培养具有创新精神和创新能力的人才是新时期高等院校的重要任务，是知识经济和人类社会发展的需要。大学物理实验课程是对理工科本科学生进行科学实验基本技能训练的一门独立的公共必修基础课程，是学生进入大学后接受系统实验方法和实验技能训练开端，是培养学生创新思维能力，提高学生综合能力的重要环节。但是，传统的大学物理实验教学模式，学生处于被动状态，不能充分发挥学生的主观能动性，不利于学生独立思考、自主创新能力的培养，容易导致学生对大学物理实验失去兴趣。物理实验创新教育就是通过新的物理实验教学模式来激发学生的创造潜能，培养学生的创新意识和创新思维能力，使学生的创新本质特征得以发展，从而锻炼学生的科学思维方式和科研探索能力，提高他们分析问题和解决问题的综合能力，对培养创新型人才具有重要意义。因此，大学物理实验教学模式的改革对于提高实验教学效果非常重要。
综合能力是一个比较宽泛的概念，从学生培养的角度看，主要包含两部分，一是提出问题，二是解决问题，现在的大学教育偏重于后者，即学生的知识储备、分析问题、解决问题的能力，物理实验也是这样，从形式看，物理实验可以分为如下三类：
第一，基础和综合实验，一般给学生实验内容、实验方法、实验仪器，让学生按要求完成。这主要培养学生的基本实验方法、仪器的使用和动手能力等。
第二，设计性实验，给学生实验要求，一定范围给定实验仪器，由学生自己思考如何完成实验任务。这可以培养学生综合运用所学知识的能力。
第三，研究性实验，老师给学生一个想法或一个方向，由学生自己准备器材、摸索实验方法。这类实验可以培养学生查文献资料、沟通协作等能力。
这几类物理实验有一个共同的特点，就是实验题目均来源于实验室和老师，学生自主完成空间虽然有所不同，但基本上仍属于分析问题和解决问题能力培养的范畴。如何让学生能够发现问题、提出问题，是当今高校人才培养方面重要的课题之一，也是培养学生创新能力的一个重要方面。著名华裔物理学家、诺贝尔奖得主李政道在2010年首届“创新中国论坛”上指出“要创新，需学问；只学答，非学问。要创新，需学问；问愈透，创更新。”我们在这方面进行了一些有效的探索。
1物理实验课程教学模式探索
结合南京大学和我校物理实验教学改革实践，对大学物理实验教学中如何对学生进行创新能力和科学素质的培养进行了尝试。
南京大学物理实验教学突出让学生在实验中发现问题、分析问题和解决问题，进行科研素养的综合能力的训练。具体而言，我们把大学二年级下学期开设的物理实验在教学模式上进行了改变，让学生实验模拟科学研究的过程，要求学生在以前的常规实验或自己的学习生活中发现问题，提出自己的实验研究课题，并设计合理的实验方案，自主完成该课题。实验课程的具体做法是，开始时对本课程近30个物理实验给学生逐一简要介绍，让学生从中选择和完成2-3个实验，然后自己提出课题并完成。除此以外，课题也可以是学生理论课程中或平时看文献资料时想到的问题，可以是演示物理实验中的现象研究，可以是与物理相关的来自生活中的有兴趣的问题的研究。对课题，首先明确学生的创新课题及实验完成与实际意义上的创新要求是不同的，具体说来只有是自己现有的认知水平突破即可。一个好的课题可以是有新的思想、方法、可以是物理知识的合理灵活运用、可以是有较多的设备和自制器材使用，也可以是若干实验失败的总结和结论。
而我校物理实验教学也进行了力度较大改革。对学生物理实验能力的评价，不是只看实验结果，主要看实验过程。传统的大学物理实验的成绩评定办法主要是实验报告成绩为主，这对学生的约束力很弱，在一定程度上限制了学生的个性思维，降低了学生对实验课的重视程度和学习积极性，因此出现了部分学生抄袭实验报告等问题，换句话说，学生不重视实验预习，实验操作，以及问题分析和讨论，只重视实验结果和实验报告。在大学物理实验教学改革中出台了灵活多变的实验考核办法：预习成绩、平时操作成绩、实验报告成绩等三部分组成，并明确了各部分所占比例。采用分层次教学模式，根据学生能力的差异，给予不同层次的指导，发挥学生的学习积极性。指导教师少讲少指导，只给学生讲实验课的重点、难点和注意事项，采用巡回指导方式。这种方法的特点是首先让学生自己去思考和探索，然后指导教师进行提示、引导，让学生发挥主观能动性，自己寻找解决问题的途径。在大学物理实验教学中，我们以学生为本，以培养学生创新精神和创新能力为重点,在老师的指导下，在一定范围内展开课题实验。
从实践情况看，实验研究课题教学模式对学生是一个挑战，由于知识和实验条件、器材等局限，选择一个可行并能完成的课题，学生需要花费较多的时间，有时几乎在很长一段时间内反复摸索才能确定一个课题，最后需要用双休日加班加点连续实验，完成课题和课题论文，其结果可能还是初步的，好的课题还需要继续进行提炼和完善，这样一个过程，学生们普遍感觉是“痛并快乐着”，而老师和实验室主要提供指导和开放。我们看到，若干年后，学生对物理实验记得最清楚的正是这样一个实验。
