基于新工科背景下大學物理實驗課程的改革探討

徐 瑛，王思涵，李海軍，陳長波，劉俊杰

(長春理工大學，吉林 長春 130022)

為適應新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的新趨勢，服務國家戰(zhàn)略和區(qū)域發(fā)展的需要，新工科理念就是在這個大背景下提出的。新工科首先是指新興工科專業(yè)，如人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算和機器人等，同時也是對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造。新工科提倡注重實踐，倡導交叉學科，把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)貫穿到人才教育全過程。強調(diào)協(xié)同育人，持續(xù)改進創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標、培養(yǎng)方案、課程體系和教學要求。目前，新工科發(fā)展理念已經(jīng)深入到國內(nèi)各大專院校[1-3]。大學物理實驗作為高等學校理工科院校必修的一門通識教育課程，是培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力的重要課程，在高等學校理工科專業(yè)教育中占有極其重要的地位。大學物理實驗是以實踐為基礎，培養(yǎng)具有科學思維、科學素養(yǎng)和創(chuàng)新意識的人才為目標。以新技術、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式為特征的新工科建設對人才培養(yǎng)的標準提出了更高的要求，要達到更高的標準，也更具體化了。因此，對于大學物理實驗課程的教學就提出了新要求，也是大學物理實驗課程教學改革的契機，是當今教學研究的一個熱點問題[4-6]。但是，目前大學物理實驗教學中還存在諸多問題，還不能完全適應新工科建設對人才培養(yǎng)的要求，本文以我校大學物理實驗教學為例，分析教學中存在的問題及產(chǎn)生的原因，并提出了大學物理實驗課程教學改革的方向和具體實施方案。

1 大學物理實驗課程現(xiàn)狀分析

大學物理實驗課程是一門實踐性很強的基礎課，主要是以鍛煉學生的實驗動手能力為目的，為后續(xù)專業(yè)實驗和科學研究奠定基礎，因此，大學物理實驗課程在高等教育中占有極其重要地位，是其他課程無法取代的。但目前教學過程中還存在很多問題，難以體現(xiàn)學生在實驗中的主體地位，也很難達到滿意的學習效果，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1 教學內(nèi)容挑戰(zhàn)度不足

目前，大學物理實驗教學內(nèi)容主要是以一些基礎性實驗為主，大都是一些經(jīng)典的物理理論，然后通過簡單的實驗儀器多以驗證性的操作完成規(guī)定的實驗內(nèi)容，教學內(nèi)容相對單一且簡單，挑戰(zhàn)度不夠。致使學生對大學物理實驗的興趣難以提升，也不利于新工科對于創(chuàng)新性人才培養(yǎng)，與新工科教育目標不符。

1.2 教學方式相對單一

當前一些實驗課主要還是以教師講授為主，通常是由教師講解實驗題目對應的物理原理，實驗對應的操作步驟，而往往這些步驟都是固定的順序，有的老師還會在實驗儀器上進行演示操作。但是，對于沒有做好預習的同學一般不能很好地理解實驗原理，做實驗時也只是機械地重復老師的演示操作過程，并沒有真正學到本實驗的相關知識。另外還有一些學生直接抄襲他人的數(shù)據(jù)，實驗效果難以保證。

1.3 實驗成績評定片面化

部分高校的大學物理實驗課評價體系較為片面，往往只是通過實驗報告核定實驗成績，而對于學生實驗預習，整個實驗過程中的參與度和實驗效果很少評價。雖然有些高校還加入了考試環(huán)節(jié)，但無論是理論形式的考試還是動手實驗操作考試，考試內(nèi)容相對固定，通過考試取得高分相對簡單，學生掌握知識的程度不高，流于形式。因此，很難提起學生學習大學物理實驗的興趣，影響了人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2 大學物理實驗教學改革

針對大學物理實驗教學中存在的上述問題，通過整合資源，建立大學物理實驗教學模塊化的方式進行由基礎到高階，由線上、線下融合，再到與生產(chǎn)科研相結合的遞進式新的教學體系。

2.1 建立大學物理實驗教學模塊

整合原有大學物理實驗題目，改變以往單純以力、熱、電磁和光學不同類型分類的模式，按照不同類型、難易程度和學生知識能力相結合的方式提出大學物理實驗模塊化教學新思路，具體實驗模塊如下：

