基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程現(xiàn)狀和教學(xué)設(shè)計(jì)理念創(chuàng)新探究*

唐 綺 景鵬飛

(北京師范大學(xué)物理學(xué)系 北京 100875)

習(xí)近平總書記指出要“培養(yǎng)一批動(dòng)手能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、思想境界高的人才”[1]，為進(jìn)一步發(fā)揮高校在人才培養(yǎng)中的作用，如何培養(yǎng)更多創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力相結(jié)合的實(shí)踐創(chuàng)新型人才成為重要問題.

基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程，作為大學(xué)生入學(xué)后系統(tǒng)地接受實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能教育的開端，是培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)、提高實(shí)踐能力、訓(xùn)練創(chuàng)新思維的重要基礎(chǔ)課程，是培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新型人才的試煉場，需要不斷根據(jù)教學(xué)中暴露的問題進(jìn)行課程改革.本文將目光聚焦到這門高校普遍開設(shè)的重要實(shí)踐類課程，在學(xué)生群體中開展了一次較為廣泛的調(diào)查研究，總結(jié)課程中的問題，并基于這些問題針對性地給出了一些改革創(chuàng)新意見.

1 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程現(xiàn)狀和存在的問題

為了更好地了解目前大學(xué)生對基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)和開展的意見，發(fā)揮學(xué)生在課程中的主體性與主動(dòng)性，筆者從專業(yè)理念與師德、專業(yè)知識和教材講義與專業(yè)能力提升3個(gè)維度，在教師、學(xué)生、課堂等方面對學(xué)生展開了一次較為廣泛地問卷調(diào)查，調(diào)查覆蓋北京師范大學(xué)2019級物理、人工智能、數(shù)學(xué)等專業(yè)的參課學(xué)生，共計(jì)回收有效問卷239份，被調(diào)查學(xué)生對課程的總體滿意度評分均數(shù)為91.72分(百分制).

這說明學(xué)生們普遍認(rèn)為基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置比較好地發(fā)揮了立德樹人、能力培養(yǎng)的作用.一方面，96.65%的學(xué)生表示通過這門課程提高了物理學(xué)科素養(yǎng)和物理實(shí)驗(yàn)技能，對物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的親自觀察和測量加深了他們對相關(guān)理論的理解.另一方面，97.07%的學(xué)生表示這門課程提升了他們的科研精神，教師的課堂思政導(dǎo)入及同學(xué)間的相互合作等教學(xué)設(shè)計(jì)培養(yǎng)了他們理論聯(lián)系實(shí)際、實(shí)事求是的作風(fēng)和主動(dòng)探索、團(tuán)結(jié)協(xié)作的優(yōu)良品質(zhì).

但調(diào)查結(jié)果同時(shí)也暴露出了基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置中一些亟待解決的問題，這些問題普遍出現(xiàn)在教材講義與專業(yè)能力提升維度中，在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)分析的不同階段中均有所反映，筆者將按課程進(jìn)行的階段分類敘述這些問題.圖1為學(xué)生對基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程滿意度的多維度評分.

圖1 學(xué)生對基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程滿意度的多維度評分

1.1 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)與講義設(shè)計(jì)方面

實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)是學(xué)生能在課堂上順利完成實(shí)驗(yàn)、理解實(shí)驗(yàn)原理、達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的前提條件，如果實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)無法達(dá)到效果，那么學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤操作儀器、得不到正確結(jié)果、完全依賴同伴、做完實(shí)驗(yàn)依舊對原理半知半解等問題，嚴(yán)重的甚至?xí)霈F(xiàn)安全事故.為了使實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)達(dá)到效果，一方面是要與對學(xué)生提出嚴(yán)格的預(yù)習(xí)要求，另一方面也應(yīng)該著力關(guān)注預(yù)習(xí)講義的設(shè)計(jì)水平.

調(diào)查顯示，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)講義設(shè)計(jì)的滿意程度為78.85%，反映最突出的問題是實(shí)驗(yàn)講義中部分理論知識的選取不夠精確或與實(shí)驗(yàn)課堂上的實(shí)際內(nèi)容不符；還有一些學(xué)生認(rèn)為講義中實(shí)驗(yàn)原理部分比較晦澀、冗長和枯燥，對非物理專業(yè)的學(xué)生不友好；以及對預(yù)習(xí)報(bào)告的要求與考評不夠合理等.可見，大多數(shù)學(xué)生都認(rèn)識到了實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的重要性，并且希望實(shí)驗(yàn)講義中理論部分的設(shè)計(jì)以及預(yù)習(xí)階段考評機(jī)制能更加的完善.

1.2 課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)條件方面

教師在課堂上的授課方式以及實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備條件保障都與學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效果息息相關(guān).

