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物理实验室的发展和创新人才培养
物理实验室的发展和创新人才培养 实验室作为诱导创造力和培养实践能力的主要场所,自形成之日起,其基本 功能---实验教学则伴随着高等教育演变的几经变革,其教育价值不断地得到提升、 开发和完善;而其社会功能---科学研究则在与科技、经济和社会发展的相互促进、 协同发展的互动机制中,尤其是在科技人才培养中发挥着日益重要的作用。回顾 历史,为我们谋划高水平实验室的建设和包括物理实验教学在内的课程与教学改 革,为已跨入的21世纪科技、信息、文化、经济和社会发展对创新人才培养所提 出的挑战无疑是有所启迪的。1 物理实验室的发展 物理学是一门实验科学,物理学的发展和学习物理离不开科学研究和实验 教学,而科学研究和实验教学则离不开实验室。对现代人而言,实验室的教育价值 和社会功能是不言而喻的。而纵观历史,将其教育价值和功社会能不断的进行开 发、完善和提升却经历了一个漫长的过程。
1.1 实验室教育价值的变迁 实验室形成距今已有400多年的历史,其教育价值的变迁主要经历了以下 几个阶段: (1)实验室教育价值的萌芽期。早在十六、十七世纪,伴随着自然科学的形 成和发展,实验室已成为人们获取物理学新知识的主要场所。如胡克(Robert Hook ,1635~1703年)建立了皇家学会实验室并在其中完成了许多着名的研究;玻 意耳( Robert Boyle,1627~1691年)关于气体弹性的研究就是在他自己的私人实验 室里完成的[1]. 到了17世纪末,包括物理学在内的自然科学课程先后进入了欧洲各主要国 家的大学课堂,如:英国牛津大学、剑桥大学设立了物理学教授职位[2].然而,直到 19世纪20年代物理实验室仍局限于作研究之用,并未起到教育价值的作用[3].这 期间,捷克教育家夸美纽斯(johann Amos Comen-ius,1592~1671年)则强烈呼吁应 通过/观察和实验教授物理学0[4].18世纪末,氧的发现者普利斯特列(Joseph Priestley,1733~1804年)强调,人们/特别是他们应当在年轻时开始研究理论和实践, 由此可以把许多以往的发现真正的变成他们自己的东西;因为这样,这些发现将对 他们更有价值得多0[5]这些观点深刻地揭示了实验室在知识的传承和创新中的地位和功能,对于提高人们对实验室的教育价值起到了积极的促进作用。
(2)实验室教育价值初显倪端期。到了19世纪30年代,欧洲的一些大学里相 继出现了私人物理实验室,开始以师徒式的授课方式进行物理实验训练。如:德国 柏林大学的H.G.马格努斯(Henry Gustavus Magnus ,1802~1870年)开了将热衷于实 验研究活动的学生引入实验室接受指导训练的先河。随后,英国格拉斯格大学教 授开尔文勋爵(Lord Kelvin,1824~1903年)将一座废弃的酒窖改造成为实验室,由 起初邀请学生到这里协助他工作,到后来学生主动来这里在教师的言传身教下进 行创造性研究的实验指导,学生的实验热忱和兴趣由于他自己的实验工作内容、 热情和与学生保持着密切的交往而被极大地激发出来,使这个简陋的实验室存在 长达25年之久。当时类似于以上两所大学这样的师徒式的物理训练是典型的个别 传授制。这反映了当时社会经济、自然科学等的不发达。同时由于科学实验活动 的社会化程度比较低,并没有向大学提出大的教育规模,所以当时 (3)实验室教育价值凸出显现期。19世纪后叶,随着欧美资本主义国家工业 化革命的兴起,对科学技术人才产生了巨大的需求。这种需求一方面促使欧美等 各国的教育规模急剧扩大,学生人数激增;另一方面师徒式实验室及实验教育已难 以满足巨大的学生人数培养的要求。麻省理工学院就是为了适应这种需要而创办 的新型学校,在首任院长、物理学教授罗杰斯(William BartonRogers,1804~1882年) 强烈倡导对大班级开设正规的实验课程的思想下,于1870年由从哈佛大学聘请来 主持物理系工作的爱德华#查尔斯#皮克林( Ed2ward Charles Pickering)创办了世 界上最早的物理实验室,并编写了一本实验教科书(在世界教育史上,这本书是最 早出版和最有影响的学生物理实验指导书),开创了大面积开设物理实验课程的教 学模式,使实验课程成为学生为得到学位而必修的一门有计划的、系统的课程。
