“新工科”背景下大學物理實驗教學模式改革探究
——以武漢工程大學為例

祝丹，劉璐

（1.武漢工程大學數(shù)理學院，湖北武漢 430205；2.湖北省物理實驗教學示范中心，湖北武漢 430205）

武漢工程大學物理實驗課程團隊主持的教研項目《“互聯(lián)網(wǎng)+”與物理實驗現(xiàn)場實踐的綜合教學模式研究》于2017年獲批校級教研項目[3]。在總結這一教學改革研究成果的基礎上，2019年參考“培養(yǎng)實踐能力強、創(chuàng)新力強、具備國際競爭力的高素質復合型人才”的“新工科”人才培養(yǎng)目標，以及“雙萬計劃”一流課程建設目標，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的教學模式仍然存在提質創(chuàng)新的空間，因此探索“線上線下混合式”教學模式改革之路可作為我校今后一段時間的工作重點。

1 大學物理實驗教學現(xiàn)狀

2022年8月，通過“混合式”+“教學改革”關鍵字，在中國知網(wǎng)上共檢索到相關研究論文3 397 篇，其中同時包含關鍵詞 “線上線下”的文章共578 篇，“混合式”+ “教學改革”+“線上線下”文獻發(fā)表年度分布見圖1。通過查閱文獻，在高巖等撰寫的《基于混合式課程的教學評價設計與思考》一文中，我們發(fā)現(xiàn)：目前國內(nèi)高校廣泛開展混合式課程建設理論研究和實踐探索，其中大量研究針對的是某一具體課程混合式教學模式的設計、資源優(yōu)化等[4]。各校選用教學模式時都是基于自身的教學資源等確定的。每種混合式教學模式都存在弊端，各校也需要針對自己的現(xiàn)狀來分析，找到解決方法?；旌鲜浇虒W方式側重點比較見表1。

圖1 “混合式”+ “教學改革”+“線上線下”文獻發(fā)表年度分布

表1 混合教學方式側重點比較

我校在前期開展“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的教學改革，取得了一定的成績，但是仍然存在以下問題，需要我們思考解決的辦法：

1.1 線上學習資源較少，容易流于形式

物理學是一門探究物質基本結構和運動規(guī)律的自然科學,是學生進入大學后接觸的一門實踐性和操作性非常強的基礎性學科,而物理演示與探索實驗的多寡以及實驗設備的先進性,在一定程度上影響著學生對物理學的興趣[5]。大學物理實驗是面向全校理、工科（非物理類）一、二年級本科生開設的必修基礎課程。在理工科院校的教學過程中，大學物理屬于基礎課程，對理工科專業(yè)的專業(yè)課程及后繼實踐銜接起著承上啟下的作用[6]。學生在高中階段接受物理實驗方面的專項訓練較少，為了培養(yǎng)他們的動手能力及科學實驗的方法，我們自制了多個實驗操作演示視頻，供他們進行線上課前的預習。而這種做法相當于將教師的講課地點從實驗室換到了網(wǎng)絡平臺，講課時間提前到了進實驗室上課之前，學生還是處于被動接受學習的狀態(tài)。部分學生為了應對在線學習課時統(tǒng)計，會選擇掛機讓視頻自動播放，并沒有認真觀看視頻的內(nèi)容。線上學習資源類型不豐富，學習方式單一且缺少過程監(jiān)管，對學生自主學習積極性的激發(fā)不夠。

1.2 線下學習目標不明確，實驗反思不足

學生進入實驗室開展大學物理實驗之前，必須先完成線上學習任務及書寫實驗預習報告。部分學生由于學業(yè)負擔重、不重視基礎課等原因，在課前線上學習沒有落實到位的情況下，并未認真書寫預習報告。到實驗室做實驗也是簡單地重復教師講授的實驗操作步驟，匆匆完成實驗操作和數(shù)據(jù)測量，對實驗原理并沒有進行認真領會，對實驗過程反思不足，不利于學生實踐創(chuàng)新意識和工程思維能力的培養(yǎng)。