調(diào)查顯示如圖2所示，學(xué)生在教學(xué)實(shí)施方面對教師授課形式滿意度高達(dá)94.90%，他們認(rèn)為課堂上教師能通過啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式等多種方式，有效實(shí)施教學(xué)、有效調(diào)控教學(xué)過程，能積極引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究實(shí)驗(yàn)；但學(xué)生對實(shí)驗(yàn)室條件滿意度只有77.41%，他們認(rèn)為實(shí)驗(yàn)環(huán)境有待優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)設(shè)備需要更新，實(shí)驗(yàn)器材精度有待提高，實(shí)驗(yàn)儀表誤差有待降低.這表明優(yōu)化實(shí)驗(yàn)環(huán)境、升級實(shí)驗(yàn)設(shè)備能進(jìn)一步提升課堂教學(xué)效果及學(xué)生滿意度.

圖2 學(xué)生對基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中不同方面滿意度的對比

1.3 溝通輔導(dǎo)及小組合作方面

基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程要培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的能力，但實(shí)驗(yàn)過程中教師適當(dāng)?shù)臏贤ㄝo導(dǎo)和同學(xué)間的合作互助有利于提高實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效率、培養(yǎng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力.

調(diào)查顯示，在溝通與合作方面，同學(xué)們對于小組合作、共同探討的學(xué)習(xí)效果滿意度高達(dá)95.73%，而對教師答疑輔導(dǎo)效果的滿意度相比略低，大約為93.11%.多數(shù)學(xué)生表示能與小組同學(xué)合作完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析并按時(shí)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，但少部分學(xué)生還是擔(dān)心小組合作形式會(huì)讓一些同學(xué)坐享其成，此外還有學(xué)生建議教師可以適時(shí)地結(jié)合學(xué)生學(xué)科基礎(chǔ)進(jìn)行針對性答疑和輔導(dǎo).

1.4 實(shí)驗(yàn)報(bào)告及思考總結(jié)方面

一次完整的實(shí)驗(yàn)離不開深入地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與進(jìn)一步的思考反思.經(jīng)過調(diào)查，97.49%的學(xué)生表示自己能主動(dòng)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并與理論進(jìn)行比對，但還是有學(xué)生發(fā)現(xiàn)“實(shí)驗(yàn)后對實(shí)驗(yàn)總結(jié)的要求不足，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)后很少能主動(dòng)深入地思考和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，未能進(jìn)一步地理解實(shí)驗(yàn)原理和對應(yīng)的理論.”

此外，由于課程面向許多非物理專業(yè)的學(xué)生，有20.50%的學(xué)生不完全認(rèn)同“基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)對本專業(yè)學(xué)習(xí)發(fā)展有促進(jìn)提升作用”的觀點(diǎn)，這表明本課程的設(shè)置在學(xué)科結(jié)合方面還有改進(jìn)空間.這個(gè)問題在高校的物理實(shí)驗(yàn)課程中較為普遍，目前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與各專業(yè)需求間的矛盾日益增加，考慮專業(yè)差異的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是一個(gè)重要的理論與實(shí)踐問題[2].

同時(shí)有非物理專業(yè)學(xué)生建議“對于非物理專業(yè)的學(xué)生更加注重動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)而不是深究理論知識”.錢臨照先生曾經(jīng)說，實(shí)驗(yàn)既鍛煉人的動(dòng)手能力，更重要的是訓(xùn)練人如何去思考解決問題的方法[3]，可見課程在對學(xué)生的創(chuàng)新思維與能力培養(yǎng)方面還有進(jìn)步空間.

2 基于問題導(dǎo)向的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)新

針對目前學(xué)生普遍反映出的一些問題，筆者結(jié)合多所高校在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程改革中的探索，提出了以下幾個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)新改革方向.

2.1 “互聯(lián)網(wǎng)+”實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)與實(shí)驗(yàn)仿真

在預(yù)習(xí)階段可以為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)儀器的圖片以及教授儀器基本操作方式的視頻，甚至可以搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，一方面可以增加預(yù)習(xí)階段的趣味性，另一方面也可以讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)儀器有基本的了解以后再開始實(shí)驗(yàn)，提高收獲感.

實(shí)驗(yàn)視頻輔助預(yù)習(xí)方面，以北京大學(xué)為例.該校注重網(wǎng)絡(luò)信息化建設(shè)，學(xué)生可以方便地通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的主頁在線觀看實(shí)驗(yàn)視頻，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)[4].在搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺方面，南方科技大學(xué)采用校企合作模式開發(fā)出了系列教學(xué)軟件[5]，建立了與實(shí)驗(yàn)對應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)、仿真實(shí)驗(yàn)操作考試系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)這有助于學(xué)生在課前掌握基本的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，在課上熟練自信地使用實(shí)驗(yàn)儀器、獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)并與教師展開交流，有了充足時(shí)間消化教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；復(fù)旦大學(xué)經(jīng)過近30年的開發(fā)積累和教學(xué)實(shí)踐，在實(shí)驗(yàn)課程的日常教學(xué)中，引入多款通用的設(shè)計(jì)、仿真軟件，深入開展虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，讓學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的物理實(shí)質(zhì)，從而能明明白白地做實(shí)驗(yàn)，而不是機(jī)械地參考實(shí)驗(yàn)講義完成實(shí)驗(yàn)[6].

