中學與大學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 數理學院，浙江 溫州 325035)

物理學是自然科學的基礎，其對于科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與要求是物理學處于科學技術發(fā)展主導地位的重要原因。2017年版《普通高中物理課程標準修訂稿(征求意見稿)》提出物理核心素養(yǎng)這一概念，指出學生要從物理觀念、科學思維、科學探究、科學的責任與態(tài)度四個方面形成適應終身發(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)學生科學思維、科學探究能力、探索精神和創(chuàng)新意識等方面有著不可替代的作用。在中學物理學科的實驗教學中融入物理核心素養(yǎng)，以學生的學科理論知識和感性經驗為基礎，以科學探究為手段，以科學思維為核心，可以有效激發(fā)學生內在的學習動力，培養(yǎng)學生的物理實驗技能。但剛升入大學的大部分學生習慣于用中學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物理實驗。因此分析中學與大學物理實驗的銜接問題，幫助學生盡快適應大學物理實驗課程就顯得至關重要。經調研、歸納發(fā)現中學、大學物理實驗主要在教學理念、教學內容、學生實驗能力三方面存在銜接問題。在教學理念上[1]，由于中學和大學在物理實驗課程方面的教學目標與教學要求標準相差較大，中學旨在培養(yǎng)學生的基本實驗能力以及鞏固理論知識，而大學要求學生通過學習基礎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，兩者的差異使得學生剛步入大學時難以適應新的實驗教學要求，實驗課程達不到預計的教學目的和培養(yǎng)目標；在教學內容上[2-4]，高中物理教材在內容和微觀設計上，更側重于學生高考的需求，而大學物理實驗內容是為了培養(yǎng)學生對實驗原理的理解、實驗步驟的處理以及數據分析處理等能力，兩者的教學內容產生了空白與重復的部分，導致學生在過渡階段難以適應；在學生實驗能力上[5,6]，中學由于實驗器材、場地、高考壓力等原因導致學生的物理實驗素養(yǎng)沒有得到應有的培養(yǎng)，中學生所具備的科學素養(yǎng)以及形成的固有物理思維、探究方式與大學物理實驗的培養(yǎng)目標相差較大，學生不能及時適應物理實驗教學方式、內容以及考核上的改變，導致進行大學基礎物理實驗時產生實驗操作不規(guī)范等銜接問題。

1 解決物理實驗教學銜接問題的實際對策

我國的基礎教育改革經歷了從“雙基”到“三維目標”的轉變，而新一輪的高中課程改革又在“三維目標”的基礎上提出了“核心素養(yǎng)”的培養(yǎng)目標。中學物理實驗是在物理核心素養(yǎng)的基礎上培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和科學探究能力，大學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，兩者目標統(tǒng)一。但中學教學的不斷改革與大學傳統(tǒng)教學模式之間的差距也導致兩者在實驗教學上存在一些銜接問題?；谀壳爸袑W與大學的物理實驗教學銜接問題，我們針對教學理念、教學內容、學生實驗能力等方面提出解決對策，滿足學生的實驗需求和探索欲望，實現中學和大學物理實驗教學的有效銜接。

1.1 調整教育理念，統(tǒng)一教學目標

(1)中學提升對物理實驗教學的關注，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該把基礎教育與高等教育看成一個統(tǒng)一的整體，使實驗教學與理論教學相互配合[7]。學校對物理實驗課程的管理和監(jiān)督是物理實驗教學順利開展的保障。中學應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管理、監(jiān)督、培訓和考核體制以實現物理實驗課程的系統(tǒng)化和常規(guī)化。學?？善赣镁哂袑I(yè)素養(yǎng)的物理實驗教師，與理論課教師分別授課，根據物理學科理論課程的進展為實驗課程制定學期規(guī)劃，規(guī)定課程數量和必修的實驗項目；定期組織教師實驗技能培訓；定期組織學生進行操作考核和筆試考核，為學生制定過程性評價方案，使學生的實驗技能培養(yǎng)可視化。

