新工科創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實踐
——以普通物理實驗課為例

秦玉嬌

(曲阜師范大學 實驗教學與設備管理中心，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，其學習方式、教育方式與評價方式等均呈現(xiàn)出開放性、多樣性與交互性的特點。物理學作為一門基礎性的自然科學，是理工科學生認識自然、學習創(chuàng)新的基礎，該學科以實驗為基礎，物理實驗和物理理論同等重要，是后續(xù)各專業(yè)實驗和科研的基礎，其實驗能力培養(yǎng)模式也需進一步推進。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模式、教學手段直接作用于實踐教學，物理理論課的講授很多是由線下搬至線上，翻轉課堂、MOOC教學等新教學模式在國內外高校發(fā)展迅速。但由于物理實驗課本身的操作局限性，單純的由線上完成難度較大，學生也無法感知實際操作所具有的附加信息[1]，而未來新興產業(yè)和新經(jīng)濟需要的是實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型人才。

大學物理實驗旨在學生運用一般的物理實驗方法駕馭基本物理量的測量步驟[2]，挖掘物理理論和實驗之間的聯(lián)系意識[3]。美國提倡設計實驗的趣味性，儀器透明度較高，在實驗的整個過程可以交流互動討論；德國要求學生在實驗前做大量準備工作，比如閱讀大量與實驗相關的書籍，熟悉實驗儀器使用方法；我國則要求各個學校根據(jù)自身情況開展分層次教學，努力培養(yǎng)一專多能的人才。尤其是“雙高”“雙創(chuàng)”計劃的提出，賦予了工科專業(yè)實驗能力的培養(yǎng)目標以更高層次的界定意義，實驗能力培養(yǎng)的過程即是創(chuàng)新能力、交際能力、觀察能力等綜合能力提升的過程。

2 平臺建設

我校響應國家建設智慧校園、智慧實驗室的號召，無線網(wǎng)絡遍布校內，并成立實驗教學與設備管理中心，統(tǒng)籌安排全校實驗室管理建設，將實驗開課、選課、儀器使用平臺與教務系統(tǒng)連接，并建立了大型儀器設備使用平臺和生物仿真實驗室，其中大型儀器設備使用平臺不僅滿足本校師生科研需要，服務范圍也輻射周邊高校。目前學校已引入多個學習平臺，平臺顯示如圖1，學生可隨時登陸學習。

圖1 學校常見平臺

著眼于國家提出的新工科建設，工學院依托現(xiàn)有資源，對傳統(tǒng)的物理實驗教學方式、教學手段、課程內容、教學評價等進行了改進，積極引入最新的信息技術，從多個環(huán)節(jié)服務物理實驗授課，以期提高教學質量，努力為學生搭建全面學、深入學、持續(xù)學的平臺，將激發(fā)學生的創(chuàng)新思維理念貫穿于培養(yǎng)的全過程。

3 實驗能力培養(yǎng)

實驗能力培養(yǎng)首先是操作動手能力的培養(yǎng)?；诖髮W物理實驗課程特點，從學生課前預習、設計、實驗室操作、數(shù)據(jù)處理、課后提升幾個方面入手，逐步遞進式的讓學生接受系統(tǒng)實驗訓練，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

3.1 課前與課中實驗創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

我校工學院每學期需參加物理實驗課的人數(shù)近800 人，以開設普通物理實驗為主。具體的實施過程：

1）實驗預習階段。教師會通過QQ 群向學生發(fā)布預習內容和相關儀器操作的視頻鏈接，視頻大多取自MOOC 和愛課程網(wǎng)，并通過泛雅平臺發(fā)布問題。學生根據(jù)課程提示，結合自身相關物理知識儲備，提前通過學校的精品課程庫或泛雅平臺預習相關實驗內容，從而將理論知識有針對性的融入到將要進行的實驗中，借助虛擬仿真準備實驗器材，設計實驗方案，在虛擬過程中及時記錄可能出現(xiàn)的問題，并針對該問題進行思考或通過QQ、微信群等展開線上小組討論。

根據(jù)學生的線上反饋，教師及時掌握學生各個環(huán)節(jié)的預習情況，使后續(xù)的指導操作過程更具有針對性、目的性，有效利用了實驗操作時間，降低了對實際儀器的破壞。同時，帶著問題做實驗也能發(fā)揮學生的主體作用，提高學生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題的能力，打破學生學習的時空限制，有效利用碎片時間，整合學習資源，培養(yǎng)創(chuàng)新思維意識。

2）在實驗準備階段。教師根據(jù)學生預習階段的反饋采取不同的授課方式，注重營造多元化的學習氛圍，同時讓部分學生講解本次實驗儀器的操作要領、注意事項、背景意義、延伸應用等，而這一環(huán)節(jié)也決定了實驗操作階段會采用何種實驗方案。其既能有效提高學生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力，又能進一步體現(xiàn)學生在課堂中的主體作用和教師的主導作用。

