“新工科”和“工程教育認(rèn)證”雙重背景下大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索

張建祥 王倩 羅積軍 林鵬 辛督強(qiáng)

西京學(xué)院理學(xué)院 陜西西安 710123

一、概述

隨著以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命(工業(yè)4.0)的到來(lái)，世界主要工業(yè)強(qiáng)國(guó)都采取了積極的應(yīng)對(duì)措施，提出了自己的戰(zhàn)略部署。為了在新的歷史條件下立于不敗之地，我國(guó)也相應(yīng)地提出了“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略計(jì)劃，旨在把我國(guó)打造成引領(lǐng)世界的制造業(yè)強(qiáng)國(guó)。在這一背景下，“新工科”的概念應(yīng)運(yùn)而生，“新工科”的提出為我國(guó)工科發(fā)展指明了方向。新工科建設(shè)對(duì)人才培養(yǎng)體系的要求是希望通過(guò)一系列的研究和實(shí)踐，打造具備新結(jié)構(gòu)、新質(zhì)量、新理念、新體系、新模式特色的工科教育體系。另外為了保證工科人才培養(yǎng)的質(zhì)量，我國(guó)也積極開(kāi)展了工程教育認(rèn)證工作，截至2020年底，我國(guó)已有257所高校的1600個(gè)專(zhuān)業(yè)通過(guò)認(rèn)證。在“新工科”和“工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證”的雙重背景下，各工科高校和工科專(zhuān)業(yè)都在積極探索適應(yīng)自身發(fā)展的教育教學(xué)改革之路。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課是高等理工科院校對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本訓(xùn)練的必修基礎(chǔ)課程，是本科生接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開(kāi)端。它的基礎(chǔ)性不僅體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)思想、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)手段、實(shí)驗(yàn)技能上，更重要的是體現(xiàn)在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、理論?lián)系實(shí)際能力以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度等能力素質(zhì)方面[1]。這一點(diǎn)正好切合了以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的工程教育認(rèn)證理念。因此，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為一門(mén)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程在工程教育課程體系中的重要性是不言而喻的。面對(duì)工科專(zhuān)業(yè)教育的重大變革，要求我們對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在工程教育中的支撐作用進(jìn)行更好的思考和探索，為新工科建設(shè)和工程教育認(rèn)證做出積極的貢獻(xiàn)。

隨著現(xiàn)代工程教育改革的深入，各高校教師針對(duì)工科大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)分別從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)方法、考核方式等方面進(jìn)行了深入的探索和研究，取得了大量的研究成果[2-6]。

但是目前的教學(xué)研究成果大部分都是出自高水平公辦學(xué)校，而針對(duì)民辦工科高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究的成果相對(duì)較少。由于不同學(xué)校的辦學(xué)定位、生源質(zhì)量、硬件設(shè)施、師資等情況不同，因此許多研究成果的適用性都比較有限。因此在“新工科”和“工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證”的雙重背景下，結(jié)合應(yīng)用技術(shù)型本科人才培養(yǎng)特點(diǎn)以及民辦高校學(xué)生的基本學(xué)情進(jìn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)踐研究具有重要意義。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

(一)課程目標(biāo)不明確

課程目標(biāo)是課程實(shí)現(xiàn)的具體目標(biāo)和意圖，是確定教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式的基礎(chǔ)。確定課程目標(biāo)傳統(tǒng)的方法是以教學(xué)內(nèi)容為中心，即根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和教研室多年磨合而約定俗成的教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，提煉出相應(yīng)的課程目標(biāo)。這樣制定的課程目標(biāo)沒(méi)有充分考慮課程在培養(yǎng)方案中的地位以及課程如何支撐學(xué)生達(dá)到相應(yīng)的畢業(yè)要求，因此未做到以學(xué)生為中心，也不能滿(mǎn)足工程教育認(rèn)證的要求。

(二)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系不完善

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)體系單一，側(cè)重“驗(yàn)證、模仿”，趣味性和創(chuàng)新設(shè)計(jì)類(lèi)實(shí)驗(yàn)不足，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容孤立，與后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程和前沿科學(xué)技術(shù)嚴(yán)重脫節(jié)。需要構(gòu)建分層次、進(jìn)階式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和開(kāi)發(fā)高階性、創(chuàng)新性、通專(zhuān)融合的系列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(三)課程思政育人作用發(fā)揮不充分

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)“重知識(shí)輕素養(yǎng)，重講授輕引領(lǐng)，重物理輕融合”，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)含的思政元素挖掘不充分，運(yùn)用不合理，從而對(duì)學(xué)生價(jià)值觀和科學(xué)精神的塑造效果不明顯。需要進(jìn)一步提升課程思政育人的廣度和深度。

(四)教學(xué)考核模式單一、學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不高

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)以課堂講授、訓(xùn)練為主，未能實(shí)現(xiàn)學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的需求；課程考核更偏重結(jié)果，未能全面反映學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。需要利用互?lián)網(wǎng)和信息技術(shù)，探索線上線下、課內(nèi)課外、混合式、開(kāi)放性、個(gè)性化教學(xué)模式，并構(gòu)建與之對(duì)應(yīng)的過(guò)程性、綜合性、可操作的評(píng)價(jià)模式。

三、教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

(一)構(gòu)建了分層次、進(jìn)階式、與專(zhuān)業(yè)交叉融合的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系

以各工科專(zhuān)業(yè)新技術(shù)需求為導(dǎo)向，以工程問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為鏈條，體系化設(shè)計(jì)了“通專(zhuān)融合”“進(jìn)階式”的物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，分為4個(gè)層次共40個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，形成了從低到高、從基礎(chǔ)到前沿、從傳授知識(shí)到培養(yǎng)綜合能力，逐級(jí)提高的物理實(shí)驗(yàn)課程新體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各類(lèi)學(xué)生的分層次教學(xué)。