1.3 成績評定方式需改進，引領自主學習

目前的成績評定方式綜合考慮了“線上階段”“線下階段”及“實驗創(chuàng)新”這三個部分學生的完成情況?！熬€上階段”要求學生達到一定的在線學習時長、完成每個實驗項目預設的3-5 道選擇題，學生完成度較高；“線下階段”主要考查學生實驗操作及實驗報告的完成情況，學生只要把握住實驗報告的完成質量，這一部分得分也不會低；“實驗創(chuàng)新”屬于額外加分項，為了獲得這部分加分，學生需要投入大量的時間和精力，所以能得到這部分加分的學生較少，每學期不超過總人數(shù)的0.2%。由此可見，現(xiàn)有的成績評定方式對“培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才”的輔助作用有限，沒有充分發(fā)揮引領學生自主學習、實踐創(chuàng)新的作用。

1.4 隊伍建設有待加強，創(chuàng)新能力不足

教師是教學過程的組織者、謀劃者、引導者、參與者和合作者。目前在實驗技術隊伍建設上存在一些問題，影響了實驗技術隊伍的穩(wěn)定性，降低了他們的工作積極性，主要表現(xiàn)在：（1）實驗技術崗位設置與崗位補充機制不完善，存在缺崗或者缺編情況；（2）崗位培訓體系與教師再發(fā)展要求不匹配，業(yè)務水平提升有限，工作創(chuàng)新能力不足，缺少對實驗教學工作的總結和反思；（3）對實驗技術人員工程技能培訓不足，與“新工科”背景下的課程建設目標不匹配等。

通過查閱文獻我們發(fā)現(xiàn)，我校目前的改革現(xiàn)狀及存在的問題，也存在于其他學校中。因此，如何切實有效的將改革進行下去，實現(xiàn)既定的人才培養(yǎng)目標，需要我們大家一起認真思考。

2 大學物理實驗教學改革思路與目標

按照武漢工程大學“十四五”事業(yè)發(fā)展規(guī)劃中對課程建設的工作目標要求，我們明確了大學物理實驗課程的教學改革思路和目標為：以培養(yǎng)學生實踐能力、創(chuàng)新能力為宗旨，積極推行小班化教學，倡導以提升教學效果為目的的創(chuàng)新課堂教學方法，強化課堂設計，強化現(xiàn)代信息技術與教學過程的深度融合，采用多元化的教學模式和多樣化的教學方法，對現(xiàn)有實驗內(nèi)容進行教學改革,充分調(diào)動學生學習的積極性,激發(fā)學生的活力,提高學生的綜合素質,以便為各類崗位培養(yǎng)復合型、應用型科技人才[7]。強化師生互動、生生互動，解決好培養(yǎng)學生創(chuàng)新性、批判性思維的問題，讓課堂活起來，探索 “激發(fā)學生自主學習的積極性、培育學生的科技創(chuàng)新能力和提高工程實踐技能、培養(yǎng)新時代復合創(chuàng)新型人才”的途徑，構建“線上線下混合式”教學模式。

3 大學物理實驗教學改革設計與實施

3.1 以人才培養(yǎng)目標為核心

教學設計的目的是為了更好地實現(xiàn)預期的目標，因此我們制定了大學物理實驗課程人才培養(yǎng)目標：

（1）培養(yǎng)學生掌握物理實驗基本知識和實驗技能，為今后的學習和工作奠定良好的實驗基礎；

（2）培養(yǎng)與提高學生動手操作、分析判斷、歸納總結、撰寫實驗報告、設計和創(chuàng)新實驗方法等科學實驗能力；

（3）引導學生重視理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)他們實事求是的科學作風、認真嚴謹?shù)目茖W態(tài)度以及積極的探索精神。

3.2 以引導學生自主學習為導向

在教學過程中，學生為學習的主體，學習最終由學生自己完成，為了引導和激發(fā)學生自主學習，提升學生的參與度和學習積極性，我們確立了“線上線下混合式”的教學模式：

