大學物理實驗自主開放教學及教材編寫

胡 澄，林上金，白 忠，陳 宣，翟孝月，秦 猛

(解放軍理工大學，江蘇南京 211101)

大學物理實驗是軍校對學員進行科學實驗基本訓練必修的基礎(chǔ)課程，是學員接受系統(tǒng)的實驗方法和實驗技能訓練的開端。大學物理實驗覆蓋面廣，具有豐富的實驗思想、方法和手段。它在培養(yǎng)學員的嚴謹治學態(tài)度、科學實驗能力、敏銳的創(chuàng)新意識、理論聯(lián)系實際解決問題的綜合應(yīng)用能力等方面具有其他實踐類課程不可替代的作用。大學物理實驗課的自主開放式教學有利于培養(yǎng)學員的創(chuàng)新精神、科學素質(zhì)和實踐能力，引導學員學會學習和掌握探究科學本質(zhì)的方法，為終身學習和工作奠定基礎(chǔ)，為軍事指揮人才積累發(fā)展后勁。

教學離不開教材，優(yōu)秀教材應(yīng)當是學員學習和參考的工具［1］。不可否認，現(xiàn)有大學物理實驗教材主要強調(diào)的是知識結(jié)構(gòu)的全面與簡潔、目的原理的明確與清晰、方法步驟的詳盡與可行，而缺乏對自主開放教學和自主學習能力的引導，如何在教材編寫中應(yīng)用這一教學思想與方法，無疑是值得研究的。

1 自主開放式教學的特點

大學物理實驗教學的本質(zhì)特征就是引導學員積極參與有結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗學習［2，3］。一方面是體現(xiàn)以學員為中心，讓學員掌握一定的操作技能，熟悉常用的科學探索方法，加強理論知識的理解力，揭示各種現(xiàn)象的變化過程以及對這種變化過程的描繪和預測，在實驗室把前人的經(jīng)驗通過儀器操作重現(xiàn)出來;另一方面以這些經(jīng)驗為指導對新問題進行探索，培養(yǎng)學員的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。因此，大學物理實驗自主開放式教學應(yīng)立足于“以學員為主體、教員為主導”，從人才培養(yǎng)體系的整體出發(fā)，激發(fā)學習興趣，調(diào)動學員的積極性和主動性，學員作為課堂教學的主人，讓學員主動融入教學活動的全過程，體會提出問題、解決問題、創(chuàng)造新事物的認知過程，培養(yǎng)學員的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，發(fā)展學員的創(chuàng)造性思維。

從教員的角度來看，對學員在選題和進度上起主導作用，師生在針對學習目標的形成性評價中構(gòu)成搭檔關(guān)系，教員作為資源的管理者、支配者、指導者、組織者和研究者，教員能將內(nèi)容個性化并批判性的對待;從課程的角度來看，自主開放式課程產(chǎn)生于學員個人和(或)小組的興趣，自主學習過程占主導，問題是開放的、現(xiàn)實的，信息只在解決現(xiàn)實問題需要時尋求，知識作為學員合作探究的工具;從學員的角色來看，學員在教學中的任務(wù)、活動基于小組的合作與分工，應(yīng)用知識發(fā)現(xiàn)、研究和解決問題，學員處于主體地位，能富有個性的解釋和批判知識，而不是被動的在接受式中上課聽講、消化知識、學員積累儲存知識以備將來之用。

由此可見，自主開放式教學具有三個顯著特點:

(1)學習的環(huán)境寬松、民主。自主探究式教學中，學員可以自由自在地探索問題，大膽猜想、自由討論，發(fā)表不同的觀點。

(2)課堂學習以自主探究為主。教學過程中，學員獨立思考、合作討論，知識由學員自己發(fā)現(xiàn)，困難由學員自己克服，能力由學員自己在自主探索中提升。

(3)課堂上信息交流以多向交流為主。課堂教學中，信息交流的渠道是多向的:小組內(nèi)組員之間的交流;集體討論時全體學員之間的交流;實驗過程中師生之間的交流等等。

2 自主開放式教學的運用與實驗教材編寫

自主開放式教學理念是根據(jù)大學物理實驗教學的實踐總結(jié)出來的，也是由大學物理實驗教學的特點決定的。然而，如何使教材編寫有意識地適應(yīng)自主開放式教學，則需要認真思考。

