中學(xué)與大學(xué)物理實驗的銜接問題與對策研究

高 珊，王振國，王艷偉

(溫州大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，浙江 溫州 325035)

物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，其對于科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與要求是物理學(xué)處于科學(xué)技術(shù)發(fā)展主導(dǎo)地位的重要原因。2017年版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)修訂稿(征求意見稿)》提出物理核心素養(yǎng)這一概念，指出學(xué)生要從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)的責(zé)任與態(tài)度四個方面形成適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展必要的文化品格和必要能力。物理實驗在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究能力、探索精神和創(chuàng)新意識等方面有著不可替代的作用。在中學(xué)物理學(xué)科的實驗教學(xué)中融入物理核心素養(yǎng)，以學(xué)生的學(xué)科理論知識和感性經(jīng)驗為基礎(chǔ)，以科學(xué)探究為手段，以科學(xué)思維為核心，可以有效激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動力，培養(yǎng)學(xué)生的物理實驗技能。但剛升入大學(xué)的大部分學(xué)生習(xí)慣于用中學(xué)形成的固有實驗方法、思維方式以及原有知識體系去進行大學(xué)物理實驗。因此分析中學(xué)與大學(xué)物理實驗的銜接問題，幫助學(xué)生盡快適應(yīng)大學(xué)物理實驗課程就顯得至關(guān)重要。經(jīng)調(diào)研、歸納發(fā)現(xiàn)中學(xué)、大學(xué)物理實驗主要在教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生實驗?zāi)芰θ矫娲嬖阢暯訂栴}。在教學(xué)理念上[1]，由于中學(xué)和大學(xué)在物理實驗課程方面的教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)要求標(biāo)準(zhǔn)相差較大，中學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗?zāi)芰σ约办柟汤碚撝R，而大學(xué)要求學(xué)生通過學(xué)習(xí)基礎(chǔ)物理實驗具備綜合實踐與獨立思考、探究、分析、解決問題的能力，兩者的差異使得學(xué)生剛步入大學(xué)時難以適應(yīng)新的實驗教學(xué)要求，實驗課程達不到預(yù)計的教學(xué)目的和培養(yǎng)目標(biāo)；在教學(xué)內(nèi)容上[2-4]，高中物理教材在內(nèi)容和微觀設(shè)計上，更側(cè)重于學(xué)生高考的需求，而大學(xué)物理實驗內(nèi)容是為了培養(yǎng)學(xué)生對實驗原理的理解、實驗步驟的處理以及數(shù)據(jù)分析處理等能力，兩者的教學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生了空白與重復(fù)的部分，導(dǎo)致學(xué)生在過渡階段難以適應(yīng)；在學(xué)生實驗?zāi)芰ι蟍5,6]，中學(xué)由于實驗器材、場地、高考壓力等原因?qū)е聦W(xué)生的物理實驗素養(yǎng)沒有得到應(yīng)有的培養(yǎng)，中學(xué)生所具備的科學(xué)素養(yǎng)以及形成的固有物理思維、探究方式與大學(xué)物理實驗的培養(yǎng)目標(biāo)相差較大，學(xué)生不能及時適應(yīng)物理實驗教學(xué)方式、內(nèi)容以及考核上的改變，導(dǎo)致進行大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗時產(chǎn)生實驗操作不規(guī)范等銜接問題。

1 解決物理實驗教學(xué)銜接問題的實際對策

我國的基礎(chǔ)教育改革經(jīng)歷了從“雙基”到“三維目標(biāo)”的轉(zhuǎn)變，而新一輪的高中課程改革又在“三維目標(biāo)”的基礎(chǔ)上提出了“核心素養(yǎng)”的培養(yǎng)目標(biāo)。中學(xué)物理實驗是在物理核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)探究能力，大學(xué)物理實驗的目的也是培養(yǎng)具有科研素養(yǎng)的高水平人才，兩者目標(biāo)統(tǒng)一。但中學(xué)教學(xué)的不斷改革與大學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)模式之間的差距也導(dǎo)致兩者在實驗教學(xué)上存在一些銜接問題?；谀壳爸袑W(xué)與大學(xué)的物理實驗教學(xué)銜接問題，我們針對教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生實驗?zāi)芰Φ确矫嫣岢鼋鉀Q對策，滿足學(xué)生的實驗需求和探索欲望，實現(xiàn)中學(xué)和大學(xué)物理實驗教學(xué)的有效銜接。

1.1 調(diào)整教育理念，統(tǒng)一教學(xué)目標(biāo)

