工科物理實驗中“多維度”教學(xué)模式研究

伊兆廣 劉津升 許生慧 金遠偉 吳慶春

（南京工程學(xué)院數(shù)理部，江蘇 南京 211167）

0 引言

創(chuàng)新能力是高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要目標(biāo)，教學(xué)質(zhì)量是實施教學(xué)計劃，完成創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要生命線， 提高教學(xué)質(zhì)量是實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵所在。大學(xué)物理實驗在實驗方法、思想和科學(xué)數(shù)據(jù)處理上是很多學(xué)科的基礎(chǔ)，是理工科專業(yè)學(xué)生的必修課，如何緊跟信息化發(fā)展，優(yōu)化教學(xué)模式，構(gòu)建“多層次”教學(xué)模式，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性是物理實驗教學(xué)中亟待解決的問題。

目前國內(nèi)高校教學(xué)基本確立學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，根據(jù)不同專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生差異性形成了本校特色的教學(xué)模式，建立了基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗和創(chuàng)新性實驗的多層次實驗教學(xué)體系[1-3]，并借助現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)手段建立模擬實驗平臺、師生互動平臺，積極交流和合作引進緊跟時代發(fā)展的實驗項目，提高自己的教學(xué)質(zhì)量[4，5]。 例如，浙江大學(xué)依托大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽、探究性實驗、大學(xué)生物理科技創(chuàng)新競賽、大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品“挑戰(zhàn)杯”等競賽全方位提高學(xué)生實驗技能和創(chuàng)新能力，通過學(xué)術(shù)科研與競賽為紐帶建立創(chuàng)新實驗室，促進學(xué)生參與學(xué)術(shù)研究和實驗的熱情。 復(fù)旦大學(xué)在完成基礎(chǔ)課堂教學(xué)任務(wù)外，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式積極開放實驗平臺，開設(shè)了“自學(xué)物理實驗”“綜合物理實驗”“設(shè)計性物理實驗”“物理演示與拓展”等多層次教學(xué)模式，借助于網(wǎng)絡(luò)信息化，通過網(wǎng)絡(luò)答疑、bbs 等模式滿足學(xué)生自我發(fā)展的個性化需要。

本文對大學(xué)物理實驗教學(xué)中比較突出的三個問題進行分析，根據(jù)實驗室所能提供的教學(xué)平臺，結(jié)合信息化教學(xué)需要和傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法優(yōu)點，建立“多維度”的教學(xué)模式，喚醒學(xué)生參加實驗的內(nèi)在驅(qū)動力， 讓學(xué)生根據(jù)自己個性化發(fā)展需要參與實驗，建立緊密聯(lián)系生活的實用型、創(chuàng)新型多層次的教學(xué)體系。

1 現(xiàn)階段物理實驗教學(xué)中的三個突出的問題

1.1 學(xué)生對實驗的重視程度不夠，實驗之前的預(yù)習(xí)效果較差

物理實驗教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)非物理專業(yè)的學(xué)生物理理論功底較為薄弱，大部分學(xué)生精力主要放在本專業(yè)領(lǐng)域，對基礎(chǔ)實驗教學(xué)內(nèi)容從思想上不夠重視。 由于學(xué)生認知水平的差異和課前不能夠做到認真預(yù)習(xí)，采用只照抄物理實驗教材而不思考的形式敷衍了事，導(dǎo)致預(yù)習(xí)效果很差，課上部分同學(xué)不認真聽講或者根本聽不懂，不能自主積極探索并提出問題，用科學(xué)求實的態(tài)度探索實驗，對實驗缺乏足夠的興趣，甚至出現(xiàn)編造數(shù)據(jù)等情況。 課下不認真完成數(shù)據(jù)處理及其思考題， 在完成試驗后部分同學(xué)不知道實驗的目的是什么，因此改變教學(xué)模式，吸引提高學(xué)生參加實驗熱情，加強學(xué)生對基礎(chǔ)實驗的重視度是提高實驗教學(xué)的一個關(guān)鍵點。

1.2 實驗開設(shè)內(nèi)容和教學(xué)模式過于固化，學(xué)生主動參與度不夠

物理實驗中基礎(chǔ)性實驗是大學(xué)物理實驗的主體部分，其內(nèi)容涉及力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、近代物理等內(nèi)容，知識體系豐富而復(fù)雜。 基礎(chǔ)物理實驗部分內(nèi)容過于固化，其實驗項目設(shè)置的內(nèi)容主要驗證定律的正確性和觀測物理實驗現(xiàn)象，很少由于現(xiàn)代生活緊密聯(lián)系的項目，不易進行知識的遷移擴展，學(xué)生主動參與的興趣度不高。

