新工科創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)踐
——以普通物理實(shí)驗(yàn)課為例

秦玉嬌

(曲阜師范大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與設(shè)備管理中心，山東 日照 276825)

1 引言

在“互聯(lián)網(wǎng)+”這一大背景下，各行業(yè)的發(fā)展發(fā)生了巨大的變化，理工科課程基于互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，其學(xué)習(xí)方式、教育方式與評(píng)價(jià)方式等均呈現(xiàn)出開放性、多樣性與交互性的特點(diǎn)。物理學(xué)作為一門基礎(chǔ)性的自然科學(xué)，是理工科學(xué)生認(rèn)識(shí)自然、學(xué)習(xí)創(chuàng)新的基礎(chǔ)，該學(xué)科以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，物理實(shí)驗(yàn)和物理理論同等重要，是后續(xù)各專業(yè)實(shí)驗(yàn)和科研的基礎(chǔ)，其實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)模式也需進(jìn)一步推進(jìn)。隨著高等教育改革的不斷深化，高校大膽嘗試將各種新提出的教學(xué)模式、教學(xué)手段直接作用于實(shí)踐教學(xué)，物理理論課的講授很多是由線下搬至線上，翻轉(zhuǎn)課堂、MOOC教學(xué)等新教學(xué)模式在國(guó)內(nèi)外高校發(fā)展迅速。但由于物理實(shí)驗(yàn)課本身的操作局限性，單純的由線上完成難度較大，學(xué)生也無(wú)法感知實(shí)際操作所具有的附加信息[1]，而未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的是實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型人才。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)旨在學(xué)生運(yùn)用一般的物理實(shí)驗(yàn)方法駕馭基本物理量的測(cè)量步驟[2]，挖掘物理理論和實(shí)驗(yàn)之間的聯(lián)系意識(shí)[3]。美國(guó)提倡設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的趣味性，儀器透明度較高，在實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程可以交流互動(dòng)討論；德國(guó)要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前做大量準(zhǔn)備工作，比如閱讀大量與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的書籍，熟悉實(shí)驗(yàn)儀器使用方法；我國(guó)則要求各個(gè)學(xué)校根據(jù)自身情況開展分層次教學(xué)，努力培養(yǎng)一專多能的人才。尤其是“雙高”“雙創(chuàng)”計(jì)劃的提出，賦予了工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)目標(biāo)以更高層次的界定意義，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)的過(guò)程即是創(chuàng)新能力、交際能力、觀察能力等綜合能力提升的過(guò)程。

2 平臺(tái)建設(shè)

我校響應(yīng)國(guó)家建設(shè)智慧校園、智慧實(shí)驗(yàn)室的號(hào)召，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)遍布校內(nèi)，并成立實(shí)驗(yàn)教學(xué)與設(shè)備管理中心，統(tǒng)籌安排全校實(shí)驗(yàn)室管理建設(shè)，將實(shí)驗(yàn)開課、選課、儀器使用平臺(tái)與教務(wù)系統(tǒng)連接，并建立了大型儀器設(shè)備使用平臺(tái)和生物仿真實(shí)驗(yàn)室，其中大型儀器設(shè)備使用平臺(tái)不僅滿足本校師生科研需要，服務(wù)范圍也輻射周邊高校。目前學(xué)校已引入多個(gè)學(xué)習(xí)平臺(tái)，平臺(tái)顯示如圖1，學(xué)生可隨時(shí)登陸學(xué)習(xí)。

圖1 學(xué)校常見(jiàn)平臺(tái)

著眼于國(guó)家提出的新工科建設(shè)，工學(xué)院依托現(xiàn)有資源，對(duì)傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式、教學(xué)手段、課程內(nèi)容、教學(xué)評(píng)價(jià)等進(jìn)行了改進(jìn)，積極引入最新的信息技術(shù)，從多個(gè)環(huán)節(jié)服務(wù)物理實(shí)驗(yàn)授課，以期提高教學(xué)質(zhì)量，努力為學(xué)生搭建全面學(xué)、深入學(xué)、持續(xù)學(xué)的平臺(tái)，將激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維理念貫穿于培養(yǎng)的全過(guò)程。

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)

實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)首先是操作動(dòng)手能力的培養(yǎng)。基于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)，從學(xué)生課前預(yù)習(xí)、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室操作、數(shù)據(jù)處理、課后提升幾個(gè)方面入手，逐步遞進(jìn)式的讓學(xué)生接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