（1）“線上”階段：遴選優(yōu)質資源，進行思政教育。

我們設置線上學習階段的目標是激發(fā)和培養(yǎng)學生自主學習的能力。學生是這一階段的主體，為在不便監(jiān)管的情況下讓學生主動、高效地達成學習目標，我們做了以下幾方面的工作：①多角度出發(fā)遴選優(yōu)質教學資源。例如建立相關實驗的科技背景視頻、預習說明視頻、實驗儀器介紹視頻、社會日常應用視頻等內(nèi)容豐富、形式多樣的視頻資料，讓學生通過線上學習，既了解了實驗原理“為什么”，還學習了利用這一原理我們可以“做什么”，將講授實驗原理和操作過程的教學內(nèi)容進行延伸，并適時、精準引入課程思政元素，從思想上解決學生不明白為什么而學的問題，激發(fā)學生自主參與“線上”學習的興趣，增強學生的自主學習意識。②將線上學習資源與教材各章節(jié)內(nèi)容對應，學生只需掃描課本中的 “二維碼”即可在線觀看對應章節(jié)的學習視頻，讓學生在沒有教師指導的情況下，自主輕松完成線上學習。③建立虛擬實驗空間，讓學生可以不受時間、空間的限制，動手模擬實驗操作全過程，熟悉實驗儀器和操作注意事項，為“線下”階段的學習做好準備。

（2）“線下”階段：實行分層教學，提質創(chuàng)新。

經(jīng)查閱文獻，我們學習借鑒其他院校開展的以虛擬實驗與真實實驗相結合、驗證性實驗與綜合性實驗為基礎、設計性實驗與探索性實驗為導向的多元化、層次化實驗教學改革[8]，根據(jù)學生的個體差異以及學習能力、學習目標的不同，我們將物理實驗課程分成三個層次開設：①基本層次：面向本、?？粕_設通識類大學物理實驗必修課。開設40 個左右的實驗項目，供學生預約選做；②提高層次：面向全校本科生開設近代物理實驗和高新技術物理實驗基礎選修課。建立低溫、微電子學、等離子體、激光技術、傳感技術、光電子及光信息、仿真實驗等開放式研究平臺，供學生選做，以提高學生的研究創(chuàng)新能力；③專題層次：面向優(yōu)秀本科生、研究生和青年教師設置現(xiàn)代物理實驗前沿專題選修課。建立微電子學、等離子體、光電子及光信息、可再生能源利用及熱、聲技術等供研究生和教師開展研究的平臺，服務于科研和學科建設。實施分層教學能更好地實現(xiàn)“因材施教”，并將實驗課程與科學研究有機結合，對于提升學生綜合實踐能力具有積極的推動作用。

（3）“線上線下混合”：各守一段渠，互為補充。

“線上線下混合”要求“線上”和“線下”兩個學習通道都有各自明確的教學目標，且互為補充，而不是獨立存在的兩個部分。舉例來說：學生在學習過程中遇到問題時，一般會立刻向教師求援而不是去主動思考解決，此時教師充當了救火隊員的角色，及時幫學生解決了疑難，但錯過了提高學生創(chuàng)新思維能力的時機。作為“線上線下混合式”實驗教學的關鍵環(huán)節(jié)，教師需充分發(fā)揮線下課堂的優(yōu)勢與價值，在課堂上發(fā)揮主導作用，多使用具有探究性的實驗項目，引導和促進學生開展小組合作探究[9]。我們可以通過給學生提供一個自主學習的“線上”學習通道，為他們創(chuàng)造自主學習的時間和空間，讓他們發(fā)現(xiàn)問題，引導他們思考問題，并且提供優(yōu)質的教學資源，幫助他們通過學習嘗試著解決問題，例如開展在線討論等，通過多種形式引導學生由被動學習變?yōu)橹鲃鱼@研，改變目前線下課堂教學時間有限、為學生預留的獨立思考時間不足、學生依賴教師來解決問題的局面。研究表明，線上線下相結合的混合式教學方法要優(yōu)于獨立的線上或者線下教學方法，網(wǎng)絡視頻、線上答疑、線上作業(yè)等教學方法是不可或缺的教學手段[10]。

3.3 以教學策略設計為重點

教學策略是指為實現(xiàn)預期教學目標而采用的途徑和方法，也就是在明確“要到哪里去”后，解決“怎么去”的問題。下面主要介紹教學組織策略、教學內(nèi)容傳遞策略這兩個方面。

（1）深入高中或教科院，調(diào)研現(xiàn)階段高中物理課程體系及實驗教學現(xiàn)狀，制定相應預備實驗內(nèi)容和項目。根據(jù)高考及高校招生方式改革實驗情況，及時調(diào)整方案，解決高校與高中銜接較少的問題。

