物理类

武汉大学物理实验教学中心

网址：http：//wlsyzx.whu.edu.cn

一、中心建设发展历程

武汉大学是全国最早开始物理学教育的院校之一。武汉大学物理实验室由著名物理学家查谦教授始建于1932年。经过六十多年、几代人的努力，不断扩充、改造和发展，到1998年基本形成了力学、热学、电磁学、光学、演示，近代物理，非物理类专业基础物理，以及六个专业实验室组成的实验物理教学系统。1998年3月，通过优化教学资源，建立了“物理基础课实验教学中心”，承担武汉大学本科生基础物理实验的教学任务。

2000年武汉大学、武汉水利电力大学、武汉测绘科技大学、湖北医科大学四校合并以后，物理学院对原四校的物理实验室进行了调整，进一步将全部二级专业实验整合成与学科发展紧密相连的大综合实验，建立了综合物理实验室，与原有的实验室一起组建成“物理实验教学中心”。中心现有三个基础物理实验室、近代物理实验室、综合物理实验室、物理演示实验室。

中心实行校院两级管理和中心主任负责制。中心主任全面负责中心的实验教学、建设和管理，由学校审批任免。中心现有专职教师19人，其中教授6人，副教授5人，具有博士学位11人。实验技术人员17人，其中高工、高级实验师8人，具有硕士学位4人。同时还有各类职称兼职教师26人。

在国家“985”工程、“211”重点项目等项目的支持下，近五年经费投入1000多万元，全面更新和提升了实验中心的仪器设备和环境。目前中心实验室使用面积4736m2，拥有各类仪器设备达2075台（套），设备总值达1918万元。

武汉大学物理实验教学中心承担全校理、工、医、部分文科本科生的物理实验教学任务，每年开出8门实验课程，实验项目数近200个，覆盖20个院系近50个专业6000多名本科生，年均工作量近36万人时数，实现了实验仪器设备和教师等教学资源最大限度的共享。

近三年直接由中心教师指导本科生发表的第一作者高水平论文46篇，其中发表在App.l Phys.Let.t等SCI源刊论文13篇、国内核心期刊论文5篇；2000—2002级本科生获得湖北省优秀学士论文77项（一等奖15项，二等奖15项）；2003—2006年物理学院本科生业余科研项目立项70项，其中国家大学生创新训练项目11项；获湖北省大学生优秀科研成果奖3项；获得武汉大学优秀科研成果奖15项；在大学生业余科技作品竞赛、学习竞赛中均取得了优异成绩，共获奖66项，其中获国家特等奖2项、国家一等奖14项、国家二等奖11项、国家三等奖9项，省级一等奖12项、二等奖18项。

近五年来中心教师获各类教学成果奖14项（其中国家级2项、省部级7项）；承担教学改革研究项目32项（国家级3项、省部级7项）；出版实验教材3本；发表教学研究论文70余篇。自行研制开发用于实验教学的创新实验装置8种。发表科研论文233篇，其中三大检索论文189篇，核心期刊论文44篇；主持科研项目23项，其中国家级12项，省部级8项，经费944万元；获省部级科研成果奖2项；授权发明专利12项，实用新型专利8项。

二、实验教学理念与改革思路

1.现代实验教学新理念

要提高人才培养质量，就必须重视实验教学，从根本上改变实验教学依附于理论教学的传统观念，坚持以学生为本，在传授知识的同时注重培养学生的能力和创新意识，全面提高学生的素质；建立与理论教学既有机结合又相对独立的实验教学新体系，使实验教学具有与理论教学并列的地位。在长期的实验教学和改革的实践中，凝练出“以学生为本，以能力培养为核心，以创新教育为目标”的实验教学新理念。

为了实践这一新理念，中心确立了“激发兴趣、夯实基础、增强能力、探索创新”的教学方针和“加强建设、锐意改革、注重特色、不断创新”的指导思想，并制定了以加强实验教学软硬件条件建设、建立科学的实验教学创新体系、更新实验教学内容、改进实验教学方法为重点，以培养具有创新精神和实践能力的高水平人才为目标，通过认真规划、精心组织，将中心建设成为国内一流的物理实验教学中心，我国中西部地区物理实验教学辐射和示范基地的发展规划。

