新工科背景下大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)的探索與實(shí)踐

王紅梅 鄒 艷 栗 軍 劉漢平 王春玲 楊海蓮 張秀梅

德州學(xué)院物理與電子信息學(xué)院 山東德州 253023

新工科(Emerging Engineering Education，3E)這一概念是2016年提出的，教育部在組織專家深入研討后，于2017年正式提出要加快建設(shè)和發(fā)展新工科，新工科提出的核心背景是“新經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展，新經(jīng)濟(jì)(以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)為特點(diǎn))的蓬勃發(fā)展，必然要求高等學(xué)校培養(yǎng)的工程科技人才具備更高的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和交叉融合能力?！秶?guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》的第22條非常鮮明地指出了新建本科院校發(fā)展方向，鼓勵(lì)各高校辦出特色，走產(chǎn)學(xué)合作之路和大力培養(yǎng)應(yīng)用型、復(fù)合型、技能型、創(chuàng)新型人才[1,2]。只有具備現(xiàn)代實(shí)踐能力的人才才有可能成為創(chuàng)新型人才[3]。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是為理工科各專業(yè)學(xué)生開設(shè)的必修實(shí)驗(yàn)課程，針對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力進(jìn)行了研究和實(shí)踐，提出了構(gòu)建新工科背景下應(yīng)用型本科院校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)的基本教學(xué)理念，提出了具體的創(chuàng)新措施，并在教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)踐，取得了一定的成效。

1 “1+2+3”的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)理念

新型應(yīng)用型本科高校應(yīng)該以“學(xué)以致用，用以促學(xué)”為人才培養(yǎng)理念[2]。我校的人才培養(yǎng)定位為培養(yǎng)創(chuàng)新性應(yīng)用型人才。我院堅(jiān)持“以學(xué)生為中心”的互動(dòng)模式，變“指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)”為“合作實(shí)驗(yàn)教學(xué)”，改變傳統(tǒng)以教師為主的教學(xué)模式，通過讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、安排和實(shí)施，激發(fā)他們做實(shí)驗(yàn)的熱情，從而變被動(dòng)接受為主動(dòng)參與，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)。在教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、知識(shí)應(yīng)用能力和自學(xué)能力，培養(yǎng)實(shí)基礎(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐、求創(chuàng)新的創(chuàng)新性應(yīng)用型人才。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新的對(duì)策

2.1 高度重視大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

人才培養(yǎng)是高校的根本使命和核心任務(wù)，我校的人才培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)“實(shí)基礎(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐、求創(chuàng)新、高素養(yǎng)、寬視野、重責(zé)任”的創(chuàng)新性應(yīng)用型人才。因此我校非常重視實(shí)踐教學(xué)，確保經(jīng)費(fèi)投入，切實(shí)保障教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上加大投資，淘汰了一大批過時(shí)、廢棄的實(shí)驗(yàn)儀器。我院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)獲批山東省重點(diǎn)專業(yè)(培育)建設(shè)項(xiàng)目，得到省教育廳1000萬的建設(shè)資金，學(xué)校也1:1配套撥付資金來進(jìn)行專業(yè)建設(shè)，學(xué)校要求在實(shí)踐教學(xué)方面的投入不低于總資金的50%，堅(jiān)持“好鋼用在刀刃上”，堅(jiān)持教學(xué)投入優(yōu)先原則，保障了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)的順利開展。

2.2 構(gòu)建新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系能夠有效地培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、知識(shí)應(yīng)用能力和自學(xué)能力。在構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系時(shí)，注重以下原則。

2.2.1 注重基礎(chǔ)性

學(xué)生認(rèn)知活動(dòng)具有不同層次，實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該遵從認(rèn)知規(guī)律[4]，在修訂實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容時(shí)首先應(yīng)該強(qiáng)調(diào)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)性，突出物理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，在力、熱、電、光、原子五個(gè)領(lǐng)域選擇經(jīng)典的、基礎(chǔ)性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這些實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占的比重是40%。在這部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中要進(jìn)行嚴(yán)格的“三基”(基本理論、基本方法、基本技能)系統(tǒng)訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生具有良好的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)[5]。通過該部分內(nèi)容的教學(xué)，一方面，讓學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)操作技巧，提高動(dòng)手動(dòng)腦能力；另一方面，與理論教學(xué)內(nèi)容相輔相成，有助于理論教學(xué)內(nèi)容的理解。

