以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的光學(xué)實驗課程設(shè)計

摘 要 為在基礎(chǔ)教學(xué)階段的實驗課程中開展以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)，強(qiáng)化工程意識和實踐能力培養(yǎng)，法國教育部針對工程師預(yù)科物理和化學(xué)類課程提出了六項能力指標(biāo)。本文以面向工程師專業(yè)的“物理實驗（光學(xué)）”課程為例，介紹了以六項能力指標(biāo)為導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計，包括課程內(nèi)容的重構(gòu)、過程性評價和終結(jié)性考核的實施方案和考核結(jié)果，取得的經(jīng)驗可為同類課程的教學(xué)改革提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 工程意識;能力培養(yǎng);能力測評;課程設(shè)計

近年來我國工程師人才培養(yǎng)的進(jìn)程不斷加速，涉及的專業(yè)領(lǐng)域不斷拓寬。從新工科理念的提出[1]到國家卓越工程師學(xué)院的建設(shè)推進(jìn)，工科人才的培養(yǎng)也從單一專業(yè)擴(kuò)展至校企融合的項目制牽引（http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s5147/202401/t20240129_1113148.html），同時特別強(qiáng)調(diào)要聚焦關(guān)鍵領(lǐng)域、核心技術(shù)，解決工程技術(shù)人才培養(yǎng)與生產(chǎn)實踐脫節(jié)的問題，在培養(yǎng)過程中要轉(zhuǎn)變理念，探索以工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的工程師人才培養(yǎng)新模式。

法國的工程師培養(yǎng)在世界范圍內(nèi)享有盛譽，其“預(yù)科工程師”結(jié)合的培養(yǎng)模式已被多個國家借鑒采納。本文介紹的“物理實驗（光學(xué)）”課程就是面向北京航空航天大學(xué)中法工程師學(xué)院三年級學(xué)生開設(shè)的一門必修課程。作為從預(yù)科向工程師階段進(jìn)階的一門核心基礎(chǔ)課程，圍繞法國教育部針對工程師預(yù)科物理和化學(xué)類課程提出的六項能力指標(biāo)（https：//prepas.org/index.php？document=71），開展通過基礎(chǔ)實驗課程培養(yǎng)學(xué)生工程意識和解決工程問題基本能力的教學(xué)實踐。

1 能力培養(yǎng)指標(biāo)

法國工程師培養(yǎng)采用“預(yù)科工程師”培養(yǎng)模式，中法工程師與法國預(yù)科階段學(xué)院本科一至三年級開展的數(shù)理通識基礎(chǔ)課程相似，旨在培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科交叉應(yīng)用能力以及喚醒學(xué)生的工程意識。為了進(jìn)行通識基礎(chǔ)教育，法國工程師預(yù)科階段實行多種系列大類培養(yǎng)。常規(guī)的預(yù)科第一年有六個系列，分別是數(shù)學(xué)物理工業(yè)科學(xué)（MPSI）、數(shù)學(xué)物理工程信息（MP2I）、物理化學(xué)工業(yè)科學(xué)（PCSI）、物理技術(shù)工業(yè)科學(xué)（PTSI）、技術(shù)物理化學(xué)1（TPC 1）、技術(shù)工業(yè)科學(xué)1（TSI 1）;預(yù)科第二年有七個系列，分別是數(shù)學(xué)物理（MP）、數(shù)學(xué)物理信息（MPI）、物理化學(xué)（PC）、物理工業(yè)科學(xué)（PSI）、物理技術(shù)（PT）、技術(shù)物理化學(xué)2（TPC2）、技術(shù)工業(yè)科學(xué)2（TSI2）。

法國的預(yù)科教育以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，從基本的物理知識和方法的教學(xué)要求，逐漸過渡到解決工程問題需要的具體能力的培養(yǎng)。針對上述所有不同培養(yǎng)系列，法國教育部給出了具體的能力培養(yǎng)指標(biāo)體系，針對每一項能力，都有明確的指標(biāo)作為該項能力是否達(dá)標(biāo)的判據(jù)。表1所示為2021版的指標(biāo)體系。所有教學(xué)活動均圍繞相應(yīng)能力的培養(yǎng)展開，并通過該體系制作能力量表對學(xué)生能力培養(yǎng)成效進(jìn)行測評。