从而由高等教育班级集体实验教学制取代了师徒式的私人实验室个别物理实验 训练。这是物理实验室及实验教学史上的一次重大变革和进步,标志着现代实验 教学制度的确立。它不仅体现了资本主义国家工业化革命的兴起对实验室及实验 教学的客观要求,同时也是19世纪后期科学实验活动规模不断扩大、社会化程度 不断提高在实验教学上的反映。不久就被美国的一些大学相继效仿,同时也促成 了欧洲许多大学物理实验教学的变革。由此可见,实验室的教育价值已凸出显现, 已起到了大面积传授知识和接受知识的作用。
(4)实验室教育价值和发展能力并重期。到了20世纪中叶,尤其是第二次世 界大战以来,科学技术的迅猛发展对传统的高等教育人才培养模式提出了挑战,向 高等教育提出了由单纯的传授知识向传授知识和发展能力并重的转变要求。实验室由于其独特的功能受到了人们的更多关注,在实验教学方面麻省理工学院又创 设了具有代表性的/设计性实验0,其要点是:由学生自己或学生与教师商讨选择实 验题目,实验方案的拟定、一起的配置、测量和操作,以致实验中出现的故障的排 除等皆由学生自己完成,教师只在必要时给予指点,实验时数和最终要求也不作硬 性规定,由学生根据自己的时间、能力和兴趣来安排。从1964年开始,由密立根教 学奖获得者约翰#G金(John.G.King)教授等主持在150名一年级本科生中试行,效 果良好。此后就规定了新生入学后前两年必修12个学分的设计性实验。两年后, 约翰#G金(John.G.King)撰文向外界介绍了经验[7].60年代后期开始,国外许多大 学开始了类似于麻省理工学院实验室的教学改革。高等教育中实验室旨在注重培 养为学生提供足够的条件,以便在实验过程中充分发挥他们的主观能动性,使学生 置身于一种探索和创造性环境中,积极主动思考,受到类似于专业研究人员进行创 造性研究时的那种训练。到此,实验室的教育价值已由单纯大面积的知识教育向 知识教育和发展能力并重,以培养既具有知识又具有探索精神和创新能力为宗旨。
(5)实验室集知识教育、培养能力、提高素质为一体。进入20世纪80年代, 世界各国的教育都面临着新技术(信息技术)革命的挑战,迎来了改革的机遇。1985 年美国提出着名的5普及科学---美国2061计划6,出现了STS(科学、技术、社会)式 的教科书。英国学校课程也出现了以社会热点为中心的教学大纲。从世界教育思 潮的发展看,素质教育已成为一种新的教育观念,是科技发展提出的新人才观的折 射。尤其是进入21世纪,现代化社会的发展促使高等教育深化改革,教育培养的目 标向多元化等发展,以促进人的综合素质和创新能力的提升。伴随着教育培养目 标的变化,实验室已集传授知识、培养能力、提高素质为一体。
我国实验教育起步较晚。从20世纪20年代,颜任光在北京大学、胡刚复在 南京高等师范学校开设物理实验室并进行实验教学到现在,也仅有不到100年的 历史。实验室经历了从小到大、从无到有的发展阶段,而实验教学也经历了美国 模式、苏联模式、改革模式及深化改革模式阶段。
2.1 我国实验室的发展 我国实验室经历了20世纪20年代到解放前从无到有、模仿探索阶段;建国 初期到文革前由小到大、曲折完善阶段;文化大革命开始到文革结束间停止不前、 滞留损失阶段;1977到1994年恢复发展、初见成效阶段;1995到2004年飞跃发展、 改革模式阶段(建立了以学科大类为定义对象而设置的实验室---实验教学中 心);2005到现在质的提高、深化改革阶段。2.2 实验室教学改革 从1995年到现在,我国高校对于实验教学的重视经历了两个阶段,第一阶段 1995年开始到2002年收尾的由国家正式发文对高校的教学实验室进行合格条件 评估,使我国高校实验教学建设发生了很大的变化,在实验室的基本条件、实验室 规范化管理、规章制度的完善、对实验教学的基本要求、实验队伍建设等各方面 都有了一个全新的改观[7],对我国高校实验教学和实验室的建设和发展来说,可 以称得上是第一个里程碑。第二阶段2003年到2009年。进入21世纪以来,我国经 济进入了新的快速发展时期,因此对高级人才的培养也提出了更高的要求;同时, 我国科研发展也提高了一大步,企业通过二十年来的发展,对于人才也提出了更新 的要求。尤其在十七大后,提出要建设创新型国家,使得创新人才培养变得尤为紧 要。这部分人才要求在动手能力、实践能力和创新能力等方面又更高的要求标准。
