新工科牽引下大學物理實驗課程改革與實踐

秦平力　余雪里　馬良

關鍵詞 新工科;大學物理實驗;工程素養(yǎng);創(chuàng)新能力;“雙線”混融

2017年被稱為“新工科”元年，復旦共識、天大行動、北京指南在半年間陸續(xù)形成，奏響了我國新工科教育改革的序曲[1-3]。2019年4月29日，教育部“六卓越一拔尖”計劃2.0大會中提出“立足新時代，大力發(fā)展新工科、新農科，提升新內涵，強化質量效果，建設高水平本科教育”的目標[4]。新工科建設一方面要求高等教育應該授人以漁，另一方面要求培養(yǎng)綜合創(chuàng)新型人才。目前，我國正在實施“創(chuàng)新驅動發(fā)展” “中國制造 2025” “一帶一路”等重大戰(zhàn)略，高新技術產業(yè)對高等教育提出了新要求。在這一背景下，地方院校要根據上述國家戰(zhàn)略需求，創(chuàng)新思維方式[5]，倡導學科交叉、專業(yè)融合，跨界整合，在知識傳承的基礎上，注重培養(yǎng)學生的深度學習能力、系統(tǒng)分析能力、交叉融合能力和創(chuàng)造創(chuàng)新能力[6]，以及具有較強行業(yè)背景知識和工程實踐能力，能夠勝任行業(yè)技術與社會發(fā)展需求的應用型工程技術人才。

我校是以“化工”為主要特色的一所工科院校，按照“立足湖北，輻射全國，服務化工行業(yè)和區(qū)域經濟社會發(fā)展”的辦學定位以及不斷深化以“三實一創(chuàng)”（實訓、實驗、實習、創(chuàng)新）為核心的“兩型兩化”（創(chuàng)新型、復合型、工程化、國際化）的人才培養(yǎng)模式改革?！洞髮W物理實驗》是面向理、工科開設的必修通識課。學生的工程知識、工程思維、工程設計、工程實踐、工程創(chuàng)造和工程管理等工程素養(yǎng)的培養(yǎng)離不開《大學物理實驗》等課程的支撐。

為適應新形勢下應用型人才培養(yǎng)的需求，很多學校打破大學物理實驗原有教學傳統(tǒng)，不斷地嘗試新教學模式[7，8]，中國科學技術大學以培養(yǎng)學生能力為核心，建立多層次物理實驗課程體系和多元化教學模式[9];浙江農業(yè)大學建立基于MOOCs的“網絡課程+面授+課后討論”物理實驗教學模式，以達到充分利用學生碎片化學習時間，豐富實驗教學手段，提升學生的實驗興趣[10];湖北汽車工業(yè)學院利用創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念探索大學物理實驗教學規(guī)律[11];天津理工大學和中國民航大學以學科特色為抓手，構建以學習者為中心，開啟應用型工程能力培養(yǎng)為目的，不斷探索，初步形成了具有自身特色的工科基礎物理教學模式[12]，在教學方法、教學內容和考核方式等方面進行了革新，并取得了不錯的成效。東南大學和上海交通大學以在線開放實驗課程為抓手，對課程資源進行改進，增加了小動畫、改進了實驗操作微視頻、開發(fā)了與課程內容相應的虛擬仿真實驗，開展預備性物理實驗，加強中學物理基礎到大學物理課程的銜接，激發(fā)了他們對物理知識的學習興趣[13， 14]，提高了科學文化素質，培養(yǎng)了科學實踐精神。

1 工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)過程面臨的問題

目前，大學物理實驗教學提升學生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的過程中，面臨諸多困境，主要表現在三個方面：首先，物理理論性較強，在“3+1+2”新的高考改革背景下，部分學生在高中階段沒有選學物理，而選學物理的學生也未進行全方位物理實驗技能訓練，且實驗教學停留在“紙”或“黑板”上，導致工程素養(yǎng)培養(yǎng)目標達成度低;其次，教學內容、方法及評價體系等與“新工科”脫節(jié)，導致知識點與工程實際問題難結合;最后，課前因預習不充分，難以理清物理原理，產生畏難情緒;課中又過分依賴教師，缺乏主動學習意識;課后則對知識體系一知半解，導致創(chuàng)新能力不足。