2.实验教学改革思路

突破传统的实验教学模式，构建体现系统实验技能训练与实践能力、创新能力培养相结合的三大层次（基础型—提高型—研究创新型）的物理实验教学新体系；以培养学生实践能力和创新精神为目的，建立一个既包含经典基础知识，又具有时代先进性的实验教学内容体系；以学生为本，建立开放式、多样性、现代化的教学模式与方法；逐步实行现代化教育技术辅助实验教学，切实提高实验教学质量；建立实验与理论教学互通、老中青结合、教学科研能力均强、团结好、责任心强、核心骨干相对稳定的高水平教师队伍；加强实验教材和实验室建设，推进实验教学改革的发展。

具体方案是：

（1）在中心原有普通物理实验和近代物理实验分层次实验教学的基础上，打破两者界线，将部分近代物理实验下放到普通物理实验中。然后将原有分散在各教研室的多门二级学科的专业实验课有机整合成大型综合物理实验，并相应建立综合物理实验室，统一由实验中心管理。举全院之力，设立多组与学科发展紧密相连的研究创新型实验，逐步完善第三层次的实验教学。

（2）通过引入、集成信息技术等现代技术，改造实验内容和实验技术方法；将教学、科研成果转化为教学实验，扩大各层次中综合性、设计性实验比例；开设与学校物理学、材料科学、微电子学等学科发展紧密相连的研究创新型实验等措施，使物理实验教学内容更加体现时代性和先进性。

（3）在原有的普通物理实验的“分段开放式”教学模式的基础上，根据课程体系各层次的教学目标，建立基础物理的“分段开放”、近代物理的“选择开放”、综合物理的“自主开放”等多种实验教学开放形式，推进学生自主学习、研究性学习。鼓励教师积极探讨多元实验考核办法，精心设计实验方案，制作具有特色的多媒体实验教学课件，实验室配制现代化的教学辅助设施，使教学方法和手段的改革取得显著成效。

三、实验教学体系与内容

1.构建了“基础型、综合提高型、研究创新型”三大层次的实验新体系

突破实验教学依附于理论教学的传统观念，将四年本科教学中各门物理实验课作为一个整体通盘考虑，以能力和素质培养为主线，打破普物实验中力、热、电、光的界限，打破普物实验与近物实验的界限以及近物实验与专业实验的界限，将各门课程进行重组与融合；建立了由基础到前沿、由接受知识型到培养综合能力型、逐步提高的“基础型—提高型—研究创新型”三大层次物理实验教学新体系。

第一层次基础物理——以基础实验为主

该层次系统强化学生基本实验技能和实验误差分析等基本实验知识的训练。具体内容包括力、热、声，光、电、磁等基本物理性质的测量与分析。使学生达到：①正确进行实验操作，正确记录与处理数据；②观察现象，分析判断的能力；③简单设计实验的能力；④分析整理、归纳总结实验结果的能力。涉及的课程有面向理科医科类专业的“普通物理实验（一）”、面向物理、电信学院各专业的“普通物理实验（二）”和面向工科类专业的“大学物理”实验。面向物理类专业的“普通物理实验（三）”主要安排综合、设计性实验以启迪学生的创新意识，培养学生分析、解决问题的能力，以及初步的综合实验能力。

第二层次近代物理——提高型实验

以近代物理实验为主，包括十五个获诺贝尔物理奖实验。通过本层次的教学，使学生在掌握近代物理实验理论、方法和现代技术的同时，拓宽学生知识面和视野，提高学生综合运用所学知识和技能分析问题、解决问题的能力。涉及的课程有面向学院各专业的近代物理实验和面向全校的近代物理实验公选课。

第三层次综合物理——研究创新型实验

以培养学生科学研究的思维方法、进行科学研究的能力和创新能力为目标，采取专题研究实验的形式进行。通过本层次课程训练，培养学生初步建立创新意识，能利用所学专业知识或查阅科技文献资料，自主设计和制备实验样品，能寻找利用新的实验仪器与手段解决实验问题，能公开科学报告及论文撰写提交的综合能力，养成科学的实验习惯、实验室文化素养和团队协作精神。涉及的课程有面向物理、材料科学和电子科技专业的“综合物理实验”。

2.建立了即包含经典基础知识，又具有时代先进性的实验教学内容体系

站在科技前沿，在调研国内外先进实验教学的基础上，全面审视原有实验内容，按照“坚持经典与现代相结合，基础与前沿相结合，学科内涵与学科外延相结合”的方针，摒弃那些方法和手段老化的实验，合理减少验证性实验，以创造更大空间增加综合性、设计性实验，特别注重将教学和科研成果直接转化为实验内容。具体做法包括：