但高校人才的实践动手能力却处于薄弱的状态,存在重书本、轻实验等弊病,与社 会对人才能力的实际需求有很大的距离,于是教育部高教司提出了建设国家级实 验教学示范中心,以满足社会对创新人才的需求。
3 实验室在创新人才培养中所面临的问题 21世纪全球知识经济迅猛发展,高科技和全球化创新人才的社会需求向高 等教育提出了培养创新人才,进行科技创新及科研成果快速转化的国际性竞争要 求[8].而高校实验室由于其独特的作用,已成为知识创新和人才培养的最重要的 基地,是真正和最终赢得国际竞争胜利的重要保证。
我国实验室在建设模式、功能、培养目标和运行机制等与国外实验室有许 多相似之处,可实验室的教育功能实验教学在我国还属于薄弱环节,不单单是经费 投入不足,不被重视,还有实验教学模式更有待于深化改革,从而形成本土化的创 新模式,为创新人才培养的实验教学和创新知识的获取提供可靠的保障;再从新知 识的获取及创新人才培养的效果看,还有一定的距离,特别是基础知识原创性的发 现及发明,还有待于进一步发挥实验室的作用。
4 纵观物理实验室的发展轨迹,展望实验室的未来 (1)物理实验室的根本目的在于探索未知世界,为人类的知识宝库增加新的 知识[9],物理实验室的主要作用是实验教学和从事科学研究。
实验教学在于为培养和发展学生探索和创造新知识的潜在能力和素质提供平台。300多年来,伴随着物理实验室教育价值的不断提升、开发和完善,物理实 验教学也几经变革,从早期的/师徒式0实验教学,到皮克林推行班组集体实验教学 制,再到本世纪60年代以来世界各国实验教学改革,都是以追求这一理念为理想。
而已跨入21世纪的知识经济时代,既提出了实现这种理想的迫切要求,也为之提出 了前所未有的硬件设施保障。
实验室同时提供了探索未知世界,为人类的知识宝库增加新的知识的平台。
纵观20世纪科学史上的最大发明及发现,尤其是物理、化学和生物学,大多数是在 高校实验 (2)作为培养学生科学素养、实践能力和获取新知识的主要场所。物理实 验室的变迁和发展,不仅仅取决于物理学本身的变革,而且与科学技术、经济文化 和社会发展对人才培养素质要求的变化紧密相连。虽然不同时期的教育价值和功 能各有其时代特点,但实质上都是着眼于提升人的科学素养以适应并推动科学技 术、经济文化和社会总体发展[10].鉴于此,在谋划实验室的教学模式、创新发展 时,除了要对物理学自身的发展进行预测外,还应考虑科学技术、经济文化和社会 总体发展对人的科学素质的要求。
(3)社会的发展仅仅向教育提出变革的客观要求和实现变革的基础,而真正 的变革还需要人们的教育观念发生根本转变来实现实验室教育价值和功能的不 断开发和完善。温家宝总理在看望我国科学泰斗、两弹一星元勋时曾发表感慨/ 现在中国没有完全发展起来,一个重要原因是没有一所大学能按照培养科学技术 发明创造人才的模式去办学,没有自己独特的、创新的东西,这是一个很大的问题 0.这个问题的关键就是一个观念的更新问题。虽然近几年来许多高校投入了大量 财力、物力改善实验条件,实验室面貌焕然一新,然而,实验室要充分发挥其作用, 除了有先进的实验设备、良好的实验环境、健全的体制、完善的规章制度和运行 机制[11],最重要的是建设一支高水平的实验室师资队伍,这本身还是一个观念的 转变问题。需要花大量时间和精力进行舆论宣传、说服教育、制定各种实质性的 政策来实现观念转变,形成本土化的创新模式,为创新人才培养的实验教学和创新 知识的获取,特别是基础知识原创性的发现及发明,进一步发挥实验室的作用提供 可靠的保障;为教育改革和发展提供可靠保障。