2 課程改革與實踐

針對上述問題，不斷探索與實踐，形成以“理論知識內化、實驗能力提升、工程素養(yǎng)發(fā)展”為目標，以“教學內容重構、平臺建設創(chuàng)新、評價體系完善”為載體，以“提升教師教學創(chuàng)新意識和能力”為支撐，以“融合現代化信息技術”為手段的“四位一體”課程改革思路（見圖1），不斷地開展“課內+課外”“課堂+現場”“線上+線下”和“平時+期末”在內的系列課程改革。

2.1 課程體系重構

1） “分塊、分類、分階”組建第一課堂

根據學校學季制的要求，在大學物理理論課分成力學、電磁、光學、熱學與近代四個模塊的基礎上，將實驗課分工科、理科和文管三類;根據內容難易，再分為基礎、綜合、設計與創(chuàng)新“四階”，組建第一課堂[15]。

以仿真實驗、畢業(yè)設計、科技活動、各類競賽等為第二課堂（見圖2）。

2） 重構教學內容

省級物理教學團隊由3個省級一流課程教學團隊和省級物理教學示范中心（以下簡稱中心）組成。不斷更新教學內容、加強教材建設。

教學團隊精心制作實驗“微課”視頻，上線“優(yōu)學院”平臺，形成穩(wěn)定豐富教學的課程資源。深挖“課程思政”素材。融“思政”素材，如：物理學家的故事（含有愛國情懷、民族自豪感與自信心、拼搏與奉獻精神、不貪圖功名利祿）、物理定理和現象的發(fā)現（含有勇于創(chuàng)新、不畏權威、鍥而不舍）、物理實驗操作（含有誠實守信、團結協(xié)作、愛護公共財產與安全、維護實驗室衛(wèi)生、遵守實驗室紀律、損壞儀器勇于擔當的精神）、與教學有關的社會重大公共事件（如新冠病毒、波音737MAX 停飛等）及科技前沿重大進展（或成果與戰(zhàn)略）等于實驗課程之中，深挖實驗教學亮點與特色，拓展教學內容的廣度和深度，加強實驗課與生活、社會發(fā)展和科技進步的聯(lián)系，調動學生內在潛力，實現社會主義核心價值觀引領。

創(chuàng)建了雙語實驗室，增加雙語實驗。雙語實驗要求學生們課前完成全英文的實驗預習報告，實驗室的板書為全英文，還在教室放置一些與實驗相關的全英文背景知識，主要實驗儀器和部件的名稱也用英文標注出來，營造英文實驗環(huán)境。在實驗課堂上老師用英文講授實驗的目的、原理、實驗方法、取得實驗數據的要求，僅在講授關鍵詞時用中文解釋，加深對關鍵單詞的理解和記憶，英文講授的比例可達到80%。物理實驗的雙語教學既能提高學生的實驗興趣，又能使學生提前接觸專業(yè)外語，對學生有較好的激勵作用，教學效果良好。拓展國際視野，增強雙語教學軟實力。

依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，增開仿真實驗，打破時空限制，豐富實驗教學的內容、優(yōu)化實驗教學的形式，降低實驗儀器損壞率。在《塞曼效應》實驗中，通過實驗前的虛擬實驗，有效降低了實驗難度，提高學生學習近代物理實驗的興趣。在《液體表面張力系數的測定》實驗中，虛實結合讓學生真切感受到一個實驗的多種實現方式。利用原理實現方式的相似性，有效降低力敏傳感器的損壞率。在基礎、綜合、設計與創(chuàng)新“四階”基礎上，分層次呈現仿真實驗，引導學生實驗學習興趣，增強學生實驗創(chuàng)新原動力。

利 用計算機技術把實驗設備、教學內容、教師指導和學生操作有機地融為一體，特別注意開發(fā)非理想化實驗條件的實驗項目，并利用計算機對結果深入分析研究，對比較復雜的數據處理借助計算機技術，以便更快找尋和分析誤差產生原因。

3） 創(chuàng)新平臺建設組建第二課堂

創(chuàng)新組建綜合實驗室，讓其成為學生科技活動、完成畢業(yè)論文、物理實驗競賽、電子設計大賽、挑戰(zhàn)杯競賽等作品的場所，組建具有特色的第二課堂基地。通過征集項目，誠聘有經驗教師，設計合理的實驗內容的項目。利用中心已有的實驗平臺，如：光學實驗平臺（可組合20多個實驗，可以自主設計對微位移、壓力、溫度等物理量進行測量），讓學生對已開設的實驗項目進行改進、獨立探索，培養(yǎng)學生的研究、創(chuàng)新能力。

