大學物理實驗教學改革探索*

●劉文利 劉東紅 李蕾

大學物理實驗教學改革探索*

●劉文利 劉東紅 李蕾

大學物理實驗改革是當今培養(yǎng)大學生科學探究能力、實事求是的科學態(tài)度和敢于創(chuàng)新的探索精神的必然需求。本文就大學物理實驗教學中存在的問題進行了分析，結(jié)合教學實踐，介紹了在教學內(nèi)容、教學方法以及考評方法等方面進行的改革性嘗試。在大學物理實驗教學中，努力為學生構(gòu)建一個研究性學習的平臺。

大學物理實驗；教學改革；創(chuàng)新能力培養(yǎng)；研究性學習

一、大學物理實驗教學存在的問題

物理學本質(zhì)上是一門實驗科學。物理實驗是科學實驗的先驅(qū)，體現(xiàn)了大多數(shù)科學實驗的共性。大學物理實驗作為一門基礎(chǔ)性實驗課程，由于具有豐富的實驗思想、方法、手段，在培養(yǎng)學生的科學實驗能力，分析解決問題的能力以及創(chuàng)新意識和探索精神方面具有其他實踐性課程無法替代的作用。該課程不僅應使學生得到基本科學實驗技能的訓練，更主要的是要培養(yǎng)學生的科學思維和創(chuàng)新意識，提高學生理論聯(lián)系實際的能力、分析問題能力和創(chuàng)新能力，與科學技術(shù)發(fā)展相適應的綜合能力。[1]面對科學技術(shù)發(fā)展的趨勢和社會對創(chuàng)新型人才的需求，大學物理實驗教學要不斷改革創(chuàng)新。近幾年各高校對大學物理實驗進行了不同層次的多方面的改革，取得了可喜的成績和大量的寶貴經(jīng)驗，但由于教學觀念和客觀條件等各種原因，現(xiàn)行的大學物理教學內(nèi)容及教學方式上尚存在一定的問題，制約了大學物理實驗教學在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才方面應有作用的發(fā)揮，不同程度的存在以下幾方面問題。

（一）教學體系和教學內(nèi)容設(shè)置有待調(diào)整

基礎(chǔ)性實驗和驗證性實驗偏多，而與專業(yè)特點相關(guān)的應用性實驗以及具有激發(fā)學生創(chuàng)新性思維的綜合性實驗和研究性實驗不足。教學內(nèi)容和實驗設(shè)備較為陳舊，與現(xiàn)代實驗技術(shù)和方法接軌不夠，難于激發(fā)學生的興趣和熱情。

（二）教學模式和教學方法有待改進

整個教學過程基本以教師為主，學生只是被動地按照實驗指導的步驟進行操作，按部就班的完成相關(guān)內(nèi)容，始終處于從屬的位置，缺乏獨立思考的空間，與教師之間缺乏交流與互動。在很大程度上影響了學生學習主動性、獨立性和創(chuàng)造性的發(fā)揮，影響了他們科學思維方式的建立和形成，不利于培養(yǎng)學生的科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

（三）實驗成績考核有待完善

由于每個實驗人數(shù)較多（18-20人），兩人為一組進行實驗，教師無法詳細了解每位學生的實驗操作情況，基本是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和實驗報告進行成績評定，造成了“重結(jié)果、輕過程”的現(xiàn)象，不能夠全面客觀地反映學生的綜合實驗能力。

二、大學物理實驗教學的改革嘗試

（一）調(diào)整教學體系和教學內(nèi)容

圍繞著培養(yǎng)學生基本科學實驗技能和提高學生科學素養(yǎng)的培養(yǎng)目標，為了開出較高質(zhì)量的大學物理實驗課，我們對課程內(nèi)容進行了重新設(shè)置。一方面，根據(jù)實驗室的現(xiàn)有條件，減少了基礎(chǔ)性實驗，增加了綜合性和研究性實驗，盡量使基礎(chǔ)性、綜合性、研究性三個層次的實驗內(nèi)容和比例趨于合理。[2，3]另一方面，在科學和技術(shù)迅速發(fā)展的今天，高等教育必須適應社會的發(fā)展。我們在基礎(chǔ)性實驗中也加入了一定的現(xiàn)代測量技術(shù)元素，例如激光、光纖、傳感器等，增加了基礎(chǔ)性實驗的技術(shù)含量，在研究性實驗中引入了現(xiàn)代光學測量技術(shù)、自動檢測技術(shù)以及仿真實驗技術(shù)的應用，使近代的科學技術(shù)在實驗中有所體現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理是實驗中的重要環(huán)節(jié)，我們在各個實驗中有側(cè)重地運用了不同的數(shù)據(jù)處理方法，使學生在實驗過程中，結(jié)合具體實驗不斷加深理解和掌握誤差理論和各種數(shù)據(jù)處理方法。

