面向新工科的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

趙玉連 郭俊旺 李艷聰

（天津農(nóng)學(xué)院 天津 300384）

2017 年2 月，綜合性高校工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)在復(fù)旦大學(xué)召開(kāi)，“新工科”概念被正式提出，以新工科為背景的高等工程教育改革迅速開(kāi)展。工科專業(yè)課程中，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是工科專業(yè)的基礎(chǔ)課，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)該課程，不僅可以加深對(duì)大學(xué)物理理論內(nèi)容的理解，掌握基本實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)技能，更為重要的是提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力和科學(xué)研究能力。為了適應(yīng)新工科發(fā)展的需求，本文對(duì)本校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并對(duì)教學(xué)改革措施進(jìn)行了討論。

1 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

（1）學(xué)生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課興趣不高。由于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課安排在一年級(jí)，一年級(jí)學(xué)生基礎(chǔ)課程較多，物理學(xué)科本身學(xué)習(xí)難度大，需要投入大量的時(shí)間和精力去學(xué)習(xí)。學(xué)生精力有限，課程難度大，因此對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)缺乏興趣。雖然布置預(yù)習(xí)作業(yè)，但是很少有學(xué)生主動(dòng)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)課做實(shí)驗(yàn)前，雖然老師講解實(shí)驗(yàn)，由于時(shí)間限制，不會(huì)介紹太詳細(xì)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備不足，容易出錯(cuò)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)度慢，影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

（2）教學(xué)方式缺乏創(chuàng)新。在目前各高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，教學(xué)過(guò)程一般是：教師講解實(shí)驗(yàn)原理和儀器的使用步驟；教師演示實(shí)驗(yàn)；學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，教師指導(dǎo)；學(xué)生處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在此過(guò)程中，學(xué)生被動(dòng)地學(xué)習(xí)知識(shí)，按部就班地按照設(shè)定的要求操作，學(xué)生一般不需要自己根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法和選擇實(shí)驗(yàn)儀器。學(xué)生按照老師安排好的內(nèi)容操作，記錄數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程學(xué)生沒(méi)有思考實(shí)驗(yàn)的方法，實(shí)驗(yàn)的步驟，是否可以改進(jìn)，這樣學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課興趣不高，收獲并不大。

（3）教學(xué)條件落后。近幾年，高校學(xué)生人數(shù)迅速增加，教學(xué)規(guī)模不斷擴(kuò)大。對(duì)于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)班級(jí)和人數(shù)較多，教學(xué)安排非常集中，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)頻繁使用，個(gè)別儀器設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題不能及時(shí)維修。實(shí)驗(yàn)儀器能否正常使用影響著實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程和學(xué)習(xí)效果。學(xué)生操作有問(wèn)題的儀器時(shí)，會(huì)遇到更多的困難，也影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)論，從而影響教學(xué)效果。

2 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)措施

2.1 讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要性

在農(nóng)業(yè)院校，大學(xué)物理及大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課課時(shí)不多，常常不被重視。教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)使學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，通過(guò)學(xué)習(xí)大學(xué)物理，工科學(xué)生能學(xué)習(xí)到專業(yè)課必備的基礎(chǔ)知識(shí)，通過(guò)學(xué)習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠掌握基本的實(shí)驗(yàn)方法和技巧，會(huì)使用常用儀器，掌握實(shí)驗(yàn)基本操作技術(shù)，具有自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，而且通過(guò)綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，能提高學(xué)生分析與解決實(shí)際問(wèn)題的能力，創(chuàng)新能力等新工科人才要需要具備的能力。讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)這門(mén)課的重要性，學(xué)生在上課過(guò)程中才會(huì)更主動(dòng)地學(xué)習(xí)。