2.2.2 注重專業(yè)的特點(diǎn)和學(xué)科的交叉性

我院承擔(dān)全校20多個(gè)不同專業(yè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，每一個(gè)專業(yè)都有自己的學(xué)科特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不論什么專業(yè)，只要學(xué)分相同，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都完全一樣，因此教師為了滿足所有專業(yè)的要求，選擇的實(shí)驗(yàn)都是比較簡(jiǎn)單、自主操作性較差的實(shí)驗(yàn)，這樣教學(xué)的后果導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)脫離，缺乏針對(duì)性，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)沒有積極性，敷衍應(yīng)付情況比較普遍，嚴(yán)重影響了教學(xué)質(zhì)量。因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革的過程中，經(jīng)過充分調(diào)研，與不同專業(yè)的負(fù)責(zé)人座談，了解不同專業(yè)的需求，制訂有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容上注重學(xué)科交叉性，“新工科”中“新”包含三方面含義，即新興、新型和新生。新工科有5個(gè)特征：引領(lǐng)性、交融性、創(chuàng)新性、跨界性和發(fā)展性[6]，其中交融性這個(gè)特征也反映了多個(gè)學(xué)科的交叉、融合、滲透或拓展。因此在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中加入了學(xué)科交叉項(xiàng)目，例如，對(duì)于生物技術(shù)專業(yè)，開設(shè)一些與生物相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，如交變電場(chǎng)對(duì)過氧化物酶活性影響、人體重心測(cè)量與分析等，學(xué)科交叉的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占的比重是20%。通過該部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的教學(xué)，一方面，讓學(xué)生明確大學(xué)物理及實(shí)驗(yàn)的重要性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，另一方面，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與專業(yè)內(nèi)容相關(guān)，有助于對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，除此之外還有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科交叉意識(shí)。

2.2.3 注重創(chuàng)新性

實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的創(chuàng)新對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力非常重要。首先，根據(jù)“以學(xué)生為本、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、提高素質(zhì)”的人才培養(yǎng)要求，通過“校內(nèi)與校外結(jié)合、自主與創(chuàng)新結(jié)合、理論與實(shí)踐結(jié)合”，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力作用不大的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性為主的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行刪除或修改，增加一些有代表性、體現(xiàn)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用價(jià)值的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和研究型實(shí)驗(yàn)的比例[7]。其次，探索將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研活動(dòng)相結(jié)合，教師根據(jù)自己的研究項(xiàng)目，把其中能夠和實(shí)驗(yàn)相聯(lián)系的部分設(shè)計(jì)成課程實(shí)驗(yàn)，以項(xiàng)目研究帶動(dòng)教學(xué)的模式，將研究成果和研究思維融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，該部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)既是對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)技能的強(qiáng)化培養(yǎng)，也是提高學(xué)生綜合素質(zhì)的重要措施，同時(shí)讓學(xué)生提前接觸科研訓(xùn)練，培養(yǎng)科研興趣，有助于創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目共60個(gè)，分為基本型、交叉型、綜合設(shè)計(jì)型和研究創(chuàng)新型4種類型。其中綜合設(shè)計(jì)型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目24個(gè)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占的比重是40%；交叉型6個(gè)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占的比重是10%；研究型3個(gè)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占的比重是5%。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與社會(huì)實(shí)踐相結(jié)合

根據(jù)“新工科建設(shè)”與發(fā)展的內(nèi)涵特征，需要培養(yǎng)大批新興工程科技人才，通過專業(yè)教學(xué)計(jì)劃的修訂，突出強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)地位[8]。我校建立了校內(nèi)及校外的“4+4+5”實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，校內(nèi)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐訓(xùn)練與校外實(shí)踐訓(xùn)練相結(jié)合，通過社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)的開展，使學(xué)生走入社會(huì)，并從社會(huì)中挖掘新的實(shí)驗(yàn)素材，共同培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，具體如圖1所示。

圖1 大實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

構(gòu)建“4+4+5”實(shí)踐教學(xué)體系，即4類實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系(基本型、交叉型、綜合設(shè)計(jì)型和研究創(chuàng)新型)、4個(gè)實(shí)踐能力訓(xùn)練環(huán)節(jié)(專業(yè)實(shí)習(xí)、工業(yè)見習(xí)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì))和5個(gè)平臺(tái)(實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、大學(xué)生科技文化競(jìng)賽培訓(xùn)平臺(tái)、發(fā)明創(chuàng)造平臺(tái)、科研訓(xùn)練創(chuàng)新平臺(tái)、社會(huì)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái))。其中工業(yè)見習(xí)、社會(huì)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)屬于校外的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，其他部分屬于校內(nèi)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。大實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)和使用，拓展了學(xué)生視野，豐富了學(xué)生閱歷，有助于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、協(xié)作精神和社會(huì)擔(dān)當(dāng)能力。

2.4 強(qiáng)化支撐點(diǎn) 加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)

