強(qiáng)化基礎(chǔ)知識與工程素養(yǎng)的新工科物理實驗課程體系改革與實踐*

余雪里 張 昱 秦平力 馬 良

(武漢工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院 湖北 武漢 430205)

為適應(yīng)新形勢下的大學(xué)教育改革,教育部印發(fā)了《關(guān)于在部分高校開展基礎(chǔ)學(xué)科招生改革試點工作的意見》(也稱“強(qiáng)基計劃”),積極探索建立基礎(chǔ)學(xué)科拔尖創(chuàng)新人才選拔與培養(yǎng)的有效機(jī)制.“強(qiáng)基計劃”是以習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想為指導(dǎo),著力培養(yǎng)綜合素質(zhì)優(yōu)秀或基礎(chǔ)學(xué)科拔尖的學(xué)生,突出基礎(chǔ)學(xué)科的支撐引領(lǐng)作用.高等學(xué)校是人才隊伍培育的引擎和輸送源頭,尤其是在全球經(jīng)濟(jì)一體化、技術(shù)智能化、資訊網(wǎng)絡(luò)化的新時代,社會產(chǎn)業(yè)亟待升級,進(jìn)而導(dǎo)致各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)徊嫘?、?yīng)用型、創(chuàng)新型等綜合性優(yōu)秀人才的需求十分迫切.在此“新工科”背景下,大學(xué)物理及其實驗課程是工程類各專業(yè)的基礎(chǔ),肩負(fù)著新工科人才培養(yǎng)中“排頭兵”的重要使命,因此,適應(yīng)新形勢下新工科物理實驗的課程設(shè)計尤為重要[1].

由此,各高校的工科物理實驗課程體系的改革與探索此起彼伏,這意味著傳統(tǒng)分立模塊的 “工科”被“你中有我,我中有你”的“新工科”取代,這是新工科諸多內(nèi)涵的表觀特點之一,折射出新工科人才培養(yǎng)的核心理念——跨界、交叉與融合以及新工科基礎(chǔ)課程體系的建設(shè)目標(biāo)——整合、優(yōu)化、重組[2-3].全國不少物理實驗示范中心為此做了大量的改革,不斷從教學(xué)手法、教學(xué)手段與方式上去探索有利于創(chuàng)新人才的新培養(yǎng)模式.不少高校為達(dá)成這樣的理念和目標(biāo),已率先在大學(xué)物理理論及實驗系列課程上革新,努力實現(xiàn)對工科學(xué)生的批判性思維、設(shè)計性思維、工程式思維、數(shù)字化思維等能力的培養(yǎng),有效凸顯基礎(chǔ)課的作用[4].國內(nèi)有些高校還嘗試了項目引領(lǐng)下的重組知識結(jié)構(gòu)、打通專業(yè)壁壘、融合課程體系等的改革,將教學(xué)改革和建設(shè)重點聚焦到新工科多學(xué)科交叉的高素質(zhì)復(fù)合型人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)上,并取得了一些成效[5-6].

1 工科物理實驗課程體系改革背景

目前,全國很多省份對高考進(jìn)行了“3+X”模式改革.部分學(xué)生在高中階段沒有選學(xué)物理,即使選學(xué)物理的學(xué)生在高中階段也沒進(jìn)行全方位地物理實驗技能訓(xùn)練,物理實驗教學(xué)大都停留在紙上、黑板上,這是對現(xiàn)在工科物理實驗教學(xué)體系的一個重大挑戰(zhàn).由于物理學(xué)習(xí)本身難度較大,再加上重視程度較20世紀(jì)有大幅度下降,這就導(dǎo)致大部分學(xué)生對工科物理實驗普遍興趣減,預(yù)期低,從而導(dǎo)致實驗課程粘度小.因此,只有根據(jù)高中階段物理實驗教學(xué)現(xiàn)狀和學(xué)生的知識結(jié)構(gòu),在原有的教學(xué)體系與模式基礎(chǔ)上,搞好“高中+高?！遍g的知識銜接,優(yōu)化現(xiàn)有實驗教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)管理模式,增加學(xué)生對物理實驗的興趣,這才是目前工科物理實驗教學(xué)模式改革的重中之重.

1.1 如何將課程思政元素融合到新工科物理實驗課程各教學(xué)環(huán)節(jié)

眾所周知,國內(nèi)多數(shù)高校的工科物理實驗課程教學(xué)理念多年來側(cè)重物理知識、實驗方法、實驗技能和數(shù)據(jù)分析方法的傳授,以及學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題能力的培養(yǎng),很少涉及學(xué)生精神品質(zhì)與價值觀的培養(yǎng).如何在工科物理實驗課程的預(yù)備預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)、實驗操作、實驗報告和實驗創(chuàng)新等環(huán)節(jié)將科學(xué)與工程素養(yǎng)潛移默化融入,全方位拓展物理實驗教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度,解決工科物理實驗課程與思政理論課間的協(xié)同效應(yīng),也需要積極探索.