（2）“新工科”建設是基于國家發(fā)展戰(zhàn)略部署、產(chǎn)業(yè)轉型升級的需要，對高等工程教育提出的新要求[11]。內(nèi)容豐富且面向現(xiàn)代技術需求的大學物理實驗教學，可以增強對學生的吸引力，從而可以在“新工科”背景下進行人才的系統(tǒng)培養(yǎng)。建立適應“新工科”要求的大學物理實驗教學新體系，可以加強學生的科學思想，培養(yǎng)其科學精神，能將實驗與現(xiàn)代技術技能需求有機結合，使之更好地承擔“現(xiàn)代技術源泉和先導”之責任[12]，因此我們要認真遴選課程思政元素，引導實驗教學與科研相互助力，拓展實驗教學內(nèi)容的廣度和深度；調(diào)研“新工科”“工程認證”和“一流專業(yè)”標準，實現(xiàn)課內(nèi)的知識點與工程應用的完美結合，引領構建具有“新工科”特色的知識體系。

（3）建設雙語實驗教學環(huán)境：配合學校制定的“兩型兩化”（創(chuàng)新型、復合型、工程化、國際化）人才培養(yǎng)模式改革要求，依托我校國家級E+（英語+專業(yè)）復合人才培養(yǎng)平臺與體系，提高雙語教學“軟實力”建設，選聘專業(yè)的雙語教師承擔大學物理實驗雙語教學工作，實現(xiàn)教學全過程雙語化，提升學生的綜合素養(yǎng)。

（4）針對開展“雙創(chuàng)”工作的要求，充分利用湖北省物理實驗示范中心的人力、物力資源，我們從每學期來上課的學生中選拔動手能力較強、綜合素質較高的學生組建創(chuàng)新實驗團隊，根據(jù)學生各自的專長，按照“創(chuàng)新實驗類”“講課比賽”“儀器裝置改進類”“命題類”等不同的方向，配置相應指導教師，帶領各小組開展創(chuàng)新實驗，做好各級競賽后備隊伍建設。

（5）強化教師與實驗員協(xié)同，完善實驗準備和實驗裝置維護責任制度，保證實驗儀器完好率；重視實驗室安全建設，保障實驗過程安全運行；理清基層教學單位間教學與科研間的“通道”建設，促進院系間的聯(lián)合，建設特色的共享實驗室。

4 大學物理實驗“線上線下混合式”教學模式構建

結合實驗教學全流程，我們確立了每個階段“線上線下混合式”教學模式的教學任務和目標：

4.1 線上課前預習階段

（1）利用學院平臺，以線上教學為主，開展實驗預備知識自主學習和培訓。通過線上學習階段，學生提前熟悉授課內(nèi)容，對自己難于理解的知識點有個初步的認知，明確自己的聽課重點；學生明確本次實驗課的主要內(nèi)容及大致的操作要求，撰寫預習報告，完成在線預習測試題，為進入實驗室開展實驗工作做好準備。

（2）重視實驗室安全教育。由于課堂教學時間有限，我們可以利用線上平臺，部署實驗室安全教育在線學習及檢測，敦促學生學習實驗室安全管理規(guī)章制度、實驗室安全操作注意事項等相關知識，提高學生的實驗安全意識和處理各類安全事件的能力；結合各級實驗室安全管理要求，我們在優(yōu)學院平臺上發(fā)布了大學物理實驗安全測試題（30 道選擇題），并且將各級實驗室安全管理文件也一并發(fā)布，讓學生在線研讀。要求學生線上簽署《實驗室安全協(xié)議書》，切實將實驗室安全教育落實到位，保證實驗教學的順利開展。

4.2 線下操作階段

（1）以線下教學為主，線上教學為輔，共約180 分鐘，其中教師將講授實驗課程控制在25 分鐘，教師講授完畢后學生展開實驗操作。通過線上預習階段，學生完成在線預習測試的結果反饋，教師可以針對性地調(diào)整授課內(nèi)容，重點講解學生的存疑點；學生也可以將自己在線上學習過程中遇到的難點向教師提出，教師有針對性地進行個性化輔導，“線上線下”學習過程充分融合，提高課堂效率，提升學生自主學習能力。

（2）實驗操作階段以學生獨立實驗為主、教師現(xiàn)場指導為輔，這一階段的前30 分鐘，重在讓學生自主操作、理解與內(nèi)化。在整個線下操作過程中，教師可以通過優(yōu)學院手機APP 實現(xiàn)學生到課簽到、課中發(fā)布在線測試等功能，檢測、診斷學生的預習成效；學生可以登錄優(yōu)學院平臺，隨時對線上預習部分進行授課內(nèi)容的回顧，以及參與話題討論等，實現(xiàn)在 “線下”教學過程中通過“線上”進行交流探討，“線上線下”緊密結合，相互補充。