與此前的版本相比，新版能力培養(yǎng)指標(biāo)體系中針對各項能力均增加了相應(yīng)的指標(biāo)。其中理解與適應(yīng)能力的評價指標(biāo)更加細(xì)化，由原來的3條增加到7條;方案實施能力的評價指標(biāo)由原先的3條增至8條，所增加的指標(biāo)強(qiáng)調(diào)了信息提取、示意圖繪制、量綱分析與計算能力等;分析計算能力的評價指標(biāo)由原先的5條增至8條，新增指標(biāo)強(qiáng)調(diào)了針對文獻(xiàn)的分析總結(jié)能力;結(jié)果驗證能力部分修改不大，略有增加和細(xì)化;學(xué)術(shù)交流能力中增加了撰寫總結(jié)、分析和論證的描述;自主實踐能力的描述沒有變化。

2 基于能力指標(biāo)的課程設(shè)計

2.1 課程目標(biāo)與六項能力評價指標(biāo)

工程師物理實驗（光學(xué)）課程屬于基礎(chǔ)實驗課程，除了學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的物理實驗知識和方法以外，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生工程意識、科學(xué)思維方法和科學(xué)素養(yǎng)。然而，在執(zhí)行層面上如果仍采用以知識和方法為主導(dǎo)的教學(xué)模式，則很難達(dá)成目標(biāo)。將教學(xué)目標(biāo)按照能力培養(yǎng)的要求進(jìn)行拆解并關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的能力指標(biāo)，在實施過程中讓學(xué)生看到自己能力的穩(wěn)步提升，增加學(xué)生成就感和課程黏性，則能夠更好地傳達(dá)基礎(chǔ)實驗課程的內(nèi)涵與教學(xué)目標(biāo)的本質(zhì)。

六項能力培養(yǎng)體系在法國已實施近10年，其初衷是最大化提升學(xué)生的興趣和自主選擇權(quán)的同時，保障進(jìn)入工程師階段的學(xué)生具有同樣的水平。法國預(yù)科階段開設(shè)了眾多系列課程，如何保證不同系列課程在工程師大學(xué)校的入學(xué)考試中的公平性，以及如何界定同樣的水平，倒逼了法國預(yù)科教育界對教育本質(zhì)的思考。雖然各個系列所學(xué)內(nèi)容有較大差異且各自有所側(cè)重，但所要求培養(yǎng)和達(dá)到的能力標(biāo)準(zhǔn)則各系列應(yīng)保持一致。各項能力以及關(guān)聯(lián)的詳細(xì)指標(biāo)是在企業(yè)界以及后續(xù)工程師教育的需求中逐漸凝練總結(jié)得來。該能力培養(yǎng)指標(biāo)體系的實施和改革，為法國工程師培養(yǎng)以及后續(xù)學(xué)生進(jìn)入企業(yè)工作提供了支撐。

本文所討論的面向通用工程師專業(yè)大三學(xué)生開設(shè)的實驗類基礎(chǔ)課程“物理實驗（光學(xué)）”結(jié)合了北航培養(yǎng)新時代領(lǐng)軍領(lǐng)導(dǎo)人才的辦學(xué)定位和通用工程師培養(yǎng)目標(biāo)要求，借鑒融合法國六項能力培養(yǎng)指標(biāo)體系確立了教學(xué)目標(biāo)，且與六項能力有著較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)對應(yīng)，如圖1所示。通過對教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行能力點拆解，使其更具有可操作性。