（二）教材建設(shè)的改進

根據(jù)實驗室現(xiàn)有實驗儀器設(shè)備的具體情況和教學大綱，由擔任實驗課的教師集體編寫并出版了大學物理實驗教材，新教材的改革思路是在保持現(xiàn)行教材原理敘述嚴謹、步驟清楚的基礎(chǔ)上，在教材的趣味性和實用性方面有所突破。具體做法是，一是對實驗發(fā)展歷程進行趣味性較強的簡介，以提高學生閱讀教材的興趣。二是增加實驗方法、儀器在實際工程中的應用介紹，努力使學生在學習物理的實驗方法和實驗技能的同時，得到更多的聯(lián)系實際應用的啟示。此外，針對我們是面向所有工科類專業(yè)學生同時開課，實驗課學生循環(huán)不能同步的特點，將實驗理論應用合理地分布在各實驗中，使學生結(jié)合具體應用，更好地掌握誤差理論和數(shù)據(jù)處理方法。為了使學生在課前對實驗儀器和實驗現(xiàn)象有直觀的了解，教材中所有實驗儀器設(shè)備基本都配有實物照片，許多實驗現(xiàn)象也采用照片或較為逼真的圖片進行了描述，對學生提前預習起到了很好的作用。

（三）改進教學模式和教學方法

現(xiàn)代教學理念認為，學生是學習的主體，教師是教學過程的服務者。這就要求在教學過程中，教師要充分激發(fā)學生的求知欲，積極調(diào)動學生主動性和積極性，更多地引導學生自己動腦、動手去發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。[4]

圍繞著加強學生素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標，我們在調(diào)研了國內(nèi)外高校物理實驗課開設(shè)情況的基礎(chǔ)上，對上課模式進行了調(diào)整改革，把每個實驗的學生人數(shù)由18人減少至12人，把每個實驗由3學時改為4學時，將“老師講，學生照著做，課后提交實驗報告”的上課模式改變?yōu)椤罢n前預習寫討論提綱，學生自主做，課堂討論，當堂提交數(shù)據(jù)處理”的方式。課前就把討論的問題發(fā)給學生，以便于他們查閱資料并通過實驗進行準備，整個實驗過程基本由他們自主完成，思路由他們?nèi)ハ?，困難由他們面對，問題由他們分析和解決，教師僅進行巡視和個別必要的指導。實驗完成后，當堂進行數(shù)據(jù)處理。之后，用近一學時的時間由教師組織學生進行討論，以兩人實驗小組為單位，分別對不同問題進行主要發(fā)言，問題涉及實驗原理、實驗方法和操作、數(shù)據(jù)處理、實驗的歷史背景以及實驗在現(xiàn)代技術(shù)中的應用等方面，教師最后進行點評和總結(jié)。在整個實驗過程中，學生始終是主角，更多地依靠他們自己去發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，在很大程度上激發(fā)了他們對大學物理實驗課的興趣和積極主動的探索精神。通過討論環(huán)節(jié)，使他們對實驗原理、實驗方法，以及一些有重要影響的物理實驗的歷史背景、發(fā)展過程、現(xiàn)實意義和在現(xiàn)代科學技術(shù)中的應用有了進一步的掌握和了解。學生積極發(fā)言，形成了生生互動和師生互動熱烈的局面。對提交的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，教師當堂與學生進行交流，及時面對面糾正存在的問題。同時對個別有條件的實驗，在實驗室擺放了1-2套采用其它原理方法的實驗儀器，作為演示和選作內(nèi)容，以便于學生對實驗方法進行比較，開拓他們的眼界。這種學習的過程不是以學生理解、掌握確定性的知識為目的，而是注重培養(yǎng)和發(fā)展他們的創(chuàng)新性思維能力，獲得科學研究的體驗，為他們今后從事科學技術(shù)工作奠定基礎(chǔ)。在此過程中，使大學物理實驗課盡可能體現(xiàn)自主性、合作性、研究性和開放性的學習方式。

每個實驗學生人數(shù)的減少使教師有時間和精力對學生進行一對一的指導，對學生的實驗操作情況有更直接的了解。擔任實驗課的教師對課堂討論方式也做了大量有益的嘗試，取得了很多寶貴的經(jīng)驗。雖然每個實驗增加了一學時，但學生感覺課程內(nèi)容充實，課堂時間利用率高，收獲大。與此同時，這種互動式、開放式教學也對我們教師的知識水平和能力提出了更高的要求。使我們更加深刻地認識到，要做一名合格的教師，不僅要具備扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識，還應該具有與本專業(yè)相關(guān)的多學科知識，了解學科前沿的發(fā)展動態(tài)。具備了寬厚和與時俱進的知識，才能在授課中做到深刻而具有啟發(fā)性，自如而又游刃有余。因此，教學模式的改變也調(diào)動了教師的積極性，促使教師自身通過不斷學習提高知識層次、豐富知識面，追蹤了解最新科學研究進展，不斷增加和更新自己的知識儲備，更好地引導和培養(yǎng)學生的科學實驗能力、嚴謹?shù)目茖W態(tài)度、主動的探索精神和積極的創(chuàng)新思維。通過這樣的教學過程，也能夠使學生感受到科學技術(shù)的發(fā)展過程是曲折的，一種實驗思想和方法也不是一蹴而就的，科學每向前推進一步，都要經(jīng)歷艱苦的工作甚至是漫長的過程。而且，人類對于客觀世界的認識還有待于完善，還有大量的問題有待解決和發(fā)展。

