基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的大學物理實驗教學改革實踐

曾利霞，華雪俠，梅策香，張 輝

（咸陽師范學院 物理與電子工程學院，陜西 咸陽 712000）

大學物理實驗是高等學校理工科專業(yè)學生提升科學實驗能力和素養(yǎng)重要的基礎性實踐性課程。[1-4]但目前我國多數普通高校受教學條件的限制，沿用了傳統(tǒng)的實驗教學方法，缺乏創(chuàng)新理念，從而制約了學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)及科學素質的養(yǎng)成。從創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求來看，大學物理實驗課程體系與當前社會發(fā)展不相適應。因此其課程體系、教學內容和教學方法必須由封閉型向開放型轉變。

1 目前大學物理實驗教學中存在的問題

大學物理實驗作為理工科學生進校后的第一門科學實驗課程，不僅使學生受到嚴格、系統(tǒng)的實驗技能訓練，從中掌握科學實驗的基本知識、方法和技巧，更要培養(yǎng)學生嚴謹的科學思維能力和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學生理論聯系實際、分析和解決問題的能力，特別是與當代科學技術發(fā)展相適應的綜合能力，因而實驗教學應該面對科技進步的新趨勢和新挑戰(zhàn)，不斷有所創(chuàng)新，以適應人才培養(yǎng)的需要。目前該門課程存在以下問題。

（1）長期以來，大學物理實驗教學基本上沿用多年不變的教學體系和教學內容，與當今飛速發(fā)展的前沿科學新理論、新技術脫節(jié)，傳統(tǒng)教學模式、方法和手段更是遠落后于科學技術進步的步伐。大學物理實驗實際上只是處于課堂教學的從屬地位，其內容往往是教科書上已有基本物理規(guī)律的簡單、重復驗證。20世紀后期，科學技術發(fā)展的巨大成就很少在基礎物理實驗中得到反映。因此，學生感到基礎物理實驗課枯燥無味，嚴重地阻礙了學習的積極性、主動性、創(chuàng)造性以及現代科學思維方法的形成。

（2）本科實驗教學課時為每個實驗2個學時，在此時間內要完成實驗原理、儀器原理、熟悉儀器的操作使用及實驗內容，教師只能在教學過程中將實驗原理、實驗步驟、儀器操作方法等盡量講細、講清，留給學生思考的時間極少，因此盲目操作、走過場就是必然現象，成為呆板的模仿型教學。

（3）實驗是物理學的基礎，物理學概念和規(guī)律大多通過不同類型實驗逐步形成并確立。但是，在理論教學中，概念形成過程中缺乏實驗和前期學科背景，盡管學生知道結論，卻不了解物理學家實驗設計目的和方法，及最終形成精確規(guī)律的思考過程。這種只知理論形式，不知其中內涵，不利于學生科學素質的形成和理論聯系實際的思考能力。

2 課程改革的實踐方法

現行大學物理實驗教學模式不能滿足面向21世紀科技發(fā)展和人才科學素質的需求。因此，建立一種適合當代科技發(fā)展，有利于培養(yǎng)厚基礎、創(chuàng)新性人才的教學新體系勢在必行，為此許多學者進行了相關研究，提出了一些可行方案。[5-11]文獻[5]中提出了多功能實驗教學平臺和“進階”式教學體系方案，以滿足不同層次學生的學習需求，激發(fā)學習積極性。文獻[6]提出了在大學物理實驗教學中引入虛擬實驗技術方案，深化實驗教學在培養(yǎng)學生的科學研究能力和綜合素質的效果。文獻[7]提出大學物理實驗開放式教學模式，學生可以選擇實驗內容，培養(yǎng)自主探究學習能力。文獻[8]以仿真物理實驗為物理實驗的教學手段，創(chuàng)建模擬實驗操作環(huán)境，使學生更好地掌握物理實驗。但多數方案尚未經過實踐，個別方案只在小范圍、個別實驗項目中進行了實踐。[6-9]

基于以上原因，我們提出了有利于創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的大學物理實驗教學新模式，經過在咸陽師范學院物理與電子工程學院電子類專業(yè)的實踐，發(fā)現該教學模式能有效激發(fā)學生學習的主動性，在掌握基本實驗能力的同時提高了學生的創(chuàng)新能力，教學效果較好。教學模式涉及課程體系、教學內容、教學方法以及課程考核方法等方面。

