電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)*

張平麗

(吉林師范大學(xué)物理學(xué)院 吉林 四平 136000)

電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程,其實(shí)驗(yàn)思想和方法已滲透到物理學(xué)的各個(gè)研究領(lǐng)域,掌握電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)思想和方法是物理工作者必備的科學(xué)素養(yǎng).通過本課程的學(xué)習(xí),能夠使學(xué)生利用電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備得到與實(shí)驗(yàn)條件相符的結(jié)論,并提出改進(jìn)措施,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和分析問題的邏輯性與條理性,同時(shí)也為學(xué)生將來從事中學(xué)物理教學(xué)提供了豐富的知識(shí)、思想和方法.該課程涉及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較多、實(shí)驗(yàn)原理復(fù)雜、初學(xué)者很難系統(tǒng)掌握,如何改進(jìn)教學(xué)模式和教學(xué)方法,成為亟待解決的問題.

1 創(chuàng)新思路

1.1 學(xué)情分析

課程授課對象是物理學(xué)專業(yè)二年級(jí)學(xué)生,此階段學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了電磁學(xué)、力熱實(shí)驗(yàn)等學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課,具有一定的電磁學(xué)理論基礎(chǔ)和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)思想,掌握了一定的數(shù)據(jù)處理方法,但尚未涉及電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)部分,對電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)思想和方法充滿了好奇,但知識(shí)和技能儲(chǔ)備明顯不足.

1.2 教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)物理學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案,設(shè)計(jì)了電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)4方面的教學(xué)目標(biāo),分別是知識(shí)構(gòu)建、技能目標(biāo)、素質(zhì)目標(biāo)和思政目標(biāo),下面是具體表述.

知識(shí)構(gòu)建：掌握電磁學(xué)常用儀器的基本原理和調(diào)試方法,學(xué)會(huì)正確處理測量數(shù)據(jù)與分析實(shí)驗(yàn)誤差.

技能目標(biāo):能夠熟練處理多個(gè)電磁學(xué)物理量,具有一定的分析和解決電磁學(xué)問題的能力.

素質(zhì)目標(biāo):培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來分析和解決實(shí)際問題的能力,培養(yǎng)科學(xué)思維、創(chuàng)新精神和嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度.

思政目標(biāo):培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷和民族精神,養(yǎng)成精益求精的工匠品質(zhì),樹立實(shí)事求是、追求真理的科學(xué)價(jià)值觀.

1.3 聚焦問題

傳統(tǒng)的電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在以下幾個(gè)痛點(diǎn)問題:

一是在教學(xué)過程中往往以教師為中心,生硬地將實(shí)驗(yàn)原理和操作方法傳授給學(xué)生,教學(xué)方法手段相對落后,導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足,參與度較低;

二是課程體系結(jié)構(gòu)僵化,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容抽象、脫離生活實(shí)際,缺乏前沿性和時(shí)代性的探索;

三是課堂教學(xué)過程中,重視知識(shí)的傳授,輕視能力培養(yǎng),忽略學(xué)生自我價(jià)值的塑造,課程育人功能不完善;

四是課程的評(píng)價(jià)方式較單一,重結(jié)果輕過程,挑戰(zhàn)度不夠,過程考核量化不足.

針對以上的痛點(diǎn)問題,推動(dòng)本門課程的教學(xué)創(chuàng)新勢在必行.課程團(tuán)隊(duì)以“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”為創(chuàng)新理念,重塑教學(xué)內(nèi)容,優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì),提高課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度.

2 創(chuàng)新舉措

2.1 重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)課程涉及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多、實(shí)驗(yàn)原理復(fù)雜、往往會(huì)給初學(xué)者帶來畏懼情緒.因此,結(jié)合師范類專業(yè)學(xué)生實(shí)際情況以及學(xué)生未來的發(fā)展需要,我們從整體上優(yōu)化課程內(nèi)容,重組課程結(jié)構(gòu),構(gòu)建以科學(xué)素養(yǎng)為核心的課程體系,重構(gòu)后的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如圖1所示.課程內(nèi)容不再單單以驗(yàn)證性、綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)來區(qū)分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的屬性,而是縱觀整個(gè)電磁學(xué)的發(fā)展史和學(xué)科前沿重構(gòu)了教學(xué)內(nèi)容[1-2].精選電磁學(xué)領(lǐng)域具有代表性且與現(xiàn)代科技前沿領(lǐng)域相關(guān)的實(shí)驗(yàn),以電學(xué)和磁學(xué)為兩大主線將電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)細(xì)分為預(yù)備性實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)4個(gè)部分[3].同時(shí),將現(xiàn)代物理知識(shí)和傳統(tǒng)經(jīng)典物理知識(shí)相結(jié)合,將近代物理的內(nèi)容融合到教學(xué)內(nèi)容中,將電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)知識(shí)與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展緊密結(jié)合,增加和電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)緊密相關(guān)的現(xiàn)代物理熱點(diǎn)專題介紹[4].始終把培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和創(chuàng)新精神貫穿到整個(gè)知識(shí)傳授的過程中.并深入挖掘本課程中蘊(yùn)含的思政教育元素,把思想政治教育有效融入教學(xué)實(shí)踐的整個(gè)過程中,注重傳播科學(xué)精神和大國工匠精神,做到潤物細(xì)無聲,真正做到育知和育德的有機(jī)融合.