根據(jù)我們對學生做的問卷調(diào)查結(jié)果，教學模式的改變收到了很好的反響，得到了學生的普遍肯定和歡迎。認為這種上課模式使他們在掌握實驗研究的基本方法的同時，提高了分析能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了科學思維和創(chuàng)新意識。學生的正面反饋又極大地鼓舞了教師進行進一步教學改革探索的積極性，形成了一種良性循環(huán)。

為了進一步深化教學改革，我們又購置了部分儀器設(shè)備，建立起了演示實驗室，以開闊學生眼界，增長見識。著手進行了多項實驗改造工作，在現(xiàn)有的部分綜合性實驗中引入研究性實驗的內(nèi)容，提高大學物理實驗的層次，這類實驗的開發(fā)是以科研實踐為主題，讓學生盡早了解科研的方法和過程，接觸更多書本以外的知識，了解現(xiàn)代物理的發(fā)展趨勢和核心技術(shù)的應用，鍛煉他們的獨立科研能力。通過由基礎(chǔ)到綜合和研究性實驗的層次化教學過程，進一步吸引學生的學習興趣，提高學生的科學素質(zhì)和研究能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新精神，努力將大學物理實驗課建設(shè)成學生研究性學習的重要平臺。[5]

（四）建立科學合理的大學實驗考核評價細則

近幾年，大學物理實驗雖然是獨立設(shè)課，但基本是通過實驗操作和實驗報告兩部分綜合成績來進行考核，其中以實驗報告為主。這種考核顯然是不全面的，比較容易過關(guān)，很容易導致學生對實驗課的重視程度不夠，馬虎應付，這對于工科類學生的實驗能力和創(chuàng)新能力的較高培養(yǎng)要求是不相適應的。為此，我們根據(jù)考核內(nèi)容在培養(yǎng)學生能力和素質(zhì)中所起的作用，合理設(shè)置權(quán)重，制定了切實可行、科學合理的實驗考核細則。學生每一個實驗的成績由實驗操作、數(shù)據(jù)處理和討論三部分成績構(gòu)成，每一部分所占權(quán)重根據(jù)各實驗的難易程度和側(cè)重面來確定，學生預習的情況可以通過三個環(huán)節(jié)得到充分反映。每個實驗成績都在最后成績中占有一定比例。代替每次提交實驗報告，我們選擇少部分實驗提交實驗報告，以鍛煉學生撰寫實驗報告的能力。此外還要求學生每學期撰寫一篇實驗論文，讓低年級的學生了解論文撰寫的基本格式和過程，也計入最后成績?？己朔绞降恼{(diào)整，使學生感受到一定壓力，但同時也提高了他們的興趣，調(diào)動了他們的積極性和主動性。對每個實驗都能認真預習，積極思考，盡量掌握實驗的精髓，學有所得。

面對科學技術(shù)日新月異的發(fā)展和社會對創(chuàng)新型人才的迫切需求，國家大力提倡和實施素質(zhì)教育，大學物理實驗課應該在該過程中起到更為重要的作用，應力爭把大學實驗課建設(shè)成為一門適應時代發(fā)展培養(yǎng)高素質(zhì)人才的基礎(chǔ)學科，大學物理實驗的教學內(nèi)容應更多地反映科學研究過程，跟蹤科技發(fā)展動態(tài)，教學手段應改變傳統(tǒng)的單一教學模式，逐步向自主性、研究性和探索性的學習模式過渡，因此大學物理實驗的教學改革是一項長期而艱巨的任務。我們對于大學物理實驗的改革雖然取得了初步的成效，得到了學生的肯定，但還需在各方面的大力支持下，廣大教師在教學實踐中做大量的工作去不斷完善，才能使大學物理實驗教學在創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)中發(fā)揮其應有的作用。

[1]高等學校物理基礎(chǔ)課程教學指導分委員會.理工科類大學物理實驗課程教學基本要求（2010年版）[M].北京：高等教育出版社，2010: 15-18.

[2]安文.普通物理實驗課中開展綜合設(shè)計性實驗教學研究[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2007，（5）.

[3]周殿清.普通物理實驗中綜合性、設(shè)計性實驗的開設(shè)[J].物理實驗，2005，（1）.

[4]魏江，汪昭，李嘉亮.大學物理實驗改革研究[J].常熟理工學院學報（教育科學），2013，（6）.

[5]黃云霞，徐淑武.大學物理實驗改革中研究性學習模式的應用[J].黑河學刊，2012，（11）.

（責任編輯：何言）

劉文利/山東大學物理學院教授，博士，研究方向為凝聚態(tài)物理劉東紅/山東大學物理學院副教授，大學學歷，研究方向為原子分子物理李蕾/山東大學物理學院副教授，碩士，研究方向為凝聚態(tài)物理

山東省教育科學“十二五”規(guī)劃重點課題“注重素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的大學物理教學改革探索”（項目編號2011GZ090）；山東省高等學校教學改革立項課題“大學物理實驗改革與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)”（立項編號2012108）。