2.2 實驗項目設(shè)置

本課程知識覆蓋面廣泛，內(nèi)容涉及幾何光學(xué)和物理光學(xué)兩大部分，詳見文獻(xiàn)[2]。在2024年春季學(xué)期，對開設(shè)的實驗項目進(jìn)行了增補(bǔ)。在原先分光計專題下增補(bǔ)了，“商用光譜儀的使用”“里德堡常數(shù)的測量”兩個實驗。新增傅里葉光學(xué)專題，包括“阿貝成像和空間濾波實驗”和“傅里葉變換實驗”。全部實驗共涉及七個專題16個實驗項目。實驗項目的選擇除了考慮知識和實驗方法之外，更加注重學(xué)生能力的培養(yǎng)。實驗中學(xué)生需要運用包括數(shù)學(xué)、計算機(jī)、編程、數(shù)據(jù)處理、實驗實踐技能等多項能力，并在過程中體會模擬仿真、實驗結(jié)果以及理想物理模型之間的差異，形成較為成熟的物理世界觀，并初步具備工程意識。16項實驗項目與六項能力之間的關(guān)聯(lián)矩陣如表2所示，其中√的個數(shù)代表了關(guān)聯(lián)的強(qiáng)度。下面舉若干例子進(jìn)行詳細(xì)論述：

1） “薄透鏡和球面鏡焦距測量及諾莫圖法應(yīng)用”實驗

該實驗為驗證性實驗，通過實驗學(xué)生將進(jìn)一步掌握實物、虛物、實像和虛像的概念，定量測量物距像距并評定測量結(jié)果的不確定度，以此來驗證物像共軛關(guān)系。因此該實驗和結(jié)果驗證能力有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，并且實驗過程中需要進(jìn)行成像的實驗操作以及諾莫圖方法的應(yīng)用，對方案實施能力也有一定要求，實驗最終需要上交書面報告，并且在實驗過程中跟隨教師的引導(dǎo)表達(dá)自己對于實驗的想法，因此對學(xué)術(shù)交流能力也有一定要求。

2） “光的偏振及3D電影”實驗

實驗中偏振態(tài)的變化十分復(fù)雜抽象，需要學(xué)生能夠?qū)?fù)雜問題分解并使用合適的模型進(jìn)行分析研究，有利于培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維和分析計算能力。為了清晰地表述實驗現(xiàn)象背后的原理，學(xué)生需要較強(qiáng)的學(xué)術(shù)交流能力。該實驗要求學(xué)生通過口頭形式描述實驗現(xiàn)象和產(chǎn)生原理，給出自己的觀點。除了個人想法展示外，還可以通過辯論鍛煉學(xué)生的結(jié)果驗證能力。

3） “光學(xué)顯微鏡特性研究”實驗

該實驗主要培養(yǎng)學(xué)生的理解與適應(yīng)能力。課程中給學(xué)生提供儀器操作手冊和各實驗配件的使用文檔，告知學(xué)生最終需要測量的特性參數(shù)，如顯微鏡物鏡的放大率或者整個顯微鏡的放大率等，學(xué)生需要自主研究文檔、自主嘗試使用儀器、自主設(shè)計實驗方案、建立模型并完成實驗。

4） “光的干涉和衍射及光盤參數(shù)測量”實驗

該實驗通過引導(dǎo)學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象，獲取數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)中的規(guī)律得到物理模型，從而進(jìn)行物理規(guī)律和物理模型的再次應(yīng)用，并對結(jié)果進(jìn)行評價，從而鍛煉分析計算能力和結(jié)果驗證能力。