1.2 如何兼顧師生交流難、討論少以及學(xué)生的個性化需求

信息化新形勢下,如何發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)具有的機(jī)動、靈活和個性化的優(yōu)勢,構(gòu)建不受時空限制的物理實驗教學(xué)網(wǎng)上平臺,已經(jīng)被廣泛討論.即如何在全校大面積教學(xué)對象中,有針對性地解決學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的個性化需求,及時交流互動,隨時聯(lián)系和答疑解惑,真正實現(xiàn)“不拘一格降人才”的教學(xué)理念,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能性,變“要我做實驗”為“我要做實驗”,變“填鴨式、教師指導(dǎo)下做實驗(被動實驗)”為“自主設(shè)計實驗(主動實驗)”,變“機(jī)械地做實驗”到“有目的地做實驗”,再到“實驗拓展”“創(chuàng)新實驗”的提高階段,值得研究.

2 新工科物理實驗課程體系實踐

新工科背景下的工科物理實驗課教學(xué)改革與建設(shè)應(yīng)是盡可能多地開發(fā)教學(xué)資源,構(gòu)建多樣化教學(xué)模式,提供多種自主學(xué)習(xí)平臺,調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性,引導(dǎo)學(xué)生從“要我學(xué)” 向“我要學(xué)”轉(zhuǎn)化.工科物理實驗是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ),更要以培養(yǎng)學(xué)生扎實的基本理論、較強(qiáng)的基本技能和良好的基本素質(zhì)作為目標(biāo).課程改革要使得工科物理實驗教學(xué)模式更多形式地展現(xiàn)理論知識,提高學(xué)生對基礎(chǔ)知識的興趣、熱衷于實驗創(chuàng)新的主觀能動性;課程體系構(gòu)建還要依托信息化手段,推動工科物理實驗的智慧化建設(shè),擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)教育資源覆蓋面,逐步縮小區(qū)域與城鄉(xiāng)間的學(xué)生差距,利用現(xiàn)代化技術(shù)加快人才培養(yǎng)模式的改革,并最終達(dá)到向社會開放在線課程的遠(yuǎn)大目標(biāo);課程革新更要虛實結(jié)合與開展 “線上”和“線下”混合教學(xué),增強(qiáng)學(xué)生們的真實體驗感,引起學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)習(xí)效果.最終課程教學(xué)設(shè)計要實現(xiàn)以強(qiáng)化基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)興趣為導(dǎo)向,充分調(diào)動學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力,鼓勵實驗拓展與項目創(chuàng)新,真正使學(xué)生體會到“學(xué)以致用”,促使學(xué)生更積極主動地探究基礎(chǔ)知識,從實踐和理論兩方面提高教學(xué)質(zhì)量.這對目前國家強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)研究與教育部關(guān)于培養(yǎng)新工科背景下的復(fù)合型創(chuàng)新人才的方針具有時代現(xiàn)實意義.

2.1 在實驗前開設(shè)預(yù)備性物理實驗選修課 補(bǔ)齊高中欠缺的基礎(chǔ)性知識

在正式物理實驗課前,先在線上開設(shè)物理實驗基礎(chǔ)技能介紹和實驗操作視頻,讓學(xué)生在線上學(xué)習(xí),再由系統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)時數(shù),達(dá)到要求時就可以參加線上測驗,通過后就可以到線下專門設(shè)置的開放實驗室進(jìn)行一些基礎(chǔ)性物理實驗,如基本物理量的測量,驗證性的實驗等.這是為了給部分高中實驗技能未完全達(dá)到訓(xùn)練要求的學(xué)生補(bǔ)課,起到了填平補(bǔ)齊作用,使全校新生整體物理實驗水平基本一致,從而提高教學(xué)起點.目前,全國各省的各種高考改革使得有部分學(xué)生中學(xué)實驗基礎(chǔ)較差而沒有得到必要的鍛煉.尤其是伴隨著高校擴(kuò)招的步伐,有些學(xué)生的中學(xué)物理實驗基本素質(zhì)有所下降,再加上邊遠(yuǎn)地區(qū)、山區(qū)的學(xué)生中學(xué)實驗基礎(chǔ)條件差而沒有進(jìn)行基本的實驗技能訓(xùn)練.因此,有必要對這些學(xué)生進(jìn)行補(bǔ)課,為提高 “物理實驗 ”必修課的教學(xué)起點打好基礎(chǔ).正是在此背景下開設(shè)預(yù)備性物理實驗課程,主要通過線上學(xué)習(xí)與線下體驗相結(jié)合的課程設(shè)計,對中學(xué)實驗基礎(chǔ)欠缺的學(xué)生提升其實驗技能.當(dāng)然,基礎(chǔ)好的學(xué)生也可以根據(jù)自己的興趣,選做一些有一定難度的實驗,提升實踐能力.實驗課程選修過程中,學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)在線的答疑與釋惑,經(jīng)線下實驗后將數(shù)據(jù)上傳,教師再線上評判實驗數(shù)據(jù)的合理性和準(zhǔn)確性,并在此基礎(chǔ)上對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,完成對實驗結(jié)果的總結(jié)與分析,最后由實驗教學(xué)團(tuán)隊總體評分.這就為中學(xué)實驗條件薄弱的學(xué)生提供了實習(xí)預(yù)演的實踐場所,增加了其在后續(xù)實驗課程學(xué)習(xí)中的自信心,同時全面提高工科物理實驗課程的教學(xué)效果.