(1)中學(xué)提升對物理實驗教學(xué)的關(guān)注，將物理實驗課程正規(guī)化

廣大物理教育工作者在思想上應(yīng)該把基礎(chǔ)教育與高等教育看成一個統(tǒng)一的整體，使實驗教學(xué)與理論教學(xué)相互配合[7]。學(xué)校對物理實驗課程的管理和監(jiān)督是物理實驗教學(xué)順利開展的保障。中學(xué)應(yīng)將物理實驗課程與理論課程同等看待，建立完善的實驗教學(xué)管理、監(jiān)督、培訓(xùn)和考核體制以實現(xiàn)物理實驗課程的系統(tǒng)化和常規(guī)化。學(xué)校可聘用具有專業(yè)素養(yǎng)的物理實驗教師，與理論課教師分別授課，根據(jù)物理學(xué)科理論課程的進展為實驗課程制定學(xué)期規(guī)劃，規(guī)定課程數(shù)量和必修的實驗項目；定期組織教師實驗技能培訓(xùn)；定期組織學(xué)生進行操作考核和筆試考核，為學(xué)生制定過程性評價方案，使學(xué)生的實驗技能培養(yǎng)可視化。

(2)大學(xué)更新物理教師教學(xué)理念，改革物理實驗教學(xué)方式

大學(xué)基于學(xué)生個體差異，教師可采用分層教學(xué)和分組教學(xué)的方式，因材施教，實現(xiàn)中學(xué)、大學(xué)物理實驗的順利過渡[8]。對于物理專業(yè)，學(xué)校可在學(xué)生入學(xué)后組織實驗基礎(chǔ)測試，通過筆試和實驗操作考試全面考查學(xué)生對實驗儀器、原理、探究過程、數(shù)據(jù)分析處理的能力，并結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、動手能力等因素把全體學(xué)生分成高中低三組，根據(jù)不同層次制定相應(yīng)的教學(xué)策略、內(nèi)容和考核方式[9]；對于非物理專業(yè)學(xué)生，結(jié)合其培養(yǎng)方案，選擇相應(yīng)實驗項目開設(shè)課程，不同專業(yè)有所區(qū)分，如測控專業(yè)的核心專業(yè)課程是《傳感器原理設(shè)計與應(yīng)用》，《非平衡電橋及熱敏電阻溫度計》與《霍爾位置傳感器的定位》等實驗項目對于學(xué)習(xí)傳感器有很大的幫助。類似還有其他物理實驗與不同專業(yè)核心課程緊密相連，大學(xué)物理實驗的開設(shè)要具有針對性，將實驗分類，因材施教。

(3)將中學(xué)物理實驗操作考核納入高考，建設(shè)物理實驗技能培養(yǎng)銜接體系

目前高考物理實驗采用卷面理論考察的形式，難以考查學(xué)生真實的實驗操作水平。將物理實驗操作考核成績按照百分比納入高考物理總分中，使得高考對物理實驗部分的考察更加全面、真實。建立中學(xué)物理必修實驗題庫，采用線上抽題的形式，在學(xué)期末對一學(xué)期的實驗內(nèi)容進行操作考核，考核分?jǐn)?shù)錄入實驗成績系統(tǒng)作為平時實驗操作成績，高考前教育管理部門規(guī)定統(tǒng)一時間進行實驗操作總的考核作為總結(jié)性成績，實驗平時成績和總結(jié)性成績、高考物理卷面成績按比例分配作為物理總成績，提高學(xué)校、學(xué)生對物理實驗的重視、切實在物理實驗中落實核心素養(yǎng)、提高學(xué)生實驗技能和科學(xué)素養(yǎng)。

1.2 拓展實驗內(nèi)容，提高學(xué)生興趣

(1)中學(xué)物理實驗融入創(chuàng)新實驗類競賽與項目化學(xué)習(xí)

將創(chuàng)新類物理實驗競賽與項目式學(xué)習(xí)相結(jié)合，融入中學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容中，通過制定項目、擬訂方案、實施方案、交流與評價四個階段，對“項目式學(xué)習(xí)”模式進行展開[10]。教師除完成教材原有實驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合本學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)選擇項目化學(xué)習(xí)題目，激發(fā)學(xué)生興趣、勾起學(xué)生求知欲的學(xué)習(xí)情境，制定具有挑戰(zhàn)性且不違背最近發(fā)展區(qū)理論的學(xué)習(xí)目標(biāo)，并在問題中融入簡單的工程、技術(shù)等學(xué)科知識，鍛煉學(xué)生的基本實驗?zāi)芰ΑW(xué)生獨立完成查閱資料、整理信息、擬訂方案、小組談?wù)?、?shù)據(jù)分析處理、內(nèi)容展示等科學(xué)探究環(huán)節(jié)。中學(xué)組織創(chuàng)新實物理實驗類競賽，學(xué)生可通過項目化學(xué)習(xí)對原有物理實驗進行改進與創(chuàng)新，既能調(diào)動學(xué)生的積極性與主動性，提升學(xué)生的創(chuàng)造力，讓學(xué)生學(xué)會靈活運用綜合知識解決實際問題，又能將項目化學(xué)習(xí)靈活運用，得到實際應(yīng)用?？梢杂行Ы鉀Q中學(xué)與大學(xué)教學(xué)內(nèi)容單一、重復(fù)的銜接問題。