為了解釋六項能力與具體實驗內(nèi)容的關(guān)系，下面以“光的偏振及3D 電影”實驗為例進(jìn)行詳細(xì)說明。其中六項能力與該實驗內(nèi)容的關(guān)聯(lián)矩陣如表3所示。首先，學(xué)生需完成馬呂斯定律的驗證。由于學(xué)生已在理論課上學(xué)習(xí)過該內(nèi)容，因此這部分并未過多鍛煉理解與適應(yīng)能力和自主實踐能力，其操作和分析過程也較為簡單，全程大量的重復(fù)測量工作亦無須過多交流，主要鍛煉學(xué)生的數(shù)據(jù)處理和不確定度計算等結(jié)果驗證能力。隨后，學(xué)生需要通過已有的理論知識和所提供的儀器設(shè)備產(chǎn)生一束右旋圓偏光。這一過程主要鍛煉了學(xué)生分析偏振光振動狀態(tài)的分析計算能力，并且需要一定的學(xué)術(shù)交流能力說明自己產(chǎn)生偏振光的過程。在以上兩項實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上，實驗進(jìn)入到對于學(xué)生綜合能力有一定要求的檢驗未知偏振光的階段。學(xué)生需要掌握檢驗流程并清楚相應(yīng)的波片和檢偏片的擺放位置，并且全過程需要能夠清晰表達(dá)并給出驗證的理由。第四項內(nèi)容，研究鏡面反射對偏振光的作用，問題的提出較為具體，但需要自主進(jìn)行實驗探究，對于上述六項能力均有一定程度的鍛煉。最后進(jìn)入到高階內(nèi)容，學(xué)生需要充分運用已有知識和認(rèn)知對3D 電影眼鏡原理進(jìn)行分析，隨后設(shè)計實驗方案開展實驗操作，自行分析，驗證自己給出的假設(shè)的正確性，并且需要與教師或同伴進(jìn)行口頭或書面交流。

3 課程實踐

3.1 過程性能力培養(yǎng)

學(xué)生的能力培養(yǎng)不只是單個實驗項目的任務(wù)，因為能力不是一朝一夕便可獲得的，能力的培養(yǎng)應(yīng)注重過程。本課程注重平時實驗的能力培養(yǎng)，并且評價機(jī)制也保持與教學(xué)理念一致，平時實驗操作成績占總評成績的50%，其中實驗知識以及實驗方法的考查計20分;采用六項能力量表對學(xué)生的課堂表現(xiàn)予以評價和追蹤，計30分。下面分別進(jìn)行詳細(xì)解釋：

1） 實驗知識以及實驗方法的考查

平時每個實驗都有基本實驗操作和實驗方法完成進(jìn)度分?jǐn)?shù)，采用累計制共計20分，如有缺項或未得到滿意分值，可在期末復(fù)習(xí)課中重做，獲得相應(yīng)累計分?jǐn)?shù)。每個實驗需要完成的環(huán)節(jié)個數(shù)約為5個。在實際運行中學(xué)生普遍能夠較好地完成基本實驗操作和實驗方法的訓(xùn)練，有一些對于分析計算能力和方案實施能力要求較高的實驗完成度參差不齊。由于期末復(fù)習(xí)課的設(shè)置，使得平時分較低的學(xué)生能夠查漏補(bǔ)缺。在復(fù)習(xí)課中，學(xué)生自主選擇需要復(fù)習(xí)的實驗，自主操作，教師給予個性化輔導(dǎo)。對于一些普遍性和共性問題，教師還會通過集中講解問題的解決思路來引導(dǎo)學(xué)生。

2） 采用六項能力量表對學(xué)生的課堂表現(xiàn)予以評價和追蹤

由于復(fù)習(xí)課的設(shè)置，最終大部分同學(xué)可以獲得較高的進(jìn)度分，而實驗過程中體現(xiàn)出的能力則采用六項能力量表測評，共計30分。教師根據(jù)學(xué)生在實驗過程中的表現(xiàn)給出能力水平評價，打分范圍為0～5分，六項能力共計30分。平時能力的測評和追蹤旨在督促學(xué)生，而不是將該成績作為最終成績，因為學(xué)生各項能力隨著時間推移穩(wěn)步增長最終穩(wěn)定在某個等級則最終平時成績即為該等級，因此學(xué)生不必計較一兩次實驗的表現(xiàn)和得失。