教師是立教之本，興教之源。隨著“新工科建設(shè)”的提出，教師隊(duì)伍建設(shè)必須考慮學(xué)校類型和新工科專業(yè)特點(diǎn)[9]，這就要求要建立適應(yīng)新形勢(shì)發(fā)展需要的高校實(shí)驗(yàn)技術(shù)隊(duì)伍[10]。近年來，我校吸引高層次人才加入專職實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍，目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師10人，高級(jí)職稱的教師占80%，其中博士4人、碩士3人、學(xué)士3人，4名博士教師都是在近三年內(nèi)補(bǔ)充到實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍中的。同時(shí)，學(xué)校實(shí)施“天衢英才”等人才建設(shè)工程，引進(jìn)“企業(yè)高技能人才”指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。為引導(dǎo)并激勵(lì)廣大實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員積極投入創(chuàng)新性應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究，提升實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與服務(wù)地方工作水平，根據(jù)《德州學(xué)院實(shí)驗(yàn)技術(shù)項(xiàng)目立項(xiàng)及成果獎(jiǎng)勵(lì)辦法(試行)》(德院政字〔2009〕32號(hào))和《德州學(xué)院自制實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備管理辦法(試行)》(德院政字〔2011〕41號(hào))的文件精神，每年都要開展實(shí)驗(yàn)技術(shù)和自制儀器設(shè)備項(xiàng)目立項(xiàng)，給予一定的資金支持。將外部激勵(lì)與內(nèi)在動(dòng)力結(jié)合起來，通過恰當(dāng)?shù)耐獠考?lì)機(jī)制，如物質(zhì)的或非物質(zhì)的獎(jiǎng)勵(lì)、職稱的晉升、社會(huì)聲望的提高等激發(fā)教師追求發(fā)展的內(nèi)在熱情[11]。

2.5 創(chuàng)新的實(shí)踐考核方法

“實(shí)驗(yàn)報(bào)告定終身”的考核方法不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，德州學(xué)院出臺(tái)了《德州學(xué)院實(shí)踐課程考核辦法》，實(shí)踐考核方法分為兩大部分，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)考核和課外實(shí)踐訓(xùn)練考核，圍繞學(xué)生的知識(shí)、能力和素質(zhì)進(jìn)行考核。計(jì)劃內(nèi)的實(shí)驗(yàn)課程考核成績(jī)由三部分組成：操作成績(jī)30%；實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)40%；期末實(shí)驗(yàn)考試成績(jī)30%。課外實(shí)踐訓(xùn)練考核分兩個(gè)部分，一個(gè)是計(jì)劃外開放實(shí)驗(yàn)的考核，另一個(gè)是創(chuàng)新技能的考核。學(xué)生參加開放實(shí)驗(yàn)撰寫的論文、專利以及大學(xué)生競(jìng)賽獲得的獎(jiǎng)項(xiàng)，根據(jù)德州學(xué)院出臺(tái)的《德州學(xué)院創(chuàng)新學(xué)分和技能學(xué)分認(rèn)定辦法(暫行)》獲得相應(yīng)的創(chuàng)新學(xué)分，可以代替其他選修課的學(xué)分?？己朔绞接蓡我豢己俗?yōu)槎鄻踊目己耍拍軐?duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力進(jìn)行全方位的考核，考核方法更科學(xué)，學(xué)生在多樣性考核方法的激勵(lì)下，可根據(jù)自己的興趣愛好取得相應(yīng)的學(xué)分，有利于發(fā)揮學(xué)生的特長(zhǎng)，從而進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和綜合素質(zhì)的全面提升[12,13]。

3 建設(shè)成果與成效

新工科的提出及建設(shè)，給大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革提供了新的思路和途徑，經(jīng)過研究和實(shí)踐，形成了“1+2+3”的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)理念、制訂了“4+4+5”的實(shí)踐教學(xué)體系、建設(shè)了校內(nèi)校外相結(jié)合的大實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，改革了實(shí)驗(yàn)考核方法，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，得到上級(jí)部門和社會(huì)的廣泛認(rèn)可，教學(xué)成果“面向‘新工科建設(shè)’的大學(xué)物理‘一體四翼’教學(xué)體系的構(gòu)建與實(shí)踐”2018年獲山東省教學(xué)成果二等獎(jiǎng)，近三年獲批與大學(xué)物理知識(shí)相關(guān)的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目15項(xiàng)，學(xué)生在大學(xué)生科技文化競(jìng)賽中獲得省級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)300余項(xiàng)；實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍的教學(xué)和研究能力也得到提升；出版大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教材2本；在探索和應(yīng)用過程中也獲得了一些高級(jí)別的教研課題。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是理工科學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后的第一門實(shí)驗(yàn)課程，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成敗關(guān)系到學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)，在“新工科建設(shè)”的背景下，要以學(xué)生發(fā)展為中心，以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量為目標(biāo)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌規(guī)劃，加強(qiáng)對(duì)外交流與合作，進(jìn)一步加大實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革力度，為培養(yǎng)具有競(jìng)爭(zhēng)力的新工科創(chuàng)新型人才做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。