新工科建設(shè)背景下大學(xué)物理實驗教學(xué)改革探討

劉金秀，賀小偉，張景川，楚合營，王 龍，羅華平

（塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300）

0 引言

新工科建設(shè)是在“卓越計劃”基礎(chǔ)上提出的一項以“主動布局、設(shè)置和建設(shè)服務(wù)國家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)需求、面向未來發(fā)展的工程學(xué)科與專業(yè)，培養(yǎng)造就一批具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力、高素質(zhì)的各類交叉復(fù)合型卓越工程科技人才”為主要目標的教育改革行動[1-2]。2019年4月29日，教育部“六卓越一拔尖”計劃2.0大會中提出“立足新時代，大力發(fā)展新工科、新農(nóng)科，提升新內(nèi)涵，強化質(zhì)量效果，建設(shè)高水平本科教育[3]”的目標。新工科建設(shè)一方面要求高等教育應(yīng)該授人以漁，另一方面要求培養(yǎng)綜合創(chuàng)新型人才[4]。當代科技與經(jīng)濟發(fā)展日新月異，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)對高等工程教育提出了新要求，使其面臨著巨大挑戰(zhàn)。

大學(xué)物理實驗課程是理工科學(xué)生開設(shè)最早的學(xué)科基礎(chǔ)課，該課程對加深學(xué)生理解和掌握物理概念及規(guī)律、激發(fā)物理學(xué)習(xí)興趣至關(guān)重要，并且可為后續(xù)科學(xué)地開展專業(yè)課程實驗奠定基礎(chǔ)。但由于國內(nèi)部分高校對常規(guī)的實驗教學(xué)方法未與時俱進實行改革，大學(xué)物理實驗未能很好地發(fā)揮其應(yīng)有的功能。傳統(tǒng)實驗教學(xué)缺乏反映工程技術(shù)和科技領(lǐng)域的新應(yīng)用、新發(fā)展的實驗項目，學(xué)生被動地模仿操作實驗，課堂互動極少，考核評價也存在諸多弊端，教學(xué)效果較差，無法達到新工科建設(shè)對大學(xué)物理實驗教學(xué)提出的新要求，大學(xué)物理實驗課程教學(xué)改革迫在眉睫[5-6]。

現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展和學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變對傳統(tǒng)實驗教學(xué)形成了多方位挑戰(zhàn)，為支撐新工科建設(shè)人才培養(yǎng)的需要，課題組提出從以下四個方面進行大學(xué)物理實驗教學(xué)改革探索，以期不斷提高大學(xué)物理實驗課程教學(xué)效果和質(zhì)量，為培養(yǎng)新時代四有拔尖人才奠定基礎(chǔ)。

1 以教材為支撐，豐富教學(xué)內(nèi)容

在新工科建設(shè)背景下，大學(xué)物理實驗教材在包含實驗基本知識、原理和操作方法的同時，應(yīng)提供科學(xué)探索的研究方法，將物理原理的驗證與應(yīng)用結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神。以基礎(chǔ)性、層次性、綜合性、新技術(shù)應(yīng)用性為特點，課題組擬結(jié)合本校實驗室條件、專業(yè)需求并參考國家級優(yōu)秀教材開展大學(xué)物理實驗教材的編寫工作。

1.1 重視基礎(chǔ)實驗項目，建設(shè)寬泛的拓展項目

教材遵循《理工科類大學(xué)物理實驗科學(xué)教學(xué)基本要求》這一綱領(lǐng)，并結(jié)合新工科建設(shè)和專業(yè)人才培養(yǎng)目標，以基礎(chǔ)物理實驗項目為重點，增加綜合性、開放性的探索實驗?；A(chǔ)物理實驗項目包含常見的力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和近代物理實驗，按從易到難的順序?qū)哟位幣?，而且盡量使每個實驗項目也有層次化的要求。充分考慮課程面向?qū)W生的差異性，在基礎(chǔ)實驗項目的基礎(chǔ)上設(shè)置綜合性、開放性的探索實驗，將科學(xué)內(nèi)容、研究方法、創(chuàng)新意識有機地融合到物理實驗中，使教材適應(yīng)農(nóng)機、機械、植保等不同專業(yè)、不同層次的學(xué)生學(xué)習(xí)需求，滿足學(xué)生個性化發(fā)展。在綜合性、開放性實驗項目中，只設(shè)定實驗要求和目標，讓學(xué)生自主完成設(shè)備組裝、步驟安排和數(shù)據(jù)分析等一系列工作，給予學(xué)生較充分的時間、空間自主選擇權(quán)，更好地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索的科研精神。