(2)大學(xué)基于科研實驗室面向基礎(chǔ)物理實驗開放

傳統(tǒng)大學(xué)基礎(chǔ)實驗項目有限，已經(jīng)開發(fā)不出更具有創(chuàng)新性的學(xué)生實驗。高校科研實驗室是從事實驗教學(xué)、科技創(chuàng)新、技術(shù)研究的重要場所，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的重要載體?？蒲袑嶒炇覔碛兄钋把氐目蒲兄R內(nèi)容，并且蘊含多門不同類型的學(xué)科知識，基于此，大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗室可以依托科研實驗室，與時俱進，獲取最前沿的科研信息，開設(shè)具有創(chuàng)新性的科技活動[12]。

以軟物質(zhì)科研實驗室為例，圖1是學(xué)生利用科研實驗室的原子力顯微鏡進行的多價離子對DNA凝聚的影響實驗結(jié)果。在此科研實驗中，學(xué)生必須要學(xué)習(xí)物理化學(xué)及生物相關(guān)知識，了解儀器原理及DNA凝聚的相關(guān)素材，拓展學(xué)生的知識儲備，也能與中學(xué)所掌握的顯微鏡知識有效銜接。

(a)

(b)

(c)圖1 用原子力顯微鏡觀察多價離子對DNA凝聚的影響

科研實驗室可為學(xué)生提供具有創(chuàng)新性的科研實驗和學(xué)科交叉類實驗，如生物單分子操縱與檢測小組依托物理學(xué)科，建立了生物物理測量交叉研究實驗室，吸引物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)和電子信息等不同學(xué)科的學(xué)生。而在科研實驗中，學(xué)生可以綜合多種學(xué)科知識，豐富自己的知識體系，增強動手操作能力，從而促進自我的全面發(fā)展。

(3)教育廳加強省中小學(xué)教師專業(yè)發(fā)展培訓(xùn)項目

中、小學(xué)教師要通過學(xué)習(xí)不斷加強自身科研素養(yǎng)、教育理念以及專業(yè)能力，省培項目是一項提升教師綜合素質(zhì)的有效途徑。以浙江省為例，根據(jù)《浙江省中小學(xué)教師專業(yè)發(fā)展培訓(xùn)學(xué)分制管理辦法》等規(guī)定，要求各培訓(xùn)機構(gòu)要以本機構(gòu)的專業(yè)特色來申報培訓(xùn)項目，教師可根據(jù)自己的需求以及學(xué)分進行選課。物理教師通過培訓(xùn)項目可以學(xué)習(xí)新的教育理念、實驗項目以及教育方法等，但高校可申報的培訓(xùn)項目以及特色專業(yè)有限，教師在項目選擇上也具有局限性。相關(guān)部門可調(diào)整培訓(xùn)項目的開設(shè)和選擇，對教師的需求進行調(diào)研與整合，再根據(jù)調(diào)研情況與各培訓(xùn)機構(gòu)的專業(yè)特色分配申報名額以及申報項目類型，從一線教師的教學(xué)實際需要出發(fā)，滿足教師的學(xué)習(xí)需求。如針對于今年中學(xué)教學(xué)改革趨勢，開設(shè)有關(guān)物理核心素養(yǎng)、深度學(xué)習(xí)、項目化學(xué)習(xí)、高考物理選考、STEM與自主創(chuàng)新實驗等專題學(xué)習(xí)交流講座，加強中學(xué)教師實驗教學(xué)水平與專業(yè)素養(yǎng)，更新教學(xué)理念。