(二)充分發(fā)揮物理學(xué)科特色，全面深入實(shí)施“課程思政”

深度挖掘物理實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)含的豐富的科學(xué)思想、科學(xué)方法、辯證唯物主義世界觀以及科學(xué)家的科學(xué)精神與人文情懷，完成了所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的“課程思政”教學(xué)設(shè)計(jì)，制作了56個(gè)課程思政教學(xué)案例，并通過(guò)教師的言傳身教，在教學(xué)全過(guò)程中培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)精神，激發(fā)了學(xué)生刻苦學(xué)習(xí)的熱情以及報(bào)國(guó)為民的奉獻(xiàn)精神。

(三)構(gòu)建了混合式教學(xué)新模式

依托在學(xué)堂云平臺(tái)已建成的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)課程資源，實(shí)施了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，形成了線上學(xué)理論線下動(dòng)手做、課堂講授研討課外自主探究的混合式教學(xué)新模式。在課堂教學(xué)基礎(chǔ)上，積極開(kāi)展第二課堂，通過(guò)“大創(chuàng)”項(xiàng)目和大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。在參加的2020年和2021年全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽中，西京學(xué)院取得了3個(gè)二等獎(jiǎng)和3個(gè)三等獎(jiǎng)的優(yōu)異成績(jī)，而且每年都有150名左右學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽活動(dòng)中，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。另外，每年都會(huì)有3～5項(xiàng)與物理實(shí)驗(yàn)相關(guān)的校級(jí)及以上大創(chuàng)項(xiàng)目獲批資助，同樣也鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

(四)改革課程評(píng)價(jià)體系

課程考核作為教學(xué)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，既能反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，檢驗(yàn)教學(xué)效果，同時(shí)又對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)有重要的導(dǎo)向作用。為了引導(dǎo)學(xué)生重視過(guò)程的學(xué)習(xí)和綜合能力的提升，構(gòu)建了以強(qiáng)調(diào)學(xué)生個(gè)體縱向發(fā)展的，以預(yù)習(xí)測(cè)試、課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告為指標(biāo)體系的全過(guò)程、全方位、多元化的評(píng)價(jià)。如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成績(jī)?cè)u(píng)分指標(biāo)點(diǎn)及所占分值

四、課程目標(biāo)達(dá)成情況評(píng)價(jià)

(一)基于定量評(píng)價(jià)法的課程目標(biāo)達(dá)成情況評(píng)價(jià)

針對(duì)西京學(xué)院2020級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的159名學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)成績(jī)，進(jìn)行了達(dá)成度計(jì)算，結(jié)果如表1所示。個(gè)體達(dá)成情況如圖2所示。

表1 “大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)A2”課程目標(biāo)達(dá)成情況

圖2 個(gè)體達(dá)成情況分析

課程目標(biāo)1和課程目標(biāo)2均達(dá)到了預(yù)設(shè)的0.7的課程目標(biāo)達(dá)成度標(biāo)準(zhǔn)。另外，相比較而言課程目標(biāo)1的達(dá)成度好于課程目標(biāo)2，說(shuō)明學(xué)堂云平臺(tái)在線學(xué)習(xí)以及實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)測(cè)量部分學(xué)生完成較好，而實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書(shū)寫(xiě)特別是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

(二)基于定性評(píng)價(jià)法的課程目標(biāo)達(dá)成情況評(píng)價(jià)

定性評(píng)價(jià)主要是通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷的形式了解學(xué)生對(duì)自身課程目標(biāo)達(dá)成情況的滿(mǎn)意度，從而對(duì)課程目標(biāo)的達(dá)成情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。問(wèn)卷主要涉及本課程目標(biāo)達(dá)成情況評(píng)價(jià)，每一項(xiàng)課程目標(biāo)設(shè)五個(gè)檔次，對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)達(dá)成情況從高到低分別為非常滿(mǎn)意、滿(mǎn)意、基本滿(mǎn)意、不滿(mǎn)意、非常不滿(mǎn)意，賦分值分別為1分、0.75分、0.5分、0.25分和0分。依據(jù)每項(xiàng)課程目標(biāo)的問(wèn)卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果和賦分值，加權(quán)計(jì)算出該項(xiàng)課程目標(biāo)的達(dá)成值。問(wèn)卷調(diào)查達(dá)成度期望值設(shè)置為0.8。通過(guò)對(duì)西京學(xué)院2020級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的159名學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，結(jié)果如表2所示。

從表中可以看出兩個(gè)課程目標(biāo)達(dá)成情況均高于達(dá)成度調(diào)查問(wèn)卷期望值0.8，也高于定量評(píng)價(jià)結(jié)果。當(dāng)然，定性評(píng)價(jià)法結(jié)果存在一定主觀因素，很難完全說(shuō)明問(wèn)題，但也表明了學(xué)生自身對(duì)“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)目標(biāo)認(rèn)可。

結(jié)語(yǔ)

依托“學(xué)堂云”在線平臺(tái)構(gòu)建的混合式教學(xué)模式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和自覺(jué)性，有利于提高學(xué)生對(duì)課程基本知識(shí)、基本原理的理解。采用全過(guò)程、多方位、多元化的評(píng)價(jià)模式調(diào)動(dòng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的重視程度，提高了學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)基本方法和基本技能的掌握程度。因此課程目標(biāo)1達(dá)成度較高。同時(shí)也凸顯了學(xué)生數(shù)據(jù)分析能力和實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析能力存在的不足，需要在今后的教學(xué)過(guò)程中進(jìn)一步改進(jìn)。