2．1 正視實驗教材編寫中的矛盾

目前的實驗教材一般按照實驗目的、實驗原理、實驗儀器、實驗內(nèi)容和步驟、數(shù)據(jù)處理的順序進行編寫，特點是教材理論敘述簡明扼要、具有整體邏輯性和個體分立性、指導性。在教材結(jié)構(gòu)上分為四大塊，即理論知識結(jié)構(gòu)、儀器知識結(jié)構(gòu)、實驗方法結(jié)構(gòu)、實驗數(shù)據(jù)處理方法結(jié)構(gòu)［4］。教材對各個結(jié)構(gòu)都有很詳細的介紹，體現(xiàn)了知識結(jié)構(gòu)的全面與簡潔、目的原理的明確與清晰、方法步驟的詳盡與可行，循序漸進的思路。然而，當前的實驗教材與自主開放式教學尚有一些不適應(yīng)的地方:

(1)建材體系不合理，力、熱、電、光、近代物理分工過細，內(nèi)容重復，綜合性實驗、設(shè)計性實驗、研究性實驗不足。

(2)缺乏啟發(fā)式、探究式引導，在論述實驗原理和實驗方法時雖然采用循序漸進清晰講解的方法，但只是傳輸知識，學員在預習實驗時只能被動地接受知識，缺少自主組織知識的開放體系。導致學員只要按照書中的步驟按部就班，基本無需做深入的思考就能完成實驗，但學員對每一步實驗操作的物理意義很少去領(lǐng)會，因此很難達到課程培養(yǎng)的能力、素質(zhì)目標要求。

(3)實驗涉及到的目的、原理、方法、步驟等表述冗長，重點不夠突出，學員在預習時容易產(chǎn)生厭煩情緒，看完即忘，不能有效預習，達不到預習的效果。學員很難通過閱讀實驗教材真正領(lǐng)會實驗的設(shè)計思想，形成實驗方案，因而達到舉一反三的目的也比較困難。

為此，調(diào)研了各類大學物理實驗教材，在博采眾長的基礎(chǔ)上，根據(jù)自主開放式教學的要素重構(gòu)教材結(jié)構(gòu)體系，結(jié)合軍校培養(yǎng)軍事應(yīng)用型人才的辦學定位及長期的實驗教學經(jīng)驗，編寫一套基于自主開放式教學，注重培養(yǎng)學員思考與動手并舉、舉一反三與創(chuàng)新能力融合的實驗教材。

2．2 實驗教材的編寫原則與基本構(gòu)想

嘗試對實驗教材的編寫體系進行一些調(diào)整，在總體設(shè)計上，力求貫徹以學員為本的理念，注重基礎(chǔ)性、實踐性、探索性、開放性的有機統(tǒng)一，探索以循序漸進提出問題、引導學員找出解決問題的根本方法為目標，通過對實驗內(nèi)容的編排，誘導學員在步步思考中體會解決問題的具體技術(shù)問題，從而讓學員領(lǐng)會每個實驗的設(shè)計思想，促使學員經(jīng)過深入的思考完成實驗，在研究和探討中形成自己的觀點和獨到見解，逐步培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維意識，提高創(chuàng)新能力。具體做法如下:

(1)兼顧深度與廣度。具有寬廣的覆蓋面和經(jīng)典到前沿的縱深度，既有經(jīng)典實驗項目，又包含足夠數(shù)量的其他實驗項目，有利于開放性實驗的開設(shè)和學員自主探索選題。給學員一個發(fā)展中的物理實驗，將現(xiàn)代科技成果滲透到傳統(tǒng)的經(jīng)典物理實驗中去，實現(xiàn)先進性與基礎(chǔ)性的統(tǒng)一，激發(fā)學員的學習熱情，縮短與現(xiàn)代科技的距離，注重現(xiàn)代信息技術(shù)在物理實驗中的應(yīng)用，充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)在物理實驗中的應(yīng)用。例如傳感器技術(shù)、光譜技術(shù)、光纖技術(shù)、非線性電路中的混沌、超導磁效應(yīng)等引入到大學物理實驗，并注意軍事應(yīng)用價值。