3）實驗操作階段。教師采取分組的形式，為保證每位同學都有動手操作的機會，每組組員人數(shù)一般不多于三人，組員有不同的分工，實驗的每一步都需要組員間的團結協(xié)作，互相幫助。該階段有助于強化合作意識。

4）數(shù)據(jù)處理階段。物理實驗教師提倡學生根據(jù)匯編語言編程獲得多組數(shù)據(jù)，結合常用的Matlab 和Origin等軟件繪制圖形，在規(guī)定的時間內按照固定的格式整理總結電子版實驗報告，并上傳實驗報告至泛雅平臺，方便教師查閱，及時解決個別問題。通過這個階段的訓練，工科學生的編程能力、知識的綜合運用能力以及撰寫論文報告的能力得到了明顯有效的提升，無形中也培養(yǎng)了嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。

5）考核評價階段。教師依據(jù)線上討論預習情況、實驗操作情況、實驗報告撰寫情況等分別按照小組互評、自評和教師評價占用不同權重的方式進行考評，實現(xiàn)對學生實驗全過程的有效監(jiān)督。

通過以上節(jié)點的控制，真正實現(xiàn)了線上與線下的結合、虛與實的結合、教與學的結合、理論與實踐的結合以及學科之間的有效融合，有助于激發(fā)學生的求知興趣和學習動力。通過調研發(fā)現(xiàn)，采用這種線上與線下結合的授課方式后，學生物理實驗課程的曠課率下降了12%，互動率達到90%，上課效果得到明顯提升。

3.2 課后階段實驗創(chuàng)新能力提升培養(yǎng)

3.2.1 大型儀器知識科普與開展學習競賽

為滿足高年級學生科研訓練需求，我校大型儀器設備使用平臺教師會不定期為理工科學生科普講解大型儀器設備使用操作步驟，針對如何完成高質量的測試，結合具體的案例進行詳細介紹，包括樣品制備前的準備、樣品的制備、樣品的固定方式、取樣等多個環(huán)節(jié)介紹，方便老師同學們組成科研團隊，提高測試效率，服務科研。

我校實驗教學管理科會不定期的組織物理實驗競賽，涵蓋基本儀器的操作，基本儀器的改進，基本儀器的拓展應用，自制實驗教具、基本物理實驗過程控制，基本物理實驗原理的改進等。物理實驗競賽不僅能鞏固學生們的基礎物理實驗知識，鍛煉學生們的創(chuàng)新能力和競爭意識，也能為我校物理院學生參加國家級的物理實驗競賽奠定基礎。另外，競賽還能為老師們提高物理實驗教學水平和科研能力提供借鑒，幫助其積累經(jīng)驗，實現(xiàn)以賽促學、以賽促教、以賽促改。

3.2.2 組織物理協(xié)會與科研團隊

1）為滿足學生個性化學習的需求，鼓勵學生組建物理實驗愛好者協(xié)會，培育實效性強的大學生科技創(chuàng)新團體，并給予一定的場地和資金支持，委派專任實驗技術教師定期開展指導，助力學生新發(fā)明。期間，學生的實驗能力和交際能力得到了鍛煉，做到了學以致用，理論聯(lián)系實際。

2）鼓勵學生積極參與教師科研活動，定期參加教師科研組會，同時邀請部分同學就最近搜集到的物理相關的前沿動態(tài)和新科技、新發(fā)現(xiàn)做報告[4]。教師要不斷增強物理實驗愛好者的學習興趣以及探索新知識的能力，從多方面、多層次引導學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，進而使學生的跨學科知識遷移能力與知識的綜合運用能力得以提升。

3.2.3 校企合作

新工科區(qū)別于傳統(tǒng)工科的特點之一是服務地方經(jīng)濟發(fā)展，借助于物理實驗這門課程的優(yōu)勢，我校實驗室還承接社會企業(yè)培訓業(yè)務和實驗檢驗業(yè)務，為企業(yè)培訓相關實驗人員。校企合作在提高實驗室儀器使用效率的同時，也助力了企業(yè)實驗隊伍建設以及新產品研發(fā)，能加快科技成果轉化，同時讓學生親身體驗到學有所用，有的放矢。

4 結論

最近一年，學校采取的這種以線上與線下結合授課模式為主，以科研目標、競賽項目、實際問題、校企合作任務驅動模式為輔，以課堂實際操作為主，以課下設置任務為輔的培養(yǎng)形式，促使學生由實驗課程的聆聽者、接受者變?yōu)閷嶒灥难菔菊吆吞骄空?，既滿足了大部分學生的學習要求，也滿足了部分學生個性化的需求。積極營造創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境，既提升了學生的綜合素質，又為其它專業(yè)性實驗課程的開展提供了借鑒。下一步,將積極探索將考級證書納入物理實驗課程改革中，進一步規(guī)范物理實驗課程體系和課程內容。