(1)基礎實驗模塊：包括實驗題目有示波器的調(diào)整與使用、分光計的調(diào)整與使用、楊氏模量的測量、交流電橋實驗、線圈互感系數(shù)測量、金屬線熱膨脹系數(shù)的測量、光柵常數(shù)的測量和透鏡成像規(guī)律及焦距的測量。

(2)綜合設計性實驗模塊：氣墊導軌上的實驗、核磁共振實驗、非線性電路的混沌實驗、RLC電路實驗、超聲定位及成像綜合實驗、音叉受迫振動實驗、電表的改裝與校準溫度傳感器特性實驗、光學平臺上的實驗、磁光調(diào)制實驗、反射式單色儀的定標和光強分布實驗。

(3)演示實驗模塊：包括偏振光實驗、光速測量、白光反射全息、智能白度測定、比色儀、夢幻時鐘、真實的鏡子和錯覺畫，目前對前面提到的四個新工科專業(yè)的學生全面開放，作為選做實驗，學生可以根據(jù)自己的時間和專業(yè)特點預約實驗。

(4)虛擬實驗模塊：包括設計萬用表實驗、檢流計的特性研究、示波器實驗、交流諧振電路及介電常數(shù)測量、光強調(diào)制法測光速、橢偏儀測折射率和薄膜厚度、整流濾波電路實驗設計、太陽能電池的特性測量、干涉法測微小量和霍爾效應實驗，現(xiàn)虛擬實驗可以實現(xiàn)校內(nèi)網(wǎng)開放登錄，學生可以隨時注冊登錄虛擬實驗平臺自由探索，不受時間和空間的限制。

(5)物理競賽實驗模塊：以大學生物理實驗競賽為依托，為了給學生創(chuàng)造一個更為方便的實驗環(huán)境，特設立單獨一個實驗室作為物理實驗競賽和創(chuàng)新實驗室。該實驗室給學生提供了一個可以自主學習、自主利用的創(chuàng)新實踐平臺，學生課余時間可隨時到這里做各種實驗，為競賽做準備。教師會隨時對實驗室內(nèi)的學生進行指導，有時也參與到學生的實驗操作和討論中。

2.2 針對不同模塊采用不同的教學方式

基礎性模塊實驗以驗證性為主，可以采用如學生預習、老師講解學生按步驟獨立完成、教師個別指導的方法；綜合設計模塊主要由學生根據(jù)給定的物理原理和實驗儀器要求進行整個實驗方案的設計，一般采用2-3人為一個小組的團隊合作形式完成實驗，教師在這個過程中可以只負責答疑，也可以參與到討論中，主要突出學生的主體地位；演示實驗模塊可以老師講解原理或學生講解原理，然后動手操作來觀察實驗現(xiàn)象的方式進行；虛擬實驗主要是以線上方式進行實驗，不受時間和空間的限制，學生可以隨時登陸進行實驗的預習、操作等，達到融會貫通的目的；實驗競賽模塊主要是以大學生物理實驗競賽為依托，對于有意愿和能力的學生進行指導，單獨提供實驗場地、實驗設備和一定的經(jīng)費，對參加校級、省級和國家級的大學生物理實驗競賽參賽學生提供相對開放的探索空間，另外，一些對大學生物理實驗感興趣的學生也可以申請進入到實驗競賽模塊，以提高對大學物理實驗的興趣，培養(yǎng)自己的實踐動手能力。

2.3 不同實驗模塊的教學評價體系

改變以往學生成績的評定中只根據(jù)實驗操作和實驗報告單一評價方式，如基礎實驗模塊加大學生預習和課堂實驗過程的成績比重，加強對實驗預習和實驗過程的管理，提高學生對大學物理實驗課的重視，也強化了實驗能力；對綜合設計實驗模塊可以采取現(xiàn)場展示或者PPT答辯的形式進行。以小組為單位展示本團隊實驗完整過程，老師和其他小組可以提問，以此加深和完善對實驗的認識和理解程度，達到提高學習效果的目的；演示實驗模塊和虛擬實驗模塊可以根據(jù)課堂綜合表現(xiàn)進行成績評定。

3 結 語

本文對現(xiàn)有大學物理實驗教學的現(xiàn)狀和存在的問題進行分析和討論，提出了基于“新工科”背景下的大學物理實驗教學新體系，建立大學物理實驗模塊化教學由基礎到高階，由線上、線下融合，再到與生產(chǎn)科研相結合的遞進式教學模式。通過強化實驗過程中的各環(huán)節(jié)教學過程，提高學生參與度、實驗動手能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，為新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供強大的支持。