圖1 電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

落實(shí)到具體的課程內(nèi)容設(shè)計(jì)中,以電學(xué)和電子學(xué)基本儀器與訓(xùn)練為基礎(chǔ),進(jìn)而引申到電磁學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)探究與設(shè)計(jì),以基本原理和典型實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為主題,同時(shí)融科學(xué)素質(zhì)和課程思政教育于課程教學(xué)中,注重知識(shí)的擴(kuò)展和深化,注重抓住一些典型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容突破的過程進(jìn)行深入探索,闡述科學(xué)家是如何應(yīng)用猜測和假設(shè)提出科學(xué)問題,并利用科學(xué)思維、創(chuàng)新思維和邏輯思維做出關(guān)鍵性突破.同時(shí),還會(huì)根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容探討一些與生活實(shí)踐和科學(xué)前沿領(lǐng)域相聯(lián)系的知識(shí).例如,我們在講授鐵磁物質(zhì)動(dòng)態(tài)磁滯回線測試這一實(shí)驗(yàn)時(shí),會(huì)介紹各種鐵磁材料目前在磁存儲(chǔ)器、航空航天和機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用以及巨磁阻效應(yīng)等科學(xué)前沿知識(shí);在講授伏安法測二極管特性實(shí)驗(yàn)時(shí),介紹目前有關(guān)發(fā)光二極管發(fā)光材料的前沿知識(shí)及其應(yīng)用;在講授霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)時(shí),會(huì)介紹量子霍爾效應(yīng)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)以及薛其坤院士領(lǐng)銜團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的量子反?；魻栃?yīng)等科學(xué)前沿領(lǐng)域知識(shí),使學(xué)生們了解即使是在零磁場中也能實(shí)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng),培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和探索精神.而在講授電磁學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)時(shí),介紹變化的電磁場在實(shí)際生活領(lǐng)域如電磁爐的應(yīng)用等.

2.2 改善教學(xué)方法

由于電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容系統(tǒng)性強(qiáng),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容抽象,實(shí)驗(yàn)原理復(fù)雜,學(xué)生學(xué)習(xí)的難度較大,對電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)有畏懼情緒,所以,在教學(xué)過程中主要采用學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)為主、教師教學(xué)為主導(dǎo)的教學(xué)方法,始終將學(xué)生創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)貫穿于教學(xué)的全過程.同時(shí)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn),開展啟發(fā)式、類比式、討論式、研究式[5]等教學(xué)方法,啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題,引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟物理實(shí)驗(yàn)思想,掌握電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及的基本原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法,建立辯證唯物主義世界觀,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和科學(xué)素養(yǎng).落實(shí)到具體的實(shí)施方式上,例如,在講解霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí),首先介紹利用對稱測量法消除副效應(yīng)影響,其他的系列實(shí)驗(yàn)如用霍爾元件測量載流線圈軸線上的磁場和螺線管內(nèi)的磁場則留給學(xué)生在課堂上來探索,實(shí)現(xiàn)啟發(fā)式教學(xué);而在講解雙臂電橋測低電阻實(shí)驗(yàn)時(shí),教師可以通過與惠斯通電橋測電阻的類比結(jié)合來講,這樣既可以使學(xué)生更好地區(qū)別二者所適用測量電阻范圍的不同,又可以加深對二者實(shí)驗(yàn)原理的理解和掌握;對于部分較簡單的實(shí)驗(yàn),要求學(xué)生利用現(xiàn)有的儀器設(shè)備自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),探究實(shí)驗(yàn)結(jié)果,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和探究精神.

在教學(xué)手段上,課程團(tuán)隊(duì)結(jié)合“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的教育理念,構(gòu)建了基于“數(shù)字化信息平臺(tái)+微課技術(shù)手段+翻轉(zhuǎn)課堂”的混合式教學(xué)模式,將教學(xué)過程劃分為課前預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)、課后復(fù)習(xí)3個(gè)環(huán)節(jié).課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié),教師端通過信息化網(wǎng)絡(luò)渠道發(fā)布微課教學(xué)資源、學(xué)生端自主預(yù)習(xí),觀看視頻課件,完成測驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告,此過程側(cè)重基本概念和實(shí)驗(yàn)原理的學(xué)習(xí)和理解.課堂教學(xué)采用翻轉(zhuǎn)課堂、隨堂練習(xí)、小組討論、實(shí)驗(yàn)探究和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等開展研討式教學(xué),創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境,并利用生動(dòng)形象的情境引導(dǎo)學(xué)生展開相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的探究,側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力.課后復(fù)習(xí)環(huán)節(jié),教師端利用數(shù)字化信息交流平臺(tái)答疑解惑,分析數(shù)據(jù),掌握學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫情況,及時(shí)指出學(xué)生的學(xué)習(xí)問題,以加深對教學(xué)內(nèi)容的理解,側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)后的反思.學(xué)生端完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告和相應(yīng)測驗(yàn),開展拓展研究和分組探究,學(xué)以致用,開展教師評(píng)價(jià)和生生互評(píng),從而實(shí)現(xiàn)課前、課中及課后教學(xué)的無縫銜接,構(gòu)建師生學(xué)習(xí)共同體.