1.3 創(chuàng)造實驗條件，強化學(xué)生實驗?zāi)芰?/h3>

(1) 中學(xué)加強基礎(chǔ)實驗室建設(shè)，滿足學(xué)生、教師實驗需求

中學(xué)應(yīng)加大實驗經(jīng)費的投資，改善實驗室的條件、更新儀器設(shè)備和材料、在實驗設(shè)備的更新上注意與社會的生產(chǎn)、科研結(jié)合起來，使得傳統(tǒng)型的實驗?zāi)芘c現(xiàn)代化的高科技測量技術(shù)相合。充分利用現(xiàn)代技術(shù)，實驗室提供計算機設(shè)備，學(xué)生利用計算機搜尋各種相關(guān)實驗軟件,在計算機上進行模擬試驗和數(shù)據(jù)分析處理，開闊學(xué)生的眼界，豐富基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)的內(nèi)容，提高其解決實際問題的能力[12]。此外學(xué)校還應(yīng)建立物理教師實驗中心，作為中學(xué)物理教師實驗技能培訓(xùn)的中心，鼓勵教師自己動手、研究和改進演示實驗，加強教師教研能力，滿足其實驗創(chuàng)新需求。

(2)大學(xué)開設(shè)預(yù)備實驗，降低實驗起點

新高考改革后，部分高校針對選考問題開設(shè)了物理預(yù)備實驗課程作為中學(xué)、大學(xué)物理知識的過渡銜接[13，14]。隨著新高考改革政策的不斷完善，物理預(yù)修課程也相應(yīng)取消了。但中學(xué)、大學(xué)學(xué)生物理實驗?zāi)芰Φ你暯訂栴}不僅是由選考產(chǎn)生的，地區(qū)、專業(yè)等差異也導(dǎo)致學(xué)生的實驗基礎(chǔ)參差不齊，所以大學(xué)開設(shè)預(yù)備實驗課程是很必要的。高校可在學(xué)生入學(xué)時組織基礎(chǔ)物理實驗理論與操作考核，做出診斷性評價，根據(jù)不同專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)開設(shè)預(yù)備實驗班，分層教學(xué)[15]，因材施教，鞏固學(xué)生基礎(chǔ)實驗原理、教給學(xué)生實驗儀器的使用方法、科學(xué)探究方法、數(shù)據(jù)分析、處理的方式等。通過預(yù)備實驗課程的學(xué)習(xí)，縮小學(xué)生個體實驗?zāi)芰Φ牟町愋?，做好中學(xué)、大學(xué)學(xué)生實驗?zāi)芰Ψ矫娴倪^渡銜接。

(3)建立線上虛擬仿真實驗室，滿足學(xué)生物理實驗需求

引入線上仿真實驗室，建立預(yù)習(xí)、模擬操作、實驗課堂、數(shù)據(jù)處理、交流討論等學(xué)習(xí)系統(tǒng)，聯(lián)合企業(yè)、高?？蒲袑嶒炇?、慕課等引入多種類大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗和近代物理實驗以及科研實驗項目，滿足不同層次學(xué)生對物理實驗學(xué)習(xí)的需求。學(xué)生通過仿真實驗室獲取預(yù)習(xí)資源、各高校實驗授課視頻，利用線上模擬操作功能增強實驗技能和創(chuàng)新能力，利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)繪制實驗圖、驗證試驗準(zhǔn)確性、進行誤差分析。學(xué)生的線上學(xué)習(xí)情況透明、動態(tài)化，教師根據(jù)仿真實驗室給出的學(xué)生實驗學(xué)習(xí)情況分析報告對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況及時做出反饋，進行針對性指導(dǎo)和教學(xué)，加強學(xué)生自主實驗?zāi)芰?、科學(xué)素養(yǎng)以及自主創(chuàng)新的能力。圖2為線上仿真實驗CCD楊氏模量測定學(xué)習(xí)界面，通過將實驗分步的方式記錄學(xué)生實驗完成情況，提高實驗教學(xué)整體質(zhì)量與效率。

圖2 CCD楊氏彈性模量測定學(xué)習(xí)界面

2 總 結(jié)

本文通過對大學(xué)和中學(xué)物理實驗教學(xué)現(xiàn)狀存在的主要問題進行剖析，分析中學(xué)和大學(xué)物理實驗教學(xué)的銜接問題，從中學(xué)和大學(xué)實驗教學(xué)的理念、內(nèi)容、學(xué)生實驗?zāi)芰θ胧?，充分結(jié)合兩者的教學(xué)要求和培養(yǎng)目標(biāo)，分別從中學(xué)、大學(xué)、教育管理部門三個層面提出改進措施，以實現(xiàn)中學(xué)與大學(xué)的物理實驗教學(xué)的有效銜接，在物理核心素養(yǎng)的背景下培養(yǎng)學(xué)生的物理思維、科學(xué)探究能力與科學(xué)素養(yǎng)等創(chuàng)新創(chuàng)造能力。