2.1 以培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新為目標，建立物理實驗課程新體系

基礎物理實驗課程新體系分為：基本儀器操作實驗、基礎類實驗、創(chuàng)新性實驗三部分，形成從低到高、從基礎到前沿、從知識接受到綜合能力培養(yǎng)的逐級提高。這樣，基礎物理實驗課不再是課堂教學內容的簡單重復和驗證，也不再是把力、電、光、近代物理等獨立學科的實驗簡單地串聯起來構成實驗系列?；緝x器操作實驗，主要內容為基本物理量的測量、基本實驗儀器的使用、基本實驗技能的訓練和基本測量方法與誤差分析等，為普及性實驗?；A類實驗，逐步加大綜合性實驗和設計性實驗內容的比例及難度，激發(fā)學生的學習熱情，變被動學習為主動學習。創(chuàng)新性實驗一，要求學生在教師指導下，自己設計方案來完成實驗，從而達到學生綜合思維和創(chuàng)造能力訓練。學生通過設計實驗，體驗成功與失敗經驗和教訓，獲得素質的提升。創(chuàng)新性實驗二，選擇大學物理競賽題目，圍繞基礎物理實驗，以研究方式進行實驗，使學生的研究能力、創(chuàng)新思維、應用能力得到訓練。具體實驗項目設置如表1所示。

2.2 注重大學物理實驗內容的時代性與先進性

大學物理實驗必須與現代科學技術接軌，才能激發(fā)學生的學習積極性與熱情，才能使現代科技成果滲透到傳統(tǒng)的經典理論之中。我們將大學物理競賽題目作為創(chuàng)新性實驗二的備選課題，實現了將計算機技術、光纖技術、光聲譜技術、磁共振技術、核物理技術、軟X射線顯微技術、光譜技術、真空技術、傳感器技術等現代科研成果用于學生物理實驗之中。選擇這些內容的目的是為了從物理實驗的設計思想、物理實驗方法、儀器的設計原理、結構及其應用等方面拓寬學生的知識面，使綜合實驗能力得到提升。創(chuàng)新實驗可以利用網絡教學手段（微課和慕課等）對實驗教學內容進行課前預習和課后總結，使實驗教學與理論課堂教學一樣，在時間和空間上得到延伸。在創(chuàng)新實驗實施中，實驗室可以為學生提供必備的實驗設備和器材，在教師的指導下，學生根據自己的興趣和時間，自主選擇實驗內容、提出設計方案并完成，達到不同層次自主實驗的目標。

表1 課程改革后大學物理（電磁學、光學部分）實驗內容

2.3 開放實驗室，滿足學生的探索需求

開放實驗室，不僅體現在時間開放，而且在內容上也開放，是個性化教學模式，滿足學生求知、探索和創(chuàng)新的欲望，側重創(chuàng)新精神與能力提升。在開放服務實驗室中，教師負責指導和審核，學生利用實驗室提供的設備，自主選題、設計方案，與教師討論和總結實驗成敗的原因，形成創(chuàng)新點，較為優(yōu)秀的實驗結果最終以論文形式公開發(fā)表。

此外，課程考核方式采取過程評價，基礎類實驗（實驗操作、出勤、實驗報告等）占總成績的50%，創(chuàng)新類實驗一（設計報告）占總成績的40%，創(chuàng)新性實驗二占總成績10%，區(qū)別以往的考核方式（平時成績50%，操作成績50%），加大了創(chuàng)新能力的考核比重。

經過實踐發(fā)現：（1）通過先訓練學生對基本實驗儀器的操作和實驗方法的講解，可以更有利于培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的形成，例如在講電學部分實驗之前先讓學生學會使用電源、電流表、電壓表、滑動變阻器、萬用表、示波器等一系列電學基本儀器，這樣學生在以后的基礎實驗和創(chuàng)新實驗中很快就能掌握實驗操作的要點，尤其是探究實驗，沒有教師的講解，學生也能很好地獨立完成實驗。（2）通過開放實驗室，設置創(chuàng)新實驗訓練內容，大大提高了學生的學習興趣，我們開設創(chuàng)新實驗一的時間為一周，而創(chuàng)新實驗二的時間從開課起就布置給學生，通過資料查閱、實驗方案設計并實施，學生的興趣濃、熱情高，尤其是參與到大學物理競賽的同學，不管是在查閱資料、動手設計、數據處理等方面的能力都大為提高，同時也增加了學生對物理的學習興趣。（3）過程評價更能體現和細化學生的學習成果，體現學生的學習能力和創(chuàng)新能力。

3 總結

對大學物理實驗進行了課程改革，涉及課程體系、教學內容、教學方法以及課程考核方法等。實驗內容主要包括基本儀器操作實驗、基礎類實驗、創(chuàng)新性實驗三部分，其中前兩部分主要是關于基本物理量的測量以及常用測量儀器的原理及應用、基本實驗方法的訓練；創(chuàng)新性實驗增加了學生自主查閱資料、自己完成實驗方案設計，在教師指導下完成整個實驗環(huán)節(jié)。通過這一改革方案的實踐，發(fā)現學生能正確使用操作儀器并設計合理的實驗方法，應用理論知識解決實驗中出現的問題；創(chuàng)新性項目的設置，拓寬了學生的知識面，有助于綜合實驗能力養(yǎng)成；開放實驗室為學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了保障；過程評價方式更能體現和細化學生的學習成果，準確評價學生的學習能力和創(chuàng)新能力。因此，在今后的大學物理實驗教學過程中，我們還將對課程改革的方案進行摸索、實踐，力爭真正促進我校創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，提高大學物理實驗的教學質量。