2.2 將傳統(tǒng)的教學(xué)方式與現(xiàn)代教育技術(shù)相結(jié)合

將現(xiàn)代教育技術(shù)運(yùn)用到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，教學(xué)方式不斷改進(jìn)，推動(dòng)了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。教師可以通過(guò)線上線下相結(jié)合的方式教學(xué)。教師將實(shí)驗(yàn)課程的相關(guān)材料，包括實(shí)驗(yàn)的視頻，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提前發(fā)給學(xué)生，在課前讓學(xué)生獨(dú)立自主地預(yù)習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)的背景,對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、儀器的使用方法和注意事項(xiàng)等進(jìn)行初步了解，并自行設(shè)計(jì)記錄數(shù)據(jù)的表格。這樣，實(shí)驗(yàn)課上教師對(duì)實(shí)驗(yàn)講解和演示實(shí)驗(yàn)的時(shí)間明顯縮短，能留出更多的時(shí)間讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。而且，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行了預(yù)習(xí)，在課上更容易理解相關(guān)知識(shí)，實(shí)驗(yàn)操作更順利，更主動(dòng)思考。例如：萬(wàn)用表的使用這一實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)課前預(yù)習(xí)，了解萬(wàn)用表的使用方法，在課堂上教師無(wú)須再講解。對(duì)于難度較大的實(shí)驗(yàn)，例如：示波器的原理與使用，在學(xué)生預(yù)習(xí)后，教師只講解重點(diǎn)內(nèi)容即可，不必像傳統(tǒng)教學(xué)對(duì)每個(gè)功能都一一介紹，學(xué)生還可以在操作時(shí)查看資料，既節(jié)省了教學(xué)時(shí)間，又突出了重點(diǎn)內(nèi)容。

在課堂講解時(shí)，不僅可以使用PPT，還可以使用CCD 技術(shù)，把不易觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展現(xiàn)在屏幕上，學(xué)生看起來(lái)更直觀。例如：牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)，使用CCD 技術(shù)讓學(xué)生在屏幕上觀察牛頓環(huán)的調(diào)節(jié)，讀數(shù)，學(xué)生更易于理解。學(xué)生在操作時(shí)，錯(cuò)誤明顯減少。

2.3 多種教學(xué)模式相結(jié)合

傳統(tǒng)教學(xué)模式，教師對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)都一一詳細(xì)講解，學(xué)生只需按照步驟逐步操作，如果遇到問(wèn)題或困難，學(xué)生向老師或其他同學(xué)求助，老師或同學(xué)會(huì)提示或協(xié)助完成，很少的學(xué)生能獨(dú)立思考并解決困難。學(xué)生實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)就是順利做完實(shí)驗(yàn)，得到預(yù)先設(shè)計(jì)好的合理結(jié)果。經(jīng)過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，大部分學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)失去了興趣。要改變這種狀況，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式就要進(jìn)行改革，不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用不同教學(xué)方式。在當(dāng)前各高校物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置上，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)占大部分，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)較少。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生掌握基本實(shí)驗(yàn)方法和技能，如：長(zhǎng)度測(cè)量，示波器使用、萬(wàn)用表使用等，其次要求學(xué)生能掌握基本實(shí)驗(yàn)方法，如平衡法、示蹤法、圖形法等。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)則要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，自己查找資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法、選擇實(shí)驗(yàn)器材、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟并獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。

我們針對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不同類型的實(shí)驗(yàn)采取不同的教學(xué)模式。為了讓學(xué)生掌握基本實(shí)驗(yàn)技能，打下良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)教學(xué)模式。如：長(zhǎng)度測(cè)量。綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，兩至四人一組，設(shè)置實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，讓學(xué)生自行討論，分工協(xié)作，目的是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、實(shí)際操作、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。