圖2中給出了某學(xué)生六項能力水平隨實驗課程推進(jìn)的追蹤表現(xiàn)。該同學(xué)的情況有較強(qiáng)的代表性。在實驗課程最初該同學(xué)已表現(xiàn)出較強(qiáng)的學(xué)術(shù)交流能力、分析計算能力和方案實施能力，較為欠缺的是結(jié)果驗證能力、理解與適應(yīng)能力和自主實踐能力。從能力追蹤圖可以看出，在隨后的實驗課程中由于學(xué)生明確需要達(dá)標(biāo)的能力指標(biāo)，有意識地開始鍛煉自己欠缺的能力點，經(jīng)由態(tài)度的轉(zhuǎn)變后，理解與適應(yīng)能力和自主實踐能力的提升速度較快。而結(jié)果驗證能力需要對于實驗過程中的理論與實驗結(jié)果有較好的把控以及誤差分析方法較好的掌握，因此，提升速度較為緩慢。同時，能力的提升有一定的波動過程，最終能夠穩(wěn)定地獲得能力的提升。

上述過程性能力評價方案能夠較好地促進(jìn)學(xué)生在平時重視實驗，并且有意識地鍛煉培養(yǎng)自身的六項能力，盡力符合后續(xù)工程師的培養(yǎng)要求，其重視過程的理念很好地減輕了學(xué)生的焦慮心理，使其能夠靜下心來真正將時間精力投入到實驗中去。

3.2 終結(jié)性能力測評

期末終結(jié)性評價占總評的50%，即50分，包括筆試和操作考試。筆試滿分20分，閉卷考試2小時，側(cè)重實驗知識以及實驗方法的考查，考查范圍為平時實驗項目以及拓展實驗項目。操作考試成績滿分30分，是對學(xué)生能力水平的終結(jié)性測評。為考查學(xué)生的六項能力，期末操作考試每名學(xué)生需獨立參加，操作考試時長1小時。每份試題針對某一個實驗項目展開，以所學(xué)過的實驗項目為基礎(chǔ)并進(jìn)行拓展。雖然不同組學(xué)生的考試題目不同，但由于測評是針對六項能力體系進(jìn)行的，因此，從能力角度講對于學(xué)生的衡量尺度是一致的。期末操作的考查分級更為精細(xì)化，實驗操作六項能力每項10分，共計60分，折算為30分計入總評。

總體而言，期末的終結(jié)性評價以考核學(xué)生知識和資源的綜合運用能力、建模能力、解決實際問題能力為主線，對學(xué)生六項能力進(jìn)行全方位考核，客觀地評價考生理論與實踐的結(jié)合能力以及解決復(fù)雜工程問題的綜合能力。

4 結(jié)語

以能力為導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計在教學(xué)實踐中取得了較好的成效。學(xué)生在六項能力培養(yǎng)體系下更愿意進(jìn)行自主探究，充分的“試錯”時間和空間讓學(xué)生更有自信、更樂于探索未知。弱化純知識記憶型考查內(nèi)容，降低知識和方法的總評占比，突出高階性的能力素質(zhì)評價，使得學(xué)生的適應(yīng)、分析、實現(xiàn)、驗證、交流和自主探究能力得到顯著提升。在教學(xué)過程中注重學(xué)習(xí)過程，能力量表的跟蹤使得學(xué)生能夠感受到自身的成長。

經(jīng)過幾輪的教學(xué)實踐，也暴露出一些問題需要反思。首先，六項能力體系的具體指標(biāo)還需要更加細(xì)化，以實現(xiàn)更精準(zhǔn)的評價。其次，由于師資有限，僅由一名教師對某一具體實驗進(jìn)行評價，容易導(dǎo)致測評客觀性降低。最后，測評過程得到的數(shù)據(jù)，需要更好地分析挖掘以支撐學(xué)生個性化成長，利用AI技術(shù)進(jìn)行追蹤評價可能是可探索的解決途徑。

參 考 文 獻(xiàn)

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[2] 王崢，安煒，王文文，等.面向工程師人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)實驗類課程建設(shè)探索與實踐：以“物理實驗（光學(xué)）”課程為例[J].物理與工程，2023，33（4）：129-132.

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