課堂上老師教學(xué)模式以講解和演示為主，由于課堂時間限制，部分老師只注重實驗原理講解或者實驗步驟操作，沒有將兩者很好地結(jié)合起來，缺少與學(xué)生之間的互動和對學(xué)生獨立思考能力的培養(yǎng)，學(xué)生參照教材和老師的講解操作與測量， 缺乏獨立的思考、觀察、分析的空間，學(xué)生不理解為什么這樣做，很難培養(yǎng)科學(xué)的創(chuàng)新意識和科研能力。 物理實驗教學(xué)中松綁課堂模式、改革實驗項目，吸引學(xué)生主動參與實驗的熱情是當(dāng)前提高物理實驗教學(xué)質(zhì)量的當(dāng)務(wù)之急。

1.3 新購置的智能化實驗儀器過于智能化封裝，需要動手操作的太少，學(xué)生很少有發(fā)揮的空間

大學(xué)物理實驗教學(xué)中， 注重對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，實驗的目的是讓學(xué)生通過實驗來激發(fā)靈感，提高創(chuàng)新意識。 陳舊的儀器需要大量的人力時間去維護，學(xué)生操作需要大量的時間去完成，讓學(xué)生在有限的時間內(nèi)一人一組完成實驗是很困難的。 智能化的儀器具有精度高、集成性能好、數(shù)據(jù)測量簡單等優(yōu)點，但是過于集成化封裝，學(xué)生完成實驗后往往不明所以，得到的只是一個測量結(jié)果，不利于培養(yǎng)學(xué)生處理數(shù)據(jù)和分析問題的能力，實驗室人員對儀器的維護造成了很多的困難，只能依賴于廠家，導(dǎo)致儀器得不到及時維修，從而影響實驗課程的正常開展。

2 改革教學(xué)課堂模式，構(gòu)建“多維度”教學(xué)模式

（1）松綁固定的大學(xué)物理實驗課堂教學(xué)和考核模式，以問題為導(dǎo)向，將實驗還給學(xué)生，促進學(xué)生實驗中的個性發(fā)展。

對于基本的經(jīng)典物理實驗項目，改變課堂以講解內(nèi)容， 完成基本定律或者基本物理常數(shù)測定的模式，活化課堂教學(xué)模式，例如，通過啟發(fā)式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、復(fù)雜實驗采用小組合作等，設(shè)定問題，讓學(xué)生帶著問題去探索，并學(xué)習(xí)總結(jié)其中基本的測量方法，學(xué)習(xí)儀器的設(shè)計原理、測量原理、材料的基本性質(zhì)，喚起學(xué)生內(nèi)在求知動力，將時間和課堂還給學(xué)生，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

改革物理實驗課程考核形式，課程考核以小論文的形式， 讓學(xué)生總結(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容中基本的原理拓展應(yīng)用，多角度總結(jié)實驗的基本方法。 例如，微小尺寸測量可以用光的干涉法、光杠桿法精確測量；測較長的距離可以采用激光相位補償、時差法、紅外測距等；速度測量可以用光電門、多普勒測速、傳感器等；角度測量可以采用分光計等；光譜譜線測量可以用“邁克爾孫干涉法”、衍射光柵等；測溫測量可采用水銀溫度計、熱偶溫度計、紅外測溫等；加深理解測量的基本方法，聯(lián)系所學(xué)專業(yè)知識，進行知識遷移應(yīng)用，例如，對開展創(chuàng)新項目利用學(xué)習(xí)基本方法完成基本物理量的測量、監(jiān)控，服務(wù)于智能生活。

（2）構(gòu)建線下物理實驗和線上物理仿真實驗交融的教學(xué)模式引導(dǎo)學(xué)生積極參與實驗熱情。

大學(xué)物理實驗作為基礎(chǔ)學(xué)科的實驗，大部分工科學(xué)生都需要修習(xí)的一門學(xué)科，實驗中心每年要面對高達4 000 多名學(xué)生，每個學(xué)生要完成10 個實驗，本校實驗中心專職老師只有9 個人，另有21 位代課老師，每人工作量非常大， 每位老師工作強度高， 重復(fù)性強，導(dǎo)致教師工作激情降低，很難對學(xué)生進行引導(dǎo)和創(chuàng)新性教學(xué)， 通過線上和線下交融的教學(xué)模式可以解放老師精力， 讓老師有更多的精力參與教學(xué)教改和儀器維護，保證教學(xué)質(zhì)量。 線上和線下交融的“混合式教學(xué)”，可以把課堂主導(dǎo)地位還給學(xué)生，讓學(xué)生成為課堂的主導(dǎo)者而不是被動參與者，實現(xiàn)因材施教的高效率學(xué)習(xí)，達到以自學(xué)為主，教師引導(dǎo)和創(chuàng)新性指導(dǎo)為輔的教學(xué)模式。