2 学生课题案例
我们以迈克尔逊干涉仪实验为例。这是一个光学测量实验，在教材上，主要有三个内容：1.测量激光的波长；2.测量钠光灯双黄光的波长差；3.测量玻璃的折射率。学生根据自己的情况，从该实验出发拓展出了以下课题。
课题1：迈克尔逊干涉仪中补偿板与干涉条纹
迈克尔逊干涉仪中补偿板的作用是补偿两相干光束因通过分光板次数不同而引起的附加光程差（特别是对复合光）。 做该实验时学生有意地去掉补偿板, 讨论并观察在单色光照射时产生的干涉条纹的变化情况，得到的实验结果如图（1）所示，经过理论分析和计算机模拟,得到的结果与实验完全相符. 见图（1）
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(a)实验中拍到的干涉图样 (b)计算机模拟的干涉图样
图（1）实验观测条纹与计算机模拟条纹的对比
课题2： 用迈克耳逊干涉仪测量厚透明材料折射率
物理实验课程中，迈克耳逊干涉仪测量玻璃折射率主要是利用出现白光干涉条纹的零光程条件，由放入玻璃片前后出现白光干涉条纹的位置，得到相关的光程。测量厚透明固体折射率，用白光调节出干涉条纹难度很大，由于折射率与波长有关，要求待测样品要尽量薄。为解决这一局限，学生提出采用半视场法。半视场法用激光为光源，在光路中一半视场放入平行待测材料后，调节反射镜，视场两边对应的干涉条纹出现条纹陷入和涨出，当合成为圆时(如图2)可以得到相关的光程差。见实验观测干涉条纹图(2),图(a)调节前的干涉圆条纹图像 ，图(b)调节后的干涉圆条纹图像。
图（2）实验观测干涉条纹
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课题3： 利用迈克耳孙干涉仪重建蜡烛火焰温度场
空气温度不同，折射率将发生变化，从折射率的变化经过定标就可以得到温度分布。选择蜡烛火焰作为实验对象,研究周围温度变化，应用阿贝尔变换法和环带法, 可对轴对称温度场进行定量计算。 计算时通过噪声处理, 低通滤波, 获得二值化后的图像图(3)(a),(b)所示（亮条纹和暗条纹）。从而得到的温度分布如图(3)(c)所示。
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(a)蜡烛火焰干涉条纹图 (b)干涉条纹骨架图 (c)蜡烛火焰温度分布图
图（3）
课题4： 用M-Z干涉仪对空气折射率的定量测量与理论探讨
迈克尔逊干涉仪由于样品空间的限制，学生自行组建M- Z 干涉仪，测量空气在不同压强下的折射率，可以用于测量气体等大面积区域中折射率的微小变化。 而且光在所研究容器中只经过1 次, 这使得该区域的光程变化显得很直观。图(4)为所得到的压强与折射率关系。最后从经典的电介质理论对空气折射率产生原因进行分析，解释了压强与折射率的对应关系。
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图（4）折射率与压强的拟合曲线
课题5： 干涉法测量铝薄膜的轴向应力
这也是一个从迈克耳逊干涉仪实验拓展出的课题。应力是薄膜制备和生产过程中存在的普遍现象, 薄膜应力产生的原因有两个方面:一是由于薄膜和基底的热膨胀系数不同而引起的,称为热应力;一是由于薄膜生长过程中的非平衡性或薄膜特有的微观结构引起的,称本征应力。实验采用迈克尔逊干涉仪变形结构（如图(5)所示），测量其力应变和热应变，并对测量的结果进行了拟合。
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图（5）实验装置示意图
课题6： 迈克耳逊干涉仪进行溶质扩散的研究
这是一个现在还没有成功的课题。
课题想法：溶液的折射率与溶液的成分和浓度有关，利用迈克耳逊干涉仪可以测量折射率的变化，来研究溶质的扩散问题。学生在该课题研究过程中，解决了图像变化的获取问题，但由于样品盒中三维扩散信息的提取困难，自己制备的二维扩散样品盒（相当于薄膜），材料平整度、平行度等因素效果差，最后未能取得预期的结果。这样的课题我们也给予鼓励。
3 结 语
这样一种实验教学模式经过我们十几年的探索，可以看到，虽然有些课题最终看起来简单，实际上是学生多次反复、多次提炼和修改获得的，是付出了大量精力后的结果，这样的过程对学生来说是一个宝贵的经历。当然实验室老师也需要有比较多的付出。
研究课题型的实验教学模式，可以激发学生的主观能动性，调动学生的查阅资料、参与实验实践活动的积极性，极大提高了学生独立思考、发现问题、解决问题和科研创新能力，全面提高了实验教学质量和学生综合能力，对培养学生创新意识和创新能力发挥着重要作用。
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