3.1 課前與課中實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

我校工學(xué)院每學(xué)期需參加物理實(shí)驗(yàn)課的人數(shù)近800 人，以開設(shè)普通物理實(shí)驗(yàn)為主。具體的實(shí)施過(guò)程：

1）實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段。教師會(huì)通過(guò)QQ 群向?qū)W生發(fā)布預(yù)習(xí)內(nèi)容和相關(guān)儀器操作的視頻鏈接，視頻大多取自MOOC 和愛(ài)課程網(wǎng)，并通過(guò)泛雅平臺(tái)發(fā)布問(wèn)題。學(xué)生根據(jù)課程提示，結(jié)合自身相關(guān)物理知識(shí)儲(chǔ)備，提前通過(guò)學(xué)校的精品課程庫(kù)或泛雅平臺(tái)預(yù)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而將理論知識(shí)有針對(duì)性的融入到將要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，借助虛擬仿真準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，在虛擬過(guò)程中及時(shí)記錄可能出現(xiàn)的問(wèn)題，并針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行思考或通過(guò)QQ、微信群等展開線上小組討論。

根據(jù)學(xué)生的線上反饋，教師及時(shí)掌握學(xué)生各個(gè)環(huán)節(jié)的預(yù)習(xí)情況，使后續(xù)的指導(dǎo)操作過(guò)程更具有針對(duì)性、目的性，有效利用了實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間，降低了對(duì)實(shí)際儀器的破壞。同時(shí)，帶著問(wèn)題做實(shí)驗(yàn)也能發(fā)揮學(xué)生的主體作用，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，打破學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)空限制，有效利用碎片時(shí)間，整合學(xué)習(xí)資源，培養(yǎng)創(chuàng)新思維意識(shí)。

2）在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段。教師根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)階段的反饋采取不同的授課方式，注重營(yíng)造多元化的學(xué)習(xí)氛圍，同時(shí)讓部分學(xué)生講解本次實(shí)驗(yàn)儀器的操作要領(lǐng)、注意事項(xiàng)、背景意義、延伸應(yīng)用等，而這一環(huán)節(jié)也決定了實(shí)驗(yàn)操作階段會(huì)采用何種實(shí)驗(yàn)方案。其既能有效提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，又能進(jìn)一步體現(xiàn)學(xué)生在課堂中的主體作用和教師的主導(dǎo)作用。

3）實(shí)驗(yàn)操作階段。教師采取分組的形式，為保證每位同學(xué)都有動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，每組組員人數(shù)一般不多于三人，組員有不同的分工，實(shí)驗(yàn)的每一步都需要組員間的團(tuán)結(jié)協(xié)作，互相幫助。該階段有助于強(qiáng)化合作意識(shí)。

4）數(shù)據(jù)處理階段。物理實(shí)驗(yàn)教師提倡學(xué)生根據(jù)匯編語(yǔ)言編程獲得多組數(shù)據(jù)，結(jié)合常用的Matlab 和Origin等軟件繪制圖形，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按照固定的格式整理總結(jié)電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并上傳實(shí)驗(yàn)報(bào)告至泛雅平臺(tái)，方便教師查閱，及時(shí)解決個(gè)別問(wèn)題。通過(guò)這個(gè)階段的訓(xùn)練，工科學(xué)生的編程能力、知識(shí)的綜合運(yùn)用能力以及撰寫論文報(bào)告的能力得到了明顯有效的提升，無(wú)形中也培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

5）考核評(píng)價(jià)階段。教師依據(jù)線上討論預(yù)習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)操作情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫情況等分別按照小組互評(píng)、自評(píng)和教師評(píng)價(jià)占用不同權(quán)重的方式進(jìn)行考評(píng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)全過(guò)程的有效監(jiān)督。

通過(guò)以上節(jié)點(diǎn)的控制，真正實(shí)現(xiàn)了線上與線下的結(jié)合、虛與實(shí)的結(jié)合、教與學(xué)的結(jié)合、理論與實(shí)踐的結(jié)合以及學(xué)科之間的有效融合，有助于激發(fā)學(xué)生的求知興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)力。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，采用這種線上與線下結(jié)合的授課方式后，學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)課程的曠課率下降了12%，互動(dòng)率達(dá)到90%，上課效果得到明顯提升。

3.2 課后階段實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力提升培養(yǎng)