本校搭建了線上物理仿真實驗平臺，初步完成了線上仿真和線下物理實操實驗結(jié)合的“混合式教學(xué)”[6]。在平臺上通過視頻講解形式，把實驗?zāi)康?、實驗原理、儀器操作、數(shù)據(jù)處理及其分析總結(jié)展現(xiàn)給學(xué)生，特別是實驗具體的操作步驟和原理的結(jié)合、儀器的詳細介紹和實驗的注意事項講解，解決了學(xué)生課時不足的問題。 學(xué)生通過線上課前預(yù)習(xí)可以反復(fù)觀看視頻和參加仿真實驗，提高了預(yù)習(xí)效果，線下實驗學(xué)習(xí)中，學(xué)生可以有更多的時間進行自主操作，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和動手操作能力，教師對實驗的講解點到為止，主要進行拓展、答疑和創(chuàng)新性引導(dǎo)，這樣可以使學(xué)生進行獨立自主、輕松有效學(xué)習(xí)。 此外通過線上提交報告，自動批改報告解放了教師， 讓老師從容進行教學(xué)教改，設(shè)置兩個需要學(xué)生獨立完成的仿真實驗項目，讓學(xué)生通過查找資料、獨立自主完成實驗，提高學(xué)生解決問題能力和積極參與實驗的熱情。

（3）以物理演示實驗和物理競賽為依托，注重學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

興趣是最好的老師， 提高學(xué)生參加物理實驗興趣，是學(xué)生自我學(xué)習(xí)提升和發(fā)展的內(nèi)在動力。 通過演示實驗，找到學(xué)生的興趣點，激發(fā)其好奇心和求知欲，遇到問題讓學(xué)生自己查閱資料，提高其提出問題和解決問題的能力。 建立與現(xiàn)代科技相聯(lián)系的演示實驗項目，擴展學(xué)生的眼界，打開學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造的思路。 如人工智能、智能控制、機器人識別、人臉識別、循跡小車、3D 打印機、裸眼3D、通信網(wǎng)絡(luò)等項目。 實驗和大學(xué)物理理論課有機結(jié)合起來，充分發(fā)揮演示實驗的補充和輔助作用。 加強理論和實驗的緊密結(jié)合，轉(zhuǎn)換學(xué)生抽象和物理演示實驗形象結(jié)合，加深對知識的理解。 開展開放的討論研究氛圍，引起思想的激烈碰撞，營造自由的創(chuàng)新研究環(huán)境。

給學(xué)生制作的平臺， 建立專用的創(chuàng)新實驗室，搭建實驗作品項目。 從社會研究熱點問題以及生活中的感知理解出發(fā)，如新能源問題、環(huán)境問題、節(jié)能減排、智能生活等，根據(jù)生活需求和自己的實際知識儲備建立項目，將學(xué)習(xí)的基本物理知識和生活需求、創(chuàng)造思維緊密聯(lián)系起來，例如，生活中的懶人鬧鐘、智能垃圾桶、發(fā)電手環(huán)、溫差發(fā)電、太陽能最大能量點跟蹤、舊式太陽能的改造、智能花卉陪護等。 通過查閱資料、可行性分析探究，提高學(xué)生查閱資料、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。 作品制作中小組成員根據(jù)成員知識能力特點、分工制作，提高團隊協(xié)作能力。 疑難問題的討論和解決，通過查閱資料、與老師探討、組內(nèi)成員討論等，尋求最優(yōu)化方案解決問題。

運用基本的知識解決問題，激發(fā)自主探索問題的興趣。 以參加物理競賽為平臺，結(jié)合物理實驗知識的基本方法，促進基本知識的消化理解，豐富自己的知識體系和提高自己解決問題的能力。 以賽促教，加強學(xué)生與老師之間的交流，回饋課堂，提高教學(xué)質(zhì)量。 這樣學(xué)生在作品制作中，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，提高了自己創(chuàng)作的興趣，豐富了自己的知識體系。 活學(xué)活用將所學(xué)習(xí)知識遷移生活中的應(yīng)用，既能提高學(xué)生主動積極思考和創(chuàng)新能力，又能以賽代練加深對物理基本原理理解。

總之，深化改革大學(xué)物理實驗教學(xué)模式，構(gòu)建以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為目的的“多維度”實驗教學(xué)體系，松綁過于硬化的教學(xué)模式，解放教師精力并加強學(xué)生課堂的主導(dǎo)作用， 喚起學(xué)生積極探索的原始動力；通過線下實操實驗和線上預(yù)習(xí)、仿真實驗結(jié)合，讓學(xué)生選擇多元化的學(xué)習(xí)方式，提高學(xué)生自己分析問題和解決問題的能力；適度開放演示實驗平臺，提高學(xué)生參加實驗的樂趣，讓學(xué)生主動參與實驗，改變接收式教學(xué)模式；以物理競賽為平臺，讓學(xué)生回歸生活，奇思妙想構(gòu)建參賽項目，以賽促教，以賽代練，提高學(xué)生的自主創(chuàng)作創(chuàng)新能力。