（1）引入现代科技知识，用新技术和新方法改造传统实验。例如，在基础物理相关实验中加强了电子天平和数字电表和光学平台的应用；引入了力、热、电磁、光传感器原理及应用的内容；加强了有关计算机智能检测等现代测量手段的应用，使学生明了传统实验的现代蕴涵。在近代物理实验中尽可能多地开设获诺贝尔物理奖的实验，以激发学生兴趣，消除科学的神秘感。

（2）利用教学研究成果设置第一层次的综合设计性实验。例如，普通物理实验中的“音叉受迫振动信号的微机采集系统”、“不良导体导热系数的智能测量”、“火灾报警器的设计与制作”、“全息光栅的制作及参数测定”、“激光散斑照相法测钠光波长与位移”、“等色谱测光波波长和定标单色仪”、“光纤温度传感特性研究”、“用偏光显微镜研究液晶相变及光学特性”；大学物理实验中的“空间滤波在遥感图片分析中的应用”、“利用霍尔器件测地磁场水平分量”、“激光多普勒频移测量”等13个实验是由中心教师的实验教学研究成果直接设计成的综合设计性实验。

（3）将科研成果转化为研究创新型实验教学内容。例如，第三层次综合物理实验中的“低维电荷密度波导体的相变和电输运性质”、“穆斯堡尔谱效应在固体材料中的应用研究”、“二维、三维或准周期光子晶体的设计与干涉制备”、“光学信息实时显示、记录、存储和处理”、“高分子软物质多相体系的制备、界面和纳米自由体积的正电子研究”、“纳米颗粒膜的制备及其三阶非线性的程控测试”、“纳米晶氧化物半导体薄膜材料的光电传感特性”、“液体中极性颗粒物质在外场作用下的自组织行为的实现与调控”、“微流控技术在细胞标记和选择中的应用”等10个实验是根据学院教师的科研成果设计的研究探索型实验项目。这类实验有利于学生“理论知识的交叉融合、实验技能的综合运用、实验步骤的连续递进、研究思路与方法的有机结合”。

（4）对非物理类专业，设计出既有物理思想，又有各自专业特色的系列实验

在信息学部实验室增设光、电子学方面的实验：如“光学信息实时显示、记录、存储和处理”、“用莫尔条纹测位移”、“光纤传感在大地测量定标中的应用”、“空间滤波在遥感图片分析中的应用”、“利用霍尔器件测地磁场水平分量”、“激光多普勒频移测量”、“虚拟仪器在温度测量与控制中的应用”等。

在工学部实验室增设力、热、电工、材料学等方面的实验：如“超声测厚”、“热管原理”、“变温粘滞系数测定”、“小功率直流稳压电源的设计制作”、“光纤传感器应用研究”等。

中心还利用物理学的原理、化学分析的方法，生物学标记为目的设计了一个跨学科，适应于物理、化学和生物三个学科专业学生选作的实验：“微流控技术在细胞标记和选择中的应用”。

四、实验教学方法与手段

1.创立了多种开放式的实验教学模式，促进学生自主学习

建立开放式实验教学模式，激发学生的求知欲，挖掘学生的创新潜能，激励学生自主创新。中心探索建立了基础物理的“分段开放”、近代物理的“选择开放”、综合物理的“自主开放”等多种开放式实验教学形式，用开放式教学思想指导实验教学全过程，努力营造创新型人才的培养环境。

所谓“分段开放”，即在学生完成必做的基本实验后，再按普通物理实验（一）、（二）、（三）对学生进行分阶段开放，开放的程度、方式、内容逐渐递进。开放实验的内容以综合性、设计性实验为主（包括学生自己提出的小课题），实验题目由学生根据自己的兴趣、能力、专业方向自由选择；实验时间由学生自由支配。

所谓“选择开放”，即在近代物理的必做实验中鼓励学生选择或改变实验样品、实验方法或自行拟定实验步骤；选择部分难度较大的综合实验，鼓励学生利用课外开放时间完成实验；选择部分仪器全天候对学生开放，让学生完成专题实验、业余科研课题、本科毕业论文等。对全校本科生开设的近代物理实验公选课，实行网上选课预约开放。根据学生来自院系和专业不同，分别开出相关实验供学生选做。

所谓“自主开放”，即在“综合物理实验”中，从资料查阅、方案设计、实验实施，到结果分析全部要求学生自主完成，实验室在时间和空间上对学生全方位开放。其教学特点是：

（1）综合设计的自主性。从查阅资料、提出初步方案到完善方案、实施和完成设计、以论文形式写出总结报告这一全过程要求学生自己动手。教师则定期组织学生们进行小组讨论，给学生找问题、指方向，让学生充分体会发现问题、解决问题的难度，进一步培养学生分析、解决问题的能力，培养学生的团结协作精神，引导学生“在干中学，在学中干”。