3.2.1 大型儀器知識(shí)科普與開展學(xué)習(xí)競(jìng)賽

為滿足高年級(jí)學(xué)生科研訓(xùn)練需求，我校大型儀器設(shè)備使用平臺(tái)教師會(huì)不定期為理工科學(xué)生科普講解大型儀器設(shè)備使用操作步驟，針對(duì)如何完成高質(zhì)量的測(cè)試，結(jié)合具體的案例進(jìn)行詳細(xì)介紹，包括樣品制備前的準(zhǔn)備、樣品的制備、樣品的固定方式、取樣等多個(gè)環(huán)節(jié)介紹，方便老師同學(xué)們組成科研團(tuán)隊(duì)，提高測(cè)試效率，服務(wù)科研。

我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理科會(huì)不定期的組織物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽，涵蓋基本儀器的操作，基本儀器的改進(jìn)，基本儀器的拓展應(yīng)用，自制實(shí)驗(yàn)教具、基本物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制，基本物理實(shí)驗(yàn)原理的改進(jìn)等。物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽不僅能鞏固學(xué)生們的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)，鍛煉學(xué)生們的創(chuàng)新能力和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，也能為我校物理院學(xué)生參加國(guó)家級(jí)的物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽奠定基礎(chǔ)。另外，競(jìng)賽還能為老師們提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和科研能力提供借鑒，幫助其積累經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)以賽促學(xué)、以賽促教、以賽促改。

3.2.2 組織物理協(xié)會(huì)與科研團(tuán)隊(duì)

1）為滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的需求，鼓勵(lì)學(xué)生組建物理實(shí)驗(yàn)愛(ài)好者協(xié)會(huì)，培育實(shí)效性強(qiáng)的大學(xué)生科技創(chuàng)新團(tuán)體，并給予一定的場(chǎng)地和資金支持，委派專任實(shí)驗(yàn)技術(shù)教師定期開展指導(dǎo)，助力學(xué)生新發(fā)明。期間，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰徒浑H能力得到了鍛煉，做到了學(xué)以致用，理論聯(lián)系實(shí)際。

2）鼓勵(lì)學(xué)生積極參與教師科研活動(dòng)，定期參加教師科研組會(huì)，同時(shí)邀請(qǐng)部分同學(xué)就最近搜集到的物理相關(guān)的前沿動(dòng)態(tài)和新科技、新發(fā)現(xiàn)做報(bào)告[4]。教師要不斷增強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)愛(ài)好者的學(xué)習(xí)興趣以及探索新知識(shí)的能力，從多方面、多層次引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，進(jìn)而使學(xué)生的跨學(xué)科知識(shí)遷移能力與知識(shí)的綜合運(yùn)用能力得以提升。

3.2.3 校企合作

新工科區(qū)別于傳統(tǒng)工科的特點(diǎn)之一是服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，借助于物理實(shí)驗(yàn)這門課程的優(yōu)勢(shì)，我校實(shí)驗(yàn)室還承接社會(huì)企業(yè)培訓(xùn)業(yè)務(wù)和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)業(yè)務(wù)，為企業(yè)培訓(xùn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)人員。校企合作在提高實(shí)驗(yàn)室儀器使用效率的同時(shí)，也助力了企業(yè)實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍建設(shè)以及新產(chǎn)品研發(fā)，能加快科技成果轉(zhuǎn)化，同時(shí)讓學(xué)生親身體驗(yàn)到學(xué)有所用，有的放矢。

4 結(jié)論

最近一年，學(xué)校采取的這種以線上與線下結(jié)合授課模式為主，以科研目標(biāo)、競(jìng)賽項(xiàng)目、實(shí)際問(wèn)題、校企合作任務(wù)驅(qū)動(dòng)模式為輔，以課堂實(shí)際操作為主，以課下設(shè)置任務(wù)為輔的培養(yǎng)形式，促使學(xué)生由實(shí)驗(yàn)課程的聆聽(tīng)者、接受者變?yōu)閷?shí)驗(yàn)的演示者和探究者，既滿足了大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，也滿足了部分學(xué)生個(gè)性化的需求。積極營(yíng)造創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境，既提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)，又為其它專業(yè)性實(shí)驗(yàn)課程的開展提供了借鑒。下一步,將積極探索將考級(jí)證書納入物理實(shí)驗(yàn)課程改革中，進(jìn)一步規(guī)范物理實(shí)驗(yàn)課程體系和課程內(nèi)容。