2.4 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

通過(guò)學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外大學(xué)的改革經(jīng)驗(yàn)，我們對(duì)現(xiàn)有物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化和創(chuàng)新。在內(nèi)容設(shè)置上減少和改造驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，充實(shí)了綜合性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。例如：德國(guó)一些大學(xué)的實(shí)驗(yàn)課，對(duì)實(shí)驗(yàn)提出問(wèn)題和要求，學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法、選擇實(shí)驗(yàn)儀器并組裝，再測(cè)量數(shù)據(jù)。其中，測(cè)量透鏡焦距的實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，我們通常讓學(xué)生按實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一步一步完成透鏡焦距的測(cè)量，學(xué)生的積極性不高。而德國(guó)的大學(xué)讓學(xué)生自己組裝望遠(yuǎn)鏡或顯微鏡，用組裝的儀器再進(jìn)行觀察和測(cè)量，學(xué)生的興趣很高，實(shí)驗(yàn)過(guò)程鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力。我們借鑒這些先進(jìn)的教學(xué)方法，根據(jù)現(xiàn)有的儀器設(shè)備，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)。測(cè)量透鏡焦距的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)不變，要求有所增加，給學(xué)生若干焦距的透鏡，學(xué)生根據(jù)提供的元件，自己選擇透鏡組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并總結(jié)如何選取透鏡才能使實(shí)驗(yàn)順利完成而且測(cè)量精度高。學(xué)生分組討論，分工操作。學(xué)生學(xué)習(xí)興趣明顯提高，不僅加深了對(duì)測(cè)量透鏡焦距原理的理解，也提高了學(xué)生的協(xié)作能力、創(chuàng)新能力。

天津大學(xué)采取了多學(xué)科交叉的方式改革物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，他們?cè)诂F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，尋找物理與工科的交叉點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出多學(xué)科融合的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，各專業(yè)學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，根據(jù)各自專業(yè)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分工協(xié)作。培養(yǎng)了學(xué)生跨學(xué)科研究的能力，為新工科人才培養(yǎng)提供了經(jīng)驗(yàn)。我們根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，將開(kāi)發(fā)更多的綜合性、與各專業(yè)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)的需要。

2.5 改進(jìn)課程考核方式

近年來(lái)，我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程一直采用傳統(tǒng)的考核方式，即平時(shí)成績(jī)+期末考試成績(jī)。期末考試采取筆試形式，并且所占比重較大，而平時(shí)成績(jī)的區(qū)分度并不大。采取這種考核方式，學(xué)生成績(jī)主要由期末考試決定，期末考試側(cè)重考察學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)生的操作能力，分析解決問(wèn)題的能力及創(chuàng)新能力不能得到有效考查。在這樣的考核方式下，有些學(xué)生為了獲得更高的分?jǐn)?shù)，把精力放在如何記住基本知識(shí)，如何做各種題目。有些學(xué)生在課堂上操作熟練，認(rèn)真，積極主動(dòng)解決問(wèn)題，但在成績(jī)上沒(méi)有多少差異，損傷了部分學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，大部分學(xué)生只是按老師的要求做完實(shí)驗(yàn)，得到數(shù)據(jù)，課堂效果并不理想。為了全面考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，我們?duì)物理實(shí)驗(yàn)的考核方式進(jìn)行了調(diào)整，提高了平時(shí)成績(jī)的比重，平時(shí)成績(jī)也不僅僅是實(shí)驗(yàn)報(bào)告的成績(jī)，改為課前預(yù)習(xí)、課上操作、課后寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告等整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程都進(jìn)行評(píng)價(jià)。要求學(xué)生課前對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)，并寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告的預(yù)習(xí)部分。課堂上，教師對(duì)學(xué)生的表現(xiàn)詳細(xì)記錄，作為平時(shí)成績(jī)的重要依據(jù)，課后學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)、課上操作、課后的表現(xiàn)綜合給出平時(shí)成績(jī)。期末考試則根據(jù)不同專業(yè)的要求，采取實(shí)驗(yàn)操作、撰寫(xiě)課程總結(jié)、筆試等多種方式進(jìn)行考查。通過(guò)改進(jìn)課程考核方式，學(xué)生學(xué)習(xí)更加積極、主動(dòng)，動(dòng)手能力、解決問(wèn)題的能力明顯提高。

3 結(jié)束語(yǔ)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是工科學(xué)生的必修課程，通過(guò)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生的科研和創(chuàng)新能力，新工科建設(shè)對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)和要求，我們從教學(xué)方法、教學(xué)模式，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、考核方式等多方面進(jìn)行了改革，將為新工科人才培養(yǎng)發(fā)揮重要作用。