依托學院完整的學科體系和在光電、信息等方面的科研優(yōu)勢建立了自由設計和研究平臺，充分實現院內資源整合，加強教學與科研的結合，擴大了創(chuàng)新性、研究型實驗教學范圍。

部分創(chuàng)新實驗項目來自于其他學院（如：機械學院、電氣學院以及工程實踐中心等），實現校內資源充分整合。同時，還能夠結合企業(yè)實際需求以及校內專業(yè)需求進行自研自制，并將創(chuàng)新成果產品化，延長了實驗儀器的使用壽命又節(jié)約了辦學成本，同時也加強了校企合作。

在教師指導下，以課外科技活動的方式在全天開放的創(chuàng)新實驗室完成，學生提交研究報告、論文、專利等作為考核依據，全方位激發(fā)校內外學生的科研興趣和實驗學習的主動性。

4） 融合現代化信息技術

基于學校的網絡資源、社交媒體平臺（QQ 群和微信等）、學生手機和電腦等網絡終端設備，建立大學物理實驗教學網上平臺，建設獨具特色的教學管理系統(tǒng)，構建“互聯(lián)網+”環(huán)境下《大學物理實驗》教課程師生交流互動平臺系統(tǒng)（如圖2所示），解決教師之間、學生之間和師生之間互動討論不暢的問題。利用“優(yōu)學院”平臺，進行預備性知識與能力訓練，強化基礎通識教育，彌補高中生物理基礎知識與實驗技能不足。網絡教學與實際教學混融，合理分配于教學過程中，實現課前有前測、課間診斷和課后思考與反饋。建設學生預約系統(tǒng)，實現學生“自由約課”和成績信息化管理。利用社交媒體平臺、移動終端等實現師生、生生及時互動、診斷、反饋、調節(jié)與激勵，實施互動式教學。

5） 完善評價體系

樹立“以平時考核為主，期末考試為輔”的評價理念，狠抓平時訓練，注重實驗過程。以平時考核為主、期末考試為輔，創(chuàng)建“平時+期末+創(chuàng)新”課程全過程覆蓋的考核改革。

優(yōu)化評價指標體系。課前要求預習，課堂簽到+數據留存簽字+現場評分，課后認真批改+重點糾錯，課外加強興趣培養(yǎng);出勤率和實驗報告保持傳統(tǒng)做法;實驗預習報告不要求機械抄寫實驗報告中實驗原理，對較長較復雜的實驗原理，要求學生在理解的基礎上提取精華;增加線上“微課”視頻觀看及相關預備作業(yè)納入成績考核;在現場實驗操作考核中，增加了學生完成實驗的時間與獨立實驗的程度等考核指標，重視實驗完成的獨立性、速度、數據獲取的準確性等的綜合評定;“實驗報告”部分的成績采用傳統(tǒng)考核方式計分。“實驗預習+實驗操作”+“實驗報告”兩部成績以各占50%權重，得出一個實驗項目的綜合成績。實驗報告總結與小結部分，必須體現“課程思政”成績，具體由老師根據實驗情況決定。多個實驗項目的平均成績就是平時實驗成績。

強調實踐性評價。將最后一次實驗單獨拿出來，老師不指導、不講解，學生現場獨立操作、數據處理，最后完成實驗報告，全面考核學生綜合實驗能力。這作為實驗現場考試。

強化創(chuàng)新能力評價。創(chuàng)新實驗就是讓學生對實驗室所開設的實驗進行改進，自主選擇實驗項目及實驗儀器完成實驗創(chuàng)新。創(chuàng)新實驗成績評價以小論文（含“課程思政”）的方式進行，可依據這一階段的成果（如：論文、專利或競賽成果等）。

實驗成績評價注重實用、可操作性。在不同學習階段，有所側重。

第一階段實驗的第一學期：采用平時成績（所做實驗的平均）占70%，考試（為現場完成實驗操作和數據處理）成績占25%，實驗創(chuàng)新報告占5%;

第一階段實驗的第二學期：采用平時成績（所做實驗的平均）占70%，考試（為現場完成實驗操作和數據處理）成績占20%，實驗創(chuàng)新報告占10%;