(2)大學更新物理教師教學理念，改革物理實驗教學方式

大學基于學生個體差異，教師可采用分層教學和分組教學的方式，因材施教，實現中學、大學物理實驗的順利過渡[8]。對于物理專業(yè)，學?？稍趯W生入學后組織實驗基礎測試，通過筆試和實驗操作考試全面考查學生對實驗儀器、原理、探究過程、數據分析處理的能力，并結合學生的學習興趣、動手能力等因素把全體學生分成高中低三組，根據不同層次制定相應的教學策略、內容和考核方式[9]；對于非物理專業(yè)學生，結合其培養(yǎng)方案，選擇相應實驗項目開設課程，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《傳感器原理設計與應用》，《非平衡電橋及熱敏電阻溫度計》與《霍爾位置傳感器的定位》等實驗項目對于學習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，大學物理實驗的開設要具有針對性，將實驗分類，因材施教。

(3)將中學物理實驗操作考核納入高考，建設物理實驗技能培養(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。建立中學物理必修實驗題庫，采用線上抽題的形式，在學期末對一學期的實驗內容進行操作考核，考核分數錄入實驗成績系統(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性成績，實驗平時成績和總結性成績、高考物理卷面成績按比例分配作為物理總成績，提高學校、學生對物理實驗的重視、切實在物理實驗中落實核心素養(yǎng)、提高學生實驗技能和科學素養(yǎng)。

1.2 拓展實驗內容，提高學生興趣

(1)中學物理實驗融入創(chuàng)新實驗類競賽與項目化學習

將創(chuàng)新類物理實驗競賽與項目式學習相結合，融入中學物理實驗教學內容中，通過制定項目、擬訂方案、實施方案、交流與評價四個階段，對“項目式學習”模式進行展開[10]。教師除完成教材原有實驗的基礎上，結合本學科課程標準選擇項目化學習題目，激發(fā)學生興趣、勾起學生求知欲的學習情境，制定具有挑戰(zhàn)性且不違背最近發(fā)展區(qū)理論的學習目標，并在問題中融入簡單的工程、技術等學科知識，鍛煉學生的基本實驗能力。學生獨立完成查閱資料、整理信息、擬訂方案、小組談論、數據分析處理、內容展示等科學探究環(huán)節(jié)。中學組織創(chuàng)新實物理實驗類競賽，學生可通過項目化學習對原有物理實驗進行改進與創(chuàng)新，既能調動學生的積極性與主動性，提升學生的創(chuàng)造力，讓學生學會靈活運用綜合知識解決實際問題，又能將項目化學習靈活運用，得到實際應用?？梢杂行Ы鉀Q中學與大學教學內容單一、重復的銜接問題。

(2)大學基于科研實驗室面向基礎物理實驗開放

傳統(tǒng)大學基礎實驗項目有限，已經開發(fā)不出更具有創(chuàng)新性的學生實驗。高校科研實驗室是從事實驗教學、科技創(chuàng)新、技術研究的重要場所，也是培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的重要載體。科研實驗室擁有著最前沿的科研知識內容，并且蘊含多門不同類型的學科知識，基于此，大學基礎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，開設具有創(chuàng)新性的科技活動[12]。

以軟物質科研實驗室為例，圖1是學生利用科研實驗室的原子力顯微鏡進行的多價離子對DNA凝聚的影響實驗結果。在此科研實驗中，學生必須要學習物理化學及生物相關知識，了解儀器原理及DNA凝聚的相關素材，拓展學生的知識儲備，也能與中學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

科研實驗室可為學生提供具有創(chuàng)新性的科研實驗和學科交叉類實驗，如生物單分子操縱與檢測小組依托物理學科，建立了生物物理測量交叉研究實驗室，吸引物理學、生物學、化學和電子信息等不同學科的學生。而在科研實驗中，學生可以綜合多種學科知識，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教師專業(yè)發(fā)展培訓項目

