复旦大学核技术专业实验教学体系的创建与运行

时间:2022-09-10 05:21:21

复旦大学核技术专业实验教学体系的创建与运行

摘 要:2009年复旦大学恢复重建本科核技术专业,恢复重建后的复旦大学核技术专业构建了新的本科生专业实验教学体系。为了建设有特色的核技术专业本科实验教学体系,首先开设少而精的专业基础实验,使学生能够得到严格的、必要的核相关基本实验技能训练;在此基础上,利用本系拥有的在上海地区少有的大型设备,开辟核技术综合实验教学平台。在建设一个有特色的核技术专业实验教学基地的同时,我们还注重建设课外实践环节,提高运用知识进行科学研究和技术应用的能力。

关键词:核技术专业;实验教学体系;课外实践

核科学与技术在能源、航天、生物医学、农业等领域的广泛应用,急需高水平的核科学与技术人才和高质量的核科学研究作为支撑。由于过去多方面的原因,目前我国核科学与技术方面的人才严重缺乏,尤其缺乏有发展潜力的中青年拔尖人才和领军人物,这已成为我国核科学与技术事业发展中的一个瓶颈制约。与此同时,我国核科学领域的科研水平也与国际先进水平有了较大差距。

为了改变这一现状,复旦大学在本科核物理专业停办15年后,于2009年又恢复重建本科核技术专业,并在当年就招收本科生。复旦大学核技术专业的建设规划是以培养国家紧缺的、高层次核技术专业人才为指导思想,依托复旦大学整体学科优势,通过课堂教学、科研训练、社会实践构成的人才培养体系,注重学生综合素质的培养,培养学生创新思维能力、主动学习能力、科学研究能力和核技术专业综合能力。在紧缺的核技术专业人才的培养过程中,创建符合人才培养需要的专业实验教学体系是至关重要的。几年来,我们通过教育部和上海市重点项目建设平台正在实现这一目标。

一、形成有特色的、层次化的核技术专业实验教学体系

目前,我国大多数高校的核物理或核技术等相关专业,在“核相关实验”课程教学中还在沿用1984年出版的《核物理实验》(北京大学、复旦大学主编)教材所构筑的框架体系。该教材确实是一本很好的核相关实验教材,其中包括不少经典的核物理实验。然而,从该书出版至今已近30年,科学技术的进步使核辐射探测与测量领域已经发生了很大的变化与发展。因此在当前的新形势下,我们构建的核技术专业实验教学体系除应汲取前人的精华,同时也要体现科技进步对学科的影响。此外,与国外学生相比,我国学生普遍动手能力较弱。

为解决上述问题,我们所构建的本科生专业实验教学体系,包含了面向本科生开放的教师科研的大型设备(诸如串列加速器和EBIT装置以及基于它们的科研大平台),让学生有机会接触大型实验装置,以拓宽他们的视野。在给予学生更多的动手机会使他们经过大型实验训练提高专业素质的同时,又要避免因学生的误操作造成设备损坏而影响教师的正常科研活动,所以在他们接触大型实验装置之前,必须经过严格的专业训练,使之具备良好的实验操作技能和规范的操作习惯。

复旦大学核技术专业实验教学体系的建设以本科人才培养为核心,形成一个符合国家建设和社会发展的、有特色的、层次化的核技术专业实验教学体系。注重建设与学生的专业综合能力相关的专业实验教学与实践环节,通过启动校内本科生学术研究活动“曦源项目”和到企业、科研院所等环境中开展科技学术活动,在浓厚的学术氛围中培养学生对科学研究和技术应用的兴趣与奋斗精神,增强对科学研究过程及规律的认知,提高运用综合知识及技能进行科学研究和技术应用的能力。

1.积极建设少而精的专业基础实验

我们本着少而精的原则,高起点地建设好8个核相关基础实验。这些实验包含了核科学领域里非常经典的实验,如核衰变统计规律、物质对γ射线的吸收、康普顿散射、符合法测量放射源活度等,其中涉及的随机概念、核辐射与物质的相互作用特点对核科学工作者是非常重要的。实验的设置中也考虑到现代科技的发展对该学科的影响,我们通过α能谱测量、β能谱测量和X射线能谱测量,使同学接触到金硅面垒探测器、注入型硅探测器及半导体制冷的Si-PIN探测器,同时在实验过程中掌握不同核辐射的能谱测量方法。考虑到从事核科技实验,掌握正确的辐射防护理念是至关重要的,在学校“985工程”三期建设教学经费的支持下,我们增设了“辐射外照射防护方案设计”实验,以加深学生对辐射防护的理解和防护手段的选取。同时,我们还建设了“核技术在工业中的应用”实验项目,通过测量料位和料厚使学生熟悉、加深理解核技术在工业中的应用方法与特点,以激发学生产生更多的想法和灵感。