激勵性評價：對成績較好且有追求的學生，可以開放近代物理實驗室，讓學生延伸知識層次，這一部分成績以獎勵的形式對學生進行評定，所得到的分數可以直接加入大學物理實驗的總評成績，這就是實驗“拓展追加分”。

最終形成“實驗預習（含線上預習）+實驗報告”+“實驗操作”+“現場實驗考試”+“創(chuàng)新實驗”+“課程思政”+“拓展追加分”等多樣化成績評價體系。

2.2 提升教師教學創(chuàng)新意識和能力

組建由學科專家領銜，理論課教師、實驗教師、實驗技術人員、企業(yè)兼職導師構成工程實踐教學團隊，堅持“老帶新”教師培養(yǎng)模式;鼓勵教師參加各類教學比賽，提升教師課堂教學創(chuàng)新意識。

加強“雙師型”教學團隊建設。鼓勵教師指導學生參加學科競賽，帶領學生到企業(yè)進行專業(yè)認知實踐;定期選派教師深入企業(yè)一線，參與產品研發(fā);引入來自企業(yè)生產工作經驗的高水平教師。提升教師課堂教學工程實踐意識。鼓勵教師海外開展科學研究，提升教師國際化視野。

2.3 分學段組織教學，提升工程素養(yǎng)

采取師生一對一指導、掛圖、思維導圖、實驗簡介、同伴學習、線上（占35% 學時）與線下（占65%學時）混融等方式組織教學（見圖3）。

1） 預備知識學段

理論知識學習以線上+線下混合式為主開展理論知識強化。實驗預習以線上教學為主。利用“微課”視頻開展預備知識、基本實驗技能等方面培訓，拓寬學生知識面。先讓學生查閱相關實驗書籍，明確實驗目的，弄懂實驗原理，確定實驗內容、步驟及數據表格。學生間進行充分討論，也可與教師溝通、也可提前去實驗室現場了解，有效地解決學生實驗前產生困惑與畏難情緒，讓他們順利地完成實驗前測試和預習報告。

課堂教學以線下教學為主。課堂教學控制在10～20分鐘，融入“思政”元素，培養(yǎng)學生的科學精神和家國情懷。

2） 能力實訓學段

突出物理專業(yè)“三基”，即掌握基本理論，學好基礎知識，掌握基本技能和方法，為良好的專業(yè)素養(yǎng)奠定基礎。

實驗操作以學生獨立實驗為主、老師現場指導為輔。這一階段前30分鐘，讓學生自主操作、理解與內化，并進行現場檢測，診斷學習成效。30分鐘后，老師根據學生實驗操作情況進行必要的指導。要淡化教師指導，以教材、儀器說明書及相關視頻為主體，培養(yǎng)學生獨立自主探究的能力。這一階段要對學生實驗完成獨立性、速度和數據獲取的正確性進行現場評價?，F場評價以一個實驗班（30人左右）為考核單元，其中實驗獨立性占這部分成績的約30%，獲取數據速度占約20%，獲取數據正確性占約50%，這個比例由主講教師決定。不同的實驗，這些考核成績的占比有所調整。

實驗報告以學生獨立為主。在大學物理實驗報告完成過程中，特別要求實驗報告的邏輯性與嚴密性，實驗方案合理性、實驗步驟可操作性，實驗結果分析可靠性與可信性。并利用師生交流平臺，及時答疑解惑，要求總結實驗過程中的得與失。

3） 創(chuàng)新發(fā)展學段

創(chuàng)新實驗主要采取一對一交流，學生利用創(chuàng)新平臺進行畢業(yè)設計、科技實踐及各種競賽。以研究報告、論文、專利、競賽成果等作為考核依據;通過現場答辯形式，考查學生工程創(chuàng)新能力，挑選具有工程素養(yǎng)較高且有興趣的同學參與教師實驗儀器開發(fā)團隊，著重訓練他們制作實驗儀器、申報書撰寫，團隊分工協(xié)作及問題處理等方面的能力。

如果開發(fā)產品成熟，向學校團委、創(chuàng)新創(chuàng)學院推薦，進入學校孵化大樓，培育相關的企業(yè)公司。實現全流程、分類地對學生工程能力進行培養(yǎng)，實現工程創(chuàng)新能力質的飛躍。