1.2 與時俱進，充實教材內(nèi)容

當代科學(xué)技術(shù)日新月異，教材形式應(yīng)緊跟時代發(fā)展，為學(xué)生提供更加快捷、方便、豐富的教學(xué)資源[7]。將傳感器技術(shù)、納米材料、光譜技術(shù)等現(xiàn)代科技成果和物理前沿知識融入實驗項目中，以附錄的形式進行介紹。建立資源鏈接，將優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)資源以視頻、文獻或圖片的形式轉(zhuǎn)化為二維碼嵌入到教材相應(yīng)章節(jié)，學(xué)生通過掃碼即可形象直觀地學(xué)習(xí)實驗儀器及其使用方法等知識，也可了解相關(guān)實驗項目在實際生活中的應(yīng)用或推廣，提高教材的廣度和時代性。學(xué)生能及時接觸到物理學(xué)發(fā)展的前沿知識和技術(shù)，以便豐富學(xué)生的背景知識、擴展物理知識面，激發(fā)學(xué)生對物理實驗探索的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)造性思維。

2 以信息技術(shù)為載體，開展教學(xué)改革

為適應(yīng)新形勢下新工科建設(shè)對人才培養(yǎng)的需求，近年來塔里木大學(xué)加快了物理實驗場地建設(shè)和實驗儀器更新，課題組也結(jié)合信息技術(shù)不斷調(diào)整教學(xué)方法和教學(xué)手段，使大學(xué)物理實驗教學(xué)從原來只注重知識的傳授轉(zhuǎn)變到學(xué)生能力和素質(zhì)培養(yǎng)的目標上來。

2.1 利用信息平臺，構(gòu)建“線上+線下”教學(xué)模式

在現(xiàn)代化高等教育中，信息化教學(xué)模式和互動式教學(xué)手段優(yōu)勢明顯，突破了傳統(tǒng)教學(xué)在時間、空間上的限制，將學(xué)習(xí)的主動權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生，有利于構(gòu)建“以學(xué)生為中心”的主動、探究式學(xué)習(xí)模式，提高學(xué)生分析、解決問題的能力。

大學(xué)物理實驗?zāi)K化明顯，制作微課方便，課題組借助“學(xué)習(xí)通”平臺開展大學(xué)物理實驗翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)（圖1），采用“線上+線下”相結(jié)合的授課模式，實現(xiàn)課前知識傳遞、課上知識內(nèi)化和課后知識鞏固。學(xué)生可以隨時在線上做好充分的預(yù)習(xí)，將更多時間投入到實驗操作和探究環(huán)節(jié)，也有足夠的時間進行“線上+線下”的師生、生生互動討論。

圖1 大學(xué)物理實驗“線上+線下”翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

2.2 有效利用信息技術(shù)，多方位提升教學(xué)效果

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展為教學(xué)改革提供了技術(shù)支持[8]，在大學(xué)物理實驗教學(xué)中應(yīng)有效利用信息技術(shù)整合多用途的信息平臺，不斷拓展大學(xué)物理實驗課程的信息化教學(xué)空間。如利用信息技術(shù)開展虛擬實驗建設(shè)，彌補因?qū)嶒炇覘l件設(shè)備缺乏致使部分實驗無法開展的弊端；再如進行實驗儀器數(shù)字化教學(xué)、開展數(shù)字化教材建設(shè)[9]，便于學(xué)生通過計算機或者手機及時觀看實驗演示視頻、學(xué)習(xí)相關(guān)實驗知識。

在大學(xué)物理實驗教學(xué)中充分利用微信、QQ等交流工具，根據(jù)不同的專業(yè)和課程建立不同的微信群和QQ群，通過群發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)、分享資料、交流問題，也便于及時補充相關(guān)實驗知識，有效協(xié)助開展物理實驗教學(xué)，提高學(xué)習(xí)效率，優(yōu)化教學(xué)效果。