(2)建立實驗的分層教學體系。依托基礎(chǔ)實驗，以“基本實驗方法、實驗技能、實驗思想訓練”為主，主要為基本量的測量、基本物理現(xiàn)象與規(guī)律的觀察和分析、基本儀器的使用、基本測量方法和實驗技能的訓練，以及不確定度的計算與分析等［5，6］，使學員通過基本操作與基礎(chǔ)實驗相結(jié)合，掌握技能。通過綜合性、設(shè)計性、應(yīng)用性實驗［4-7］，達到基礎(chǔ)理論與基本技能的綜合運用。壓縮驗證性實驗，并嘗試把一些傳統(tǒng)的驗證性實驗如二極管的伏安特性、惠斯登電橋等改造為設(shè)計性或簡單的研究性實驗，增加CCD特性、光纖傳感等綜合性實驗，加強應(yīng)用性實驗，如空氣熱機、光電傳感器等。教員提出實驗要求，學員獨立設(shè)計實驗的內(nèi)容、實驗方法和實驗步驟，并獨立完成整個實驗過程。這些實驗在學員掌握的理論知識基礎(chǔ)上，以基本實驗操作為主，大部分學員都可以進行。在此基礎(chǔ)上，為部分有專長或愛好的學員開設(shè)研究性創(chuàng)新性實驗，例如單擺混沌、阻尼共振特性、太陽能電池、磁懸浮等，進一步培養(yǎng)學員的綜合分析問題、解決問題的能力，學員完成實驗后，要提交一篇論文;學員為了能完成一篇質(zhì)量較高的論文，往往多次重復實驗、反復查資料、研究論文格式、推敲文字用詞等，部分學員的論文達到了較高的水平，增加了學員對科學研究的興趣。

(3)突出第一任職需求，因材因?qū)I(yè)施教。大學物理實驗課是針對所有學員開設(shè)的一門公共課程，為了適應(yīng)學員第一任職的需要，我們改變了不同專業(yè)學員開設(shè)相同實驗項目的做法，根據(jù)不同的學科施以不同的教學內(nèi)容和方法，因材因?qū)I(yè)施教。例如通信指揮專業(yè)學員側(cè)重電磁學，氣象指揮專業(yè)開設(shè)粘滯系數(shù)測定、表面張力系數(shù)測定實驗，工程指揮專業(yè)側(cè)重力學等，充分體現(xiàn)自身的特色。

3 結(jié) 論

我們編寫大學物理實驗自主開放教學教材的理念是:從培養(yǎng)學員“自主學習能力”的基點出發(fā)，突破傳統(tǒng)實驗教材的體系，設(shè)計一個能循序漸進引導學員通過自主學習來解決問題，讓學員通過思考掌握理論和技能，而不僅是按部就班完成實驗。構(gòu)建以基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、設(shè)計和研究性實驗為基礎(chǔ)，從低到高、從基本到前沿、從接受知識型到培養(yǎng)綜合能力型逐級提高的大學物理實驗課程新體系，教材具有較寬的覆蓋面和足夠的實驗項目，既體現(xiàn)科學的內(nèi)涵、實驗內(nèi)容的更新，又要反映新技術(shù)、新方法、新設(shè)備等現(xiàn)代實驗技術(shù)和手段，反映物理課程和體系改革以及實驗教學改革和研究的成果;改變力、熱、電、光、近代物理分工過細，內(nèi)容重復，綜合性實驗、設(shè)計性實驗、研究性實驗不足的缺點;改變填鴨式的教學方法，對不同系科、專業(yè)進行不同內(nèi)容的教學，因材、因?qū)I(yè)施教;充分體現(xiàn)現(xiàn)代信息技術(shù)在物理實驗中的應(yīng)用，充分體現(xiàn)自身的特色。

［1］ 李輝，基于卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的教材建設(shè)［J］．中國高等教育，2012．

［2］ 霍連利，鄭棟梁．試論基礎(chǔ)課實驗教學的本質(zhì)特征與教學藝術(shù)［J］．實驗教學與儀器，1997．

［3］ 張占新，王汝政．大學物理實驗教學改革措施與實踐［J］．大學物理實驗，2013(6):108-110．

［4］ 曾以成．普通物理實驗教材結(jié)構(gòu)分析［J］．物理實驗，1995，4．

［5］ 沈元華．大學物理實驗［M］．北京:高等教育出版社，2003．

［6］ 丁慎訓．物理實驗教程［M］．北京:清華大學出版社，2003．

［7］ 張雄．物理實驗設(shè)計與研究［M］．北京:科學出版社，2001．