2.3 多維教學(xué)評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)教學(xué)模式下實(shí)驗(yàn)課程考核方式的主要形式是課堂表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告,這種考核形式主要檢驗(yàn)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解和掌握情況,對于學(xué)生拓展思維及所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐的能力難以考核.為了改變這種單一化考核模式,我們在教學(xué)實(shí)踐中強(qiáng)化過程性考核,設(shè)計(jì)多元化考評(píng)體系,主要采用過程評(píng)價(jià)與總結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式,過程性考核主要包括課前預(yù)習(xí)情況、隨堂練習(xí)、專題討論、虛擬仿真、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、課程實(shí)踐情況等.專題討論環(huán)節(jié)主要通過設(shè)置學(xué)科前沿領(lǐng)域相關(guān)課題,考查學(xué)生對學(xué)科前沿知識(shí)、新技術(shù)、新成果、新發(fā)展的了解程度;課程實(shí)踐環(huán)節(jié)通過布置運(yùn)用所學(xué)知識(shí)自主設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn),錄制實(shí)驗(yàn)視頻,考查學(xué)生拓展思維和運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力.

本課程通過過程性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合建立了一套科學(xué)全面的電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)課程考核評(píng)價(jià)體系,以考促學(xué).過程性考核方式改變了以課堂表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫情況評(píng)定學(xué)生成績的傳統(tǒng)辦法,這種考核辦法不僅能考核學(xué)生拓展思維和運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力,同時(shí)也能促進(jìn)學(xué)生對學(xué)科前沿領(lǐng)域知識(shí)的探索和掌握,極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

3 創(chuàng)新成效

3.1 學(xué)生成效

通過電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì),學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ辛溯^大幅度的提升和鍛煉.基于該課程,課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)本科生參加 2021 年第七屆全國大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽獲得國家級(jí)二等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)、三等獎(jiǎng) 1 項(xiàng);2021 年第三屆吉林省大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽獲得省級(jí)一等獎(jiǎng) 3 項(xiàng),二等獎(jiǎng) 3 項(xiàng);2022 年第四屆吉林省大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽獲得省級(jí)一等獎(jiǎng) 1 項(xiàng),二等獎(jiǎng) 3 項(xiàng),三等獎(jiǎng) 2 項(xiàng).

3.2 教師成長

同時(shí),電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)課程創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)施過程中,教師的教學(xué)能力也得到了提高.基于該課程,課程主講教師獲得2022 年第七屆全國高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程(實(shí)驗(yàn))青年教師講課比賽吉林賽區(qū)二等獎(jiǎng),東北賽區(qū)二等獎(jiǎng);課程團(tuán)隊(duì)成員獲得 2018 年第四屆全國高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程(理論)青年教師講課比賽吉林賽區(qū)一等獎(jiǎng),東北賽區(qū)三等獎(jiǎng),吉林省首屆超星杯智慧課堂教學(xué)大賽二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng).

4 教學(xué)反思

本課程采用的混合式教學(xué)模式,結(jié)合一些數(shù)字化教學(xué)資源以及手段,對現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)課前、課中、課后3個(gè)環(huán)節(jié)的緊密配合,能有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力.相對于傳統(tǒng)課堂來說,學(xué)生更偏好于混合式教學(xué)模式,這種教學(xué)模式對提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣方面起到了積極作用.但是,在教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施流程上還存在提升空間,例如在互動(dòng)技巧的應(yīng)用、業(yè)界發(fā)展最新成果的運(yùn)用、智慧教學(xué)環(huán)境強(qiáng)大功能的利用、思政元素案例的引入等.整個(gè)教學(xué)過程中,我們注重思考和反省教學(xué)過程中存在的問題,留意教學(xué)中的閃光點(diǎn)和小瑕疵,及時(shí)捕捉并記錄點(diǎn)點(diǎn)滴滴的想法,通過教學(xué)的反思,指導(dǎo)教學(xué)并優(yōu)化教學(xué),教無止境,在教學(xué)實(shí)踐過程中逐步提高教學(xué)能力,追求真正的教學(xué)藝術(shù).