在短時(shí)間內(nèi)建立同樣完善的系統(tǒng)可能不易，但可以借鑒這種教學(xué)和考核模式.前期注重信息網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)，建立提供實(shí)驗(yàn)講義及實(shí)驗(yàn)基本操作教學(xué)視頻的網(wǎng)頁；考慮到北京師范大學(xué)正在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，后期可以借助仿真實(shí)驗(yàn)儀器讓學(xué)生通過體驗(yàn)網(wǎng)上仿真實(shí)驗(yàn)來熟悉儀器操作.“互聯(lián)網(wǎng)+”實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模式簡易流程如圖3所示.

圖3 “互聯(lián)網(wǎng)+”實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模式簡易流程圖

2.2 多媒體教學(xué)引入課堂

由于課堂時(shí)間有限，基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程要求學(xué)生在課前自行熟悉實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論知識和實(shí)驗(yàn)儀器原理及基本操作，在課堂上教師的任務(wù)就包括學(xué)生講解和討論實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論知識并就學(xué)生的問題進(jìn)行針對性解答和輔導(dǎo).在理論講解部分教師可借助多媒體展開，多媒體可以將抽象的理論知識形象化展示、提高理論講解效率，有助于將有限的課堂時(shí)間解放到答疑輔導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)操作上，教師能夠有足夠的精力引導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維.

2.3 改革成績考評制度

改變以往重實(shí)驗(yàn)結(jié)果輕實(shí)驗(yàn)過程及分析、重實(shí)驗(yàn)報(bào)告輕實(shí)驗(yàn)操作的成績考評機(jī)制，關(guān)注學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的操作規(guī)范性及遇到問題時(shí)體現(xiàn)出的創(chuàng)新思維；在小組合作形式的課堂中敦促學(xué)生細(xì)化分工并根據(jù)成員參與度給予相應(yīng)的分?jǐn)?shù).

2.4 多學(xué)科結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程是面對多學(xué)科學(xué)生開設(shè)的課程，它能幫助學(xué)生在本專業(yè)學(xué)科中也能應(yīng)用一些基礎(chǔ)儀器開展測量和研究，從這種意義上來說，基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程中設(shè)置的實(shí)驗(yàn)是否有效地與多學(xué)科結(jié)合是評估其能否達(dá)到教學(xué)目的的一個(gè)重要的關(guān)注點(diǎn).

目前，包括北京大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等多所高校均根據(jù)不同學(xué)科要求開設(shè)了相應(yīng)的自由選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[7].復(fù)旦大學(xué)的“自學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程甚至為醫(yī)科學(xué)生提供了醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，該課程有助于學(xué)生了解學(xué)科間的結(jié)合，對基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程的多學(xué)科結(jié)合設(shè)計(jì)具有借鑒價(jià)值，在此基礎(chǔ)上還可以鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行專業(yè)學(xué)科相關(guān)的自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生養(yǎng)成創(chuàng)新式自主探索的習(xí)慣和能力.

2.5 加大創(chuàng)新能力培養(yǎng)力度

創(chuàng)新不只體現(xiàn)在高大上的研究中，更是一種意識和能力，通過合理的引導(dǎo)，簡單的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)也能激發(fā)出學(xué)生的創(chuàng)新能力.復(fù)旦大學(xué)先后開發(fā)了“物理演示實(shí)驗(yàn)拓展”“物理CAI課件設(shè)計(jì)”“基礎(chǔ)物理建模”系列課程，營造了支持學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的環(huán)境，經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)能有效地激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造潛能，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，隨后他們在面向大一新生的“基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)”課上引入演示實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增強(qiáng)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[8].在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程中鼓勵(lì)學(xué)生深入探究已有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題、自主開發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)解決問題、通過計(jì)算機(jī)編程軟件處理問題，有助于幫助學(xué)生養(yǎng)成創(chuàng)新的意識和能力.

3 結(jié)論

整體來看，各高校在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程改革方面展開了很多工作和探索，取得了許多進(jìn)展，但通過調(diào)研參課學(xué)生意見發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程中還存在待改進(jìn)和待更新的方面，需要教學(xué)設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新.一方面是要緊跟時(shí)代發(fā)展，將“互聯(lián)網(wǎng)+”學(xué)習(xí)模式引入物理實(shí)驗(yàn)課堂、搭建多媒體配套教室、及時(shí)更新?lián)Q代實(shí)驗(yàn)設(shè)備，努力為學(xué)生組建先進(jìn)、完善的實(shí)驗(yàn)平臺；另一方面是要根據(jù)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)背景提供以學(xué)生為主的多元教學(xué)模式，對不用專業(yè)、不同基礎(chǔ)的同學(xué)，課程要求各有側(cè)重、課程講義有難度區(qū)分、課堂教學(xué)方式、課后反思要求及評分標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)有所不同.

本文由景鵬飛老師主持的科研項(xiàng)目支持.同時(shí)，感謝北京師范大學(xué)物理學(xué)系李春密老師的修改指導(dǎo).