3 以課程建設(shè)為契機，開設(shè)實驗選修課

3.1 在《大學(xué)物理實驗》課程之前開設(shè)選修課

由于農(nóng)機、計算機、動醫(yī)等各專業(yè)學(xué)生物理基礎(chǔ)知識參差不齊，而且物理實驗教材中增添了新的實驗項目，應(yīng)綜合各實際情況，課題組將專門開設(shè)大學(xué)物理實驗的公共選修課程《大學(xué)物理實驗方法與技術(shù)》，讓基礎(chǔ)薄弱的同學(xué)能夠預(yù)先了解和學(xué)習(xí)物理實驗儀器和基本理論知識，提前掌握實驗儀器的操作方法。

3.2 在《大學(xué)物理實驗》課程之后開設(shè)選修課

目前理工科學(xué)生的物理實驗課時在減少，為了鞏固實踐能力，課題組將專門開設(shè)大學(xué)物理實驗的后續(xù)選修課程《大學(xué)物理實驗拓展》。組建選修課教師團隊，團隊教師需不斷提高理論和業(yè)務(wù)水平、提升自身創(chuàng)新能力，在課程教學(xué)中分享各自在物理領(lǐng)域有關(guān)的科研進展，介紹歷屆大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的成果案例，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情，鼓勵學(xué)生組建創(chuàng)新團隊并積極申報大創(chuàng)項目。通過后續(xù)選修課的教學(xué)實現(xiàn)師生教學(xué)相長，同時提升教師和學(xué)生的實踐探究能力，促進農(nóng)機、機械、動醫(yī)、食品科學(xué)、化工、生物科學(xué)、計算機等專業(yè)教育的發(fā)展。

4 以過程考核為重點，優(yōu)化評價方式

4.1 加強實驗過程考核，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)是集預(yù)習(xí)、操作、數(shù)據(jù)分析、實驗報告等環(huán)節(jié)為一體的過程教學(xué)，對單一環(huán)節(jié)和整體過程的考核比對實驗結(jié)果的考核更重要[10]。首先，從預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的考核著手，通過學(xué)生在線上提交的預(yù)習(xí)報告給出一部分預(yù)習(xí)成績，再根據(jù)線下課堂開始前學(xué)生對實驗原理、操作等課前知識的掌握程度給出另一部分預(yù)習(xí)成績；其次，注重實驗操作環(huán)節(jié)的考核，不僅關(guān)注學(xué)生操作實驗的具體情況，而且隨時進行提問、開展互動交流，根據(jù)學(xué)生在實驗環(huán)節(jié)的整體表現(xiàn)給出考核成績；最后，結(jié)合實驗報告的完整性及數(shù)據(jù)分析的合理性給出基礎(chǔ)物理實驗的評定成績。過程考核能更客觀地反映學(xué)生對實驗的掌握程度，有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

4.2 實行多元化考核，引導(dǎo)學(xué)生開展個性化學(xué)習(xí)

在基礎(chǔ)實驗項目過程考核的基礎(chǔ)上實行多元化考核。要求學(xué)生以小組形式分別完成一個綜合性實驗和一個開放性探索實驗，完成實驗后需分別提交一份包括實驗設(shè)計、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理及實驗問題的綜合報告，并進行現(xiàn)場答辯，根據(jù)答辯情況給出評定成績，計入大學(xué)物理實驗最終成績，通過多元化考核充分引導(dǎo)學(xué)生開展個性化學(xué)習(xí)。

5 總結(jié)

針對目前大學(xué)物理實驗教學(xué)中存在的問題，圍繞新工科建設(shè)要求，基于現(xiàn)代信息技術(shù)和高等教育發(fā)展戰(zhàn)略，提出從教材建設(shè)、教學(xué)方式、選修課程、考核評價等方面對大學(xué)物理實驗教學(xué)進行改革的舉措。教學(xué)實踐表明，經(jīng)過階段性改革，學(xué)生預(yù)習(xí)、開展實驗的積極性明顯提高，師生、生生互動交流更密切，實驗報告質(zhì)量相比以前有了較大提升。