通过专业基础实验的训练,使学生熟悉核科技领域基本探测设备的使用,结合学生前期的“核辐射探测与测量方法”、“核电子学”和“辐射防护”等理论课程的学习,使学生在掌握辐射防护相关知识、掌握核辐射探测与测量技术的基本原理与方法的基础上,接受严格的专业基础实验训练,熟练掌握实验技能,并养成良好的实验习惯。在实验过程中,我们注重对学生实验操作规范、实验记录和实验报告撰写规范的培养。俗话说“没有规矩,不成方圆”,对于本科生的实验,尤其是核相关实验,培养训练学生的专业实验素养是开展核相关基础实验教学的一个非常重要的任务。

2.着重建设有特色的核技术专业综合实验项目

针对我国本科生动手能力相对较弱的不足,我们充分利用本系实验室具备的上海地区少有的大型设备,如串列加速器和EBIT装置以及基于它们的研究平台等优势,开辟综合实验教学平台,对学生进行核技术、核电子学、光探测、带电粒子探测、真空、低温、高压、自动控制以及数据获取等方面的综合实验技能训练。我们建设了超高真空获得技术、高电荷态离子光谱测量技术和弹性散射分析技术等8个核技术综合实验项目。通过这些实验,学生将接触到核科技领域中许多大型装置的超高真空获得与测量技术,包括分子泵、离子泵、吸附泵、冷凝泵等以及各种真空条件下的真空测量技术;学习核技术在生物、材料、考古等领域的应用;学习各种光谱仪、半导体探测器、位置灵敏探测器在基础和应用研究中的使用。在实验过程中,我们重视学生开展大规模实验的计划安排、相关知识的准备、彼此协作能力的培养。

3.将实验教学环节向课外延伸

在建设一个有特色的核技术专业实验教学基地的同时,我们还注重建设课外实践环节。通过启动校内本科生学术研究项目,把培养学生动手实验、设计实验和创新实验的能力落到实处。如前提到的,复旦大学的本科生科研计划“曦源项目”就为我们提供了这样一个机会。一年的项目执行期可以使学生有较充裕的时间去了解、体会科研是怎样进行的,在此过程中去培养学生设计实验、动手实验和创新实验的能力。我们还在专业培养方案的框架内,通过组织学生到中国工程物理研究院、中科院上海应用物理研究所等科研院所参加专业实习实践活动,在浓厚的学术氛围中培养学生对科学研究与应用的兴趣,增强对科学研究过程及规律的认知,提高运用综合知识进行科学研究和技术应用的能力。

通过将实验教学向课外延伸的实施,使我们的专业实验教学体系形成一个全方位、开放式的教学模式。

二、核技术专业实验教学体系的运行实践

目前,复旦大学核科学与技术系核技术专业实验教学体系已基本建成。核相关基础实验室已建设完毕,2009年恢复招生入学的第一届核技术专业本科生已于2012年2-6月接受了核相关基础实验的训练;综合实验教学平台已按计划完成建设,2012年9月份第一批本科生开展了核技术综合实验教学活动;“曦源项目”从2010年在核技术专业本科生中正式启动以来,已顺利完成了两批本科生研究项目。该专业实验教学体系的运行实践取得了明显的效果。

1.在“核相关基础实验”教学中强调规范严格的训练

前面我们提到,“核相关基础实验”主要是对本科生进行核辐射探测与测量及防护的基本方法、基本技能的训练,在训练过程中重点培养学生的专业规范。在基础实验中,我们采取模拟科学实验的方法进行,两个同学一组。每个实验分两次进行,两周完成一个实验。第一次结合实验讲义和实验设备进行充分的预习,完成预习报告和预习思考题,熟悉实验设备;第二次正式完成实验。每个实验每位同学都需要提交一份正式的实验报告。也就是在实验中两名同学彼此配合,实验后各自处理实验数据完成实验报告。因此,在实验中培养了学生的独立工作能力和合作能力。从已完成的核技术专业2009级本科生的基础实验训练中,我们发现经过训练,学生已养成了良好的实验操作规范和实验报告撰写规范。几次实验后,学生能够熟练地对设备进行连接,选取正确的实验参数,按照规程进行正确的操作,实验完毕后对设备进行整理、复原。从实验报告中我们可以明显地看到学生在训练过程中逐渐养成了实验报告撰写规范,其中包括对实验室温度、湿度、实验设备号、实验设备参数等的记录和对数据的重新整理、处理、规范作图表等。对于科研实验人员来说,科研实验很少有一次就顺利完成的,总是要经过一个曲折的过程。而在这个过程中,进行正确、详尽的记录,进行及时的小结都是非常必要的。因此,在基础训练中,我们极力让学生养成这样的习惯:在给出实验数据前一定要给出获得这些实验数据的实验条件,然后给出实验数据的处理,最后给出结论和实验小结。在对学生实验成绩评定中,我们还事前明确要求学生在完成实验后须恢复实验开始时的实验室环境状态,包括凳子须放回原处,旨在养成一个良好的实验工作习惯。