3 課程改革與實踐的成果及推廣應用

1） 人才工程素養(yǎng)提升顯著

開展“線上”與“線下”一體化教學模式，學生的實驗報告質量得到大幅度提高。近兩年全校理工科大學物理實驗成績分布近似正態(tài)分布（見圖4）。春季成績低于秋季成績，這是由于春季是學生剛剛接觸物理實驗，還不熟悉實驗規(guī)則和實驗方法。近90%的學生成績分數集中于70～89.9分數段內，表明實驗開設難易程度合適。高分段的學生占比逐年提高，表明實驗課改的效果良好。春季平均成績提高3.7分，秋季平均成績提高7.3分（見表1）。學生的評教成績提高6.5分。每年網上選課人數不斷增加，特別在新冠疫情期間發(fā)揮了重要作用。5年來，獲批“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”訓練計劃項目國家級6項、省級10項，校長基金28項，競賽獎獲國家級23項、省級35項;專利申請34項，授權14項。對工程素養(yǎng)較高的學生，積極鼓勵其與老師一起合作開發(fā)實驗儀器。如果產品成熟，向學校團委、創(chuàng)新創(chuàng)學院推薦，讓學生創(chuàng)新能力及工程素養(yǎng)獲得極大地提高。

2） 提升了教師業(yè)務水平

中心教師獲省、校級名師稱號各1人，省級優(yōu)秀教師2人;青年教師講課比賽獲得校一等獎3項，省級優(yōu)秀獎1項，特別是青年教師講課比賽取得全國一等獎的歷史性突破;獲批省級教研項目5項，校級16項;獲省級教學成果獎2項，校級特等獎1項，校級一等獎3項、二等獎2項、三等獎1項;6人獲?！鞍偌褜煛?從國內外企業(yè)引入博士2名。

3） 推動了課程、平臺與專業(yè)建設

制作41個微課，特別在新冠疫情期間發(fā)揮了重要作用，豐富課程資源;主編教材10部，2014年出版的兩本教材分別獲得校優(yōu)秀教材三等獎和二等獎;《大學物理實驗》和《大學物理》都成功獲批省級一流課程和省級精品課程;獲批省級教學示范中心、省級物理教學團隊、省級優(yōu)秀基層教學組織、校先進基層黨組織、先進集體和優(yōu)秀實驗室等稱號。支撐全校15個學院、9大類，60個專業(yè)的建設，其中，一流本科專業(yè)立項建設國家級7個、省級9個;通過工程教育專業(yè)認證4個。

4） 擴大了社會影響

學生評教成績提高顯著，如2020年春季相對于2018年春季提高了6.5分。學生在評教系統(tǒng)里說：“老師授課的方式非常適合我們”。本課程教學體系改革得到校內督導專家、校外同行專家的高度評價。中心接待來自武漢大學、湖北汽車工業(yè)學院等單位參觀學習。中心承辦了省級實驗年會，在全國性大會上進行了成果交流，得到與會人員的好評。研發(fā)300多套創(chuàng)新儀器用于本校實驗教學。其中，與光馳科技有限公司聯(lián)合開發(fā)的“靜電場描繪實驗儀”已在全國推廣100套。產生了很好的經濟效益和社會效益。所編教材發(fā)行量超14萬冊，全國20多個省市自治區(qū)的高校圖書館收藏，并向海外推介。

4 結語

課程團隊響應中國制造2025等國家戰(zhàn)略，針對當前大學物理實驗教學痛點，依據各專業(yè)的特點與需求，充分整合校內資源，構建互聯(lián)網環(huán)境下基礎物理課程體系及師生交流互動平臺;深挖“思政”，加強企業(yè)合作，創(chuàng)新實驗平臺建設;在分塊、分類、分階的基礎上，以“學科交叉、學創(chuàng)融合、學段貫通、國際視野”作為切入點，開展“課內+課外”“課堂+現場”“線上+線下”“平時+期末”的課程改革，打造了一支“理論實踐工程”融合的師資隊伍，構成“理論課堂實驗實踐大賽創(chuàng)新”協(xié)同育人模式，夯實學校一流專業(yè)建設和工程教育專業(yè)認證的基石。由于學情在不斷動態(tài)變化，《大學物理實驗》課程建設與探索仍需課程團隊持續(xù)努力。課程已取得的成果供兄弟院校新工科專業(yè)《大學物理實驗》課程建設參考。