（3）教師在線下實驗授課過程中，分解實驗教學與操作，提升學生自主學習的靈活度。通過“線上線下”混合模式授課，實現(xiàn)本門課程的知識目標、能力目標、素質目標。

4.3 實驗報告完成階段

以學生獨立完成報告為主，利用師生交流平臺，開展互動式教學，及時解答學生的疑難問題。

4.4 自主創(chuàng)新階段

以一對一交流為主，學生結合本學期自己所做過的某個實驗項目，提出自己對實驗方法探索、儀器裝置改進、數(shù)據(jù)處理優(yōu)化等方面的思考和探索，結合“雙創(chuàng)”平臺，在畢業(yè)設計、科技實踐及各種競賽環(huán)節(jié)中，將學生的創(chuàng)新研究成果進行轉化利用，并將學生在實驗過程中表現(xiàn)出來的探索創(chuàng)新、操作本領、職業(yè)倫理、協(xié)作溝通、總結歸納等方面的能力和素養(yǎng)都作為課程評價的依據(jù)[13]，將學生的研究報告、論文、專利或競賽成果等作為創(chuàng)新成效的考核依據(jù)。

4.5 課程成績綜合評定階段

結合“線上線下混合式”教學模式，我們采取分階段、綜合評定課程總評成績的方式。這樣做的目的是促使學生重視課前“線上”學習階段的自主學習。希望通過精準課程思政元素的引入，培養(yǎng)他們獨立完成實驗的能力、激發(fā)他們創(chuàng)新探索的科學精神：

第一階段：平時成績占70%，現(xiàn)場完成實驗成績占 20%，實驗創(chuàng)新報告占 10%。

第二階段：根據(jù)學生開題報告以及實驗完成的目標，由院級創(chuàng)新實驗成績認定小組鑒定創(chuàng)新實驗成績，滿足創(chuàng)新實驗要求的給予2 學分。

（1）平時成績包括課前預習、現(xiàn)場操作、實驗報告與課程思政總結。課前預習的評分依據(jù)預習報告質量和線上視頻預習完成度來評定；操作分評定主要根據(jù)實驗完成速度、數(shù)據(jù)獲取的正確性來綜合評定；實驗報告以傳統(tǒng)式進行考核（含課程思政總結）。

（2）增加實驗的現(xiàn)場完成實驗作為考試，對學生的態(tài)度、方法、技能進行考核，占總成績的20%。

（3）創(chuàng)新實驗就是讓學生按要求完成實驗創(chuàng)新項目，約占總成績的10%。

綜上，武漢工程大學“線上線下混合式”教學模式如圖2所示：

圖2 “線上線下混合式”教學模式

5 結語

“新工科”建設背景下大學物理實驗教學應豐富大學物理實驗內(nèi)容，加強學生科學思維培養(yǎng)；完善大學物理實驗環(huán)節(jié)，增強學生解決問題的主動性；優(yōu)化大學物理實驗導向，提升學生探究問題的求知欲；推進大學物理實驗互動，實現(xiàn)教學與“新工科”技術支撐交融[14]。從2019年實施“線上線下混合式”教學模式改革以來，對比可以發(fā)現(xiàn)學生實驗報告完成質量大幅度提高。近兩年春季學期學生平均分提高1.3 分，秋季學期學生平均分提高 2.9 分，學生評教成績提高 7.3分。同時近5年來，我們重視學生實驗創(chuàng)新團隊的建設，在指導教師的帶領下學生成功申請創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目16 項、校長基金 28 項、競賽獲國家級獎 8 項、省級獎14 項、專利 27 項，多名指導教師獲?！皟?yōu)秀指導導師”獎等多種榮譽。在今后的教學改革實踐過程中，我們要繼續(xù)深挖課程思政元素、探究實驗課程知識點與解決工程實際問題相結合的方法、創(chuàng)新大學物理實驗課程考核方式，實現(xiàn)實驗過程全覆蓋，促進學生綜合能力的提升，培養(yǎng)新時代復合創(chuàng)新型人才。