2.通过“核技术综合实验”得到准前沿科学研究的训练

在完成基础实验训练的基础上,2009级学生已于2012年9月进入核技术综合实验的教学环节。综合实验教学平台已建设完成,实验教学的方案已经确立。

“核技术综合实验”的8个实验教学项目分别在本系教师的各科研大平台上进行。每个教学实验项目设置主要体现基于该科研平台的主要研究技术,如高真空(超高真空)获得技术、光谱测量技术、扫描质子微探针技术等。在实验训练过程中,学生在充分了解科研平台的基础上,重点掌握主要研究技术的原理和实验过程、数据处理方法。实验后,要求每位学生都要提交一份正式的实验报告。我们希望通过这一环节的训练,学生能了解并初步掌握各种科研平台的关键技术,这样可以在以后的学习和工作中将该技术应用到具体的研究中去。我们在这里举一个例子:扫描质子微探针技术是在“质子X荧光分析”基础上发展起来的一种多元素的痕量分析技术,将入射质子束聚焦成细束,可对样品进行空间上的扫描,产生的特征X射线用Si(Li)探测器进行测量,此法能显示样品中所含元素成分的空间分布。我们依托扫描质子微探针科研平台提炼出“扫描质子微探针技术”实验项目,通过该实验的训练,使学生掌握样品中所含元素成分空间分布的研究技术,在今后的学习或工作中,可以将该技术应用到生物、医学等多种领域。

在“核技术综合实验”这一教学环节,我们希望通过一种准前沿研究的训练,使学生具有坚实的核相关实验能力,并熟悉和掌握利用大型设备开展核科学与技术研究所需要的综合技能。

3.利用“曦源”项目的实施,把培育学生的科研素养落到实处

本科生“曦源”项目是复旦大学教务处设立的本科

生学术研究资助计划,其宗旨是为了充分发挥复旦大学作为研究型大学具有师资力量强、学术气氛浓的优势,依托各教学和科研实验室,进一步拓展本科生学术研究资助平台,为本科生创造更多进入实验室、体验学术研究的机会,从而加快创新性人才的培养。项目申请者要求是复旦大学本科一、二、三年级学生。通过项目的执行,为本科生进入实验室尤其是低年级本科生进入实验室提供了机会。在完成了“曦源”项目后,学生积累了一定的科研工作经验,可以申请李政道先生以纪念其已故夫人秦惠莙的名义创立的“莙政学者”项目和复旦大学推出的基础学科拔尖学生培养试验计划“望道计划”等项目。

通过“曦源”项目的执行,本科生可以积累一定的科研工作经验,知道科研工作是怎样开展的,包括与导师讨论确定选题,完成文献综述,进行实验,必要时进行改进等。我们在建设核相关基础实验过程中就指导过两位学生进行“曦源”项目,内容是对我们实验室新引入的能量色散X射线能谱仪的最佳实验条件进行摸索。在项目的进行过程中,两位学生在充分调研的基础上完成了文献综述,对X射线能谱仪的原理和使用有了充分的了解。在他们进行该项目研究时,X射线探测方面的专业课还没有上,这个项目对他们学好后续专业课起到了激励的作用。在进行最佳实验条件的摸索过程中,遇到了许多问题,如“即使实验条件相同,但设备配套软件给出的能量分辨率变化很大”等,两位学生通过查阅有关书籍、与导师讨论、与厂商沟通等,解决了这些问题,最终给出了最佳工作范围。通过“曦源”项目,学生不仅对科研工作过程有了很深的了解,尤其在发现问题、思考问题和寻求解决问题方面,得到了很好的锻炼;而且在此过程中独立开展科研工作和与人合作沟通的能力也得到了提高。

“曦源”项目是依托教学和科研实验室的本科生学术研究计划,这与我们的核技术综合实验教学平台的建设初衷相仿。“曦源”项目的执行时间一般是一年的时间,比较充裕;而“核技术综合实验”作为一门实验课程运行,每个项目实验时间有限,只有1~2天的时间。因此,教师在利用科研平台指导学生进行“曦源”项目的过程中,也对相关的“核技术综合实验”项目做了进一步的提炼和完善。

[本文获“教育部与财政部批准的高等学校特色专业建设点——复旦大学本科核技术专业”建设项目和“上海高校本科重点教学改革项目”的资助]

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