中、小學教師要通過學習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的有效途徑。以浙江省為例，根據《浙江省中小學教師專業(yè)發(fā)展培訓學分制管理辦法》等規(guī)定，要求各培訓機構要以本機構的專業(yè)特色來申報培訓項目，教師可根據自己的需求以及學分進行選課。物理教師通過培訓項目可以學習新的教育理念、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。相關部門可調整培訓項目的開設和選擇，對教師的需求進行調研與整合，再根據調研情況與各培訓機構的專業(yè)特色分配申報名額以及申報項目類型，從一線教師的教學實際需要出發(fā)，滿足教師的學習需求。如針對于今年中學教學改革趨勢，開設有關物理核心素養(yǎng)、深度學習、項目化學習、高考物理選考、STEM與自主創(chuàng)新實驗等專題學習交流講座，加強中學教師實驗教學水平與專業(yè)素養(yǎng)，更新教學理念。

1.3 創(chuàng)造實驗條件，強化學生實驗能力

(1) 中學加強基礎實驗室建設，滿足學生、教師實驗需求

中學應加大實驗經費的投資，改善實驗室的條件、更新儀器設備和材料、在實驗設備的更新上注意與社會的生產、科研結合起來，使得傳統(tǒng)型的實驗能與現代化的高科技測量技術相合。充分利用現代技術，實驗室提供計算機設備，學生利用計算機搜尋各種相關實驗軟件,在計算機上進行模擬試驗和數據分析處理，開闊學生的眼界，豐富基礎物理實驗教學的內容，提高其解決實際問題的能力[12]。此外學校還應建立物理教師實驗中心，作為中學物理教師實驗技能培訓的中心，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)大學開設預備實驗，降低實驗起點

新高考改革后，部分高校針對選考問題開設了物理預備實驗課程作為中學、大學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，物理預修課程也相應取消了。但中學、大學學生物理實驗能力的銜接問題不僅是由選考產生的，地區(qū)、專業(yè)等差異也導致學生的實驗基礎參差不齊，所以大學開設預備實驗課程是很必要的。高?？稍趯W生入學時組織基礎物理實驗理論與操作考核，做出診斷性評價，根據不同專業(yè)學生的基礎開設預備實驗班，分層教學[15]，因材施教，鞏固學生基礎實驗原理、教給學生實驗儀器的使用方法、科學探究方法、數據分析、處理的方式等。通過預備實驗課程的學習，縮小學生個體實驗能力的差異性，做好中學、大學學生實驗能力方面的過渡銜接。

(3)建立線上虛擬仿真實驗室，滿足學生物理實驗需求

引入線上仿真實驗室，建立預習、模擬操作、實驗課堂、數據處理、交流討論等學習系統(tǒng)，聯合企業(yè)、高校科研實驗室、慕課等引入多種類大學基礎物理實驗和近代物理實驗以及科研實驗項目，滿足不同層次學生對物理實驗學習的需求。學生通過仿真實驗室獲取預習資源、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，利用數據處理系統(tǒng)繪制實驗圖、驗證試驗準確性、進行誤差分析。學生的線上學習情況透明、動態(tài)化，教師根據仿真實驗室給出的學生實驗學習情況分析報告對學生的學習情況及時做出反饋，進行針對性指導和教學，加強學生自主實驗能力、科學素養(yǎng)以及自主創(chuàng)新的能力。圖2為線上仿真實驗CCD楊氏模量測定學習界面，通過將實驗分步的方式記錄學生實驗完成情況，提高實驗教學整體質量與效率。

圖2 CCD楊氏彈性模量測定學習界面

2 總 結

本文通過對大學和中學物理實驗教學現狀存在的主要問題進行剖析，分析中學和大學物理實驗教學的銜接問題，從中學和大學實驗教學的理念、內容、學生實驗能力入手，充分結合兩者的教學要求和培養(yǎng)目標，分別從中學、大學、教育管理部門三個層面提出改進措施，以實現中學與大學的物理實驗教學的有效銜接，在物理核心素養(yǎng)的背景下培養(yǎng)學生的物理思維、科學探究能力與科學素養(yǎng)等創(chuàng)新創(chuàng)造能力。