（2）设计方案的多样性。鼓励学生设计的多样式，如在“硅平面器件制作及性能表征”实验中学生可以自主选择衬底材料和自主设计工艺参数。对设计有特色的方案，拿出来供大家讨论和学习，定期组织学生进行报告，鼓励学生的创新精神。

（3）实验时间的连续性。一个综合设计型或研究创新型实验全程约六到八周（36～54学时），学生通过完成这样的大综合实验，达到全方位提高他们对所学知识的综合理解和多种现代实验方法、现代技术的运用，提高他们的实践能力和综合能力。

（4）实验室的开放性。不规定实验时间和次数、不安排学生的实验顺序，学生可以随时到实验室做实验；核算实验累计完成的时间。实验室采用任课教师与高年级研究生协调管理的模式，使实验室可以对学生全天候开放。

2.建立多样性的实验教学方法，培养学生创新意识

从启迪学生科学思维和创新意识出发，精心设计实验方案。

（1）利用同一仪器设计多种实验。例如，利用棱镜单色仪设计了四种实验：“介质膜片透射光谱测量”、“等色谱定标单色仪”、“钕玻璃吸收谱测量”、“光源时间相干性研究”。

（2）用不同仪器或方法完成同一目的实验。如分别采用“迈克尔逊干涉仪法”、“光栅衍射法”、“激光散斑照相法”、“等色谱法”等测定光波波长；又如，在光学材料折射率的综合测量实验中，要求学生针对不同的测量对象、设计多种方法进行折射率测量，如采用最小偏向角法、掠入射法、全反射法、位移法、迈克尔逊干涉仪法、夫琅和费双缝干涉法、偏振法、激光椭偏仪法等。

（3）用传统手工操作和现代计算机程控两种技术手段完成同一实验。例如“硅平面器件制作与性能表征实验”中，采用自制“手工操作”的和商业“计算机程控”的两种半导体综合性能测试仪来分析半导体综合电输运性质。前者使学生看得见仪器内部结构，明了仪器结构的物理图像，思考手工操作的人为因素对测量结果的影响；后者使学生学习现代计算机程控技术在科研中的实际应用，体会现代技术手段的准确、快速和高效。

3.引入现代数字网络信息化实验教学技术手段，提高学生学习效率

中心已建立“武汉大学物理实验中心教学网站”，除各门实验课教学资源全部上网外，还辟有实验室导航、网上选课、中心论坛、主任信箱等栏目，实现网上辅助教学，方便和促进了学生自主学习和互动式教学，同时也提供了校际间实验教学的交流平台，扩大了教学覆盖面，提高了教学效果。

每个实验室都配有投影仪，根据不同实验课教学内容的差别，做成各种多媒体实验指导课件（50多个），极大地丰富了教学内容，提高了教学效果和效率，深受学生欢迎。

利用计算机设计制作了精美的实验挂图，辅助课堂实验教学，使学生可以随时学习参考，受到了学生和参观者的一致好评。

营造科学的人文环境。在各实验室走廊与大厅悬挂中心教师精心设计制作的科普展板，介绍著名科学家、著名物理实验、典型诺贝尔物理奖和科普知识，宣传科学家的名言警句，使学生在做实验的同时感受科学的人文氛围，以增强学生的科学素养。

五、中心特色

秉承百年老校的传统，中心率先并坚持以“三基”培养为基础，以创新能力培养为目标的实验教学改革与探索与实践。从20世纪80年代初起，率先在光学实验教学中提出并实践“综合实验”和“设计实验”，并随后实行“分段开放式教学”。创立了以前沿科研成果转化为主要来源的具有学科交叉和研究创新特色的大型综合物理实验（研

究创新型实验）课程平台，从而构建了“基础型-提高型-研究创新型”的分层次实验教学新体系；创立了特色鲜明

的三种开放式的实验教学模式。

依托学科整体发展优势，建立提供学生创新意识培养和创新能力训练的实验教学平台。教学内容改革坚持“经典与现代相结合，基础与前沿相结合，学科内涵与学科外延相结合”，为了提供学生创新能力训练环境，注重将教研成果和科研成果转化为教学内容；从启迪学生的科学思维和创新意识出发，注重实验方案设计的多样性。利用武汉大学多学科大综合的优势，以理学为主，理工渗透，全面提升基础物理核心实验内容的水平。

由于长期坚持实验教学改革，成果突出，2007年跨入国家级物理实验教学示范中心建设行列。