2.2 虛實結(jié)合 開展線上線下混合式教學(xué) 融和思政元素

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展,移動終端智能化程度越來越高,社交工具已步入課堂.線上教學(xué)突破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)在時間、空間和人數(shù)上的限制.新的教學(xué)改革模式需要優(yōu)化線上課程建設(shè),滿足內(nèi)容覆蓋全,做到常規(guī)內(nèi)容比教材更深入細(xì)致,非常規(guī)內(nèi)容(如儀器操作等)就以多媒體教學(xué)資源學(xué)習(xí)為主.期間,還可以穿插一些飽含無私奉獻(xiàn)有愛國情懷的物理學(xué)家故事等影視資料,里面也可以有科學(xué)家們在發(fā)現(xiàn)物理定理和現(xiàn)象過程中,表現(xiàn)出的勇于創(chuàng)新、鍥而不舍的科學(xué)精神,這都有助于激發(fā)學(xué)生獻(xiàn)身科學(xué)的理想.

另外,在實驗預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)、實驗操作、實驗報告和實驗創(chuàng)新等各環(huán)節(jié)也可以用相關(guān)小視頻潛移默化地對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)素質(zhì)教育,更能在科學(xué)重大發(fā)現(xiàn)和物理實驗操作過程的視頻學(xué)習(xí)中體會團(tuán)隊協(xié)作、相互誠實守信的重要性.例如在“液體表面張力系數(shù)測定”的實驗教學(xué)過程中,開始可以先從水面昆蟲和荷葉上的水珠等生活中的液體表面張力現(xiàn)象引入,再到祖國國際空間站的水滴實驗,這一下就能激蕩起學(xué)生的興趣與民族自豪感,然后自然就過渡到實驗原理等的講解上,中間尤其需要重點講解實驗儀器設(shè)計難點,即微小力的精確測量,體現(xiàn)課程特色.實驗介紹完后再總結(jié)實驗的設(shè)計精妙之處,以及其中的創(chuàng)新思維,指出本實驗就是把力學(xué)測量轉(zhuǎn)換為電學(xué)的測量,不僅測量方法簡單還提高了測量精度,更感悟出物理實驗中最重要且普遍運用的轉(zhuǎn)換思維思想.最后為了讓大學(xué)生體會到“材料改變生活”的真實場景,內(nèi)容甚至擴(kuò)展到現(xiàn)今發(fā)展的納米材料的防水技術(shù)原理,并舉例納米涂層材料和新世紀(jì)的納米布衣服,不僅防水還防污,說明這都是利用液體表面張力的現(xiàn)象,使學(xué)生眼前一亮,科學(xué)興趣定會提高不少,科學(xué)元素和工程素質(zhì)培養(yǎng)目標(biāo)被淋漓盡致的實現(xiàn)了.還有在“超聲波聲速測量”的實驗中,可以先拋出現(xiàn)實生活中充電難的問題,讓學(xué)生思考,再到世界大學(xué)生創(chuàng)新項目——超聲波無線電充電技術(shù),解決了這個難題,學(xué)生馬上就能集中注意力,迫切想要了解超聲波的奧秘,本次實驗教學(xué)自然水到渠成.實驗中重點介紹壓電換能器的功能,實現(xiàn)了電-聲和聲-電轉(zhuǎn)換,學(xué)生在這里又體會到了物理實驗中廣泛存在的轉(zhuǎn)換思維.總結(jié)時再聯(lián)系到我國的深海探測技術(shù)與領(lǐng)先世界的裝備,超聲波通訊的優(yōu)勢躍然紙上,最后拓展到新一代潛艇技術(shù)難點,必然激發(fā)大學(xué)生獻(xiàn)身祖國,攻克“卡脖子”技術(shù)的熱忱.

其實,大學(xué)生做的每個實驗項目都是物理經(jīng)典,只要善于挖掘,了解其前世今生,就能達(dá)到知識與科學(xué)元素有機(jī)結(jié)合,教學(xué)效果就會事半功倍.如此,不僅全方位拓展了實驗物理教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度,還突顯了工科物理實驗教學(xué)的思政特色.

2.3 實施分層次漸進(jìn)階梯式教學(xué) 拓展實驗內(nèi)容

以往的工科物理實驗課基本是整齊劃一的教學(xué)模式,這就導(dǎo)致有的學(xué)生“吃不飽”,有的學(xué)生“吃不了”.每個大學(xué)生的實際水平、能力和目標(biāo)都是不一樣的.教育就應(yīng)適應(yīng)大學(xué)生的個性化需求,分層次教學(xué)必不可少.

工科物理實驗課課程設(shè)計的第一階梯應(yīng)是一般性的基礎(chǔ)物理實驗項目,能很好地銜接高中物理實驗項目內(nèi)容,也為后面的實踐課程進(jìn)行一定的知識儲備,起到承上啟下的作用;其第二階梯應(yīng)該是綜合性物理實驗項目,依據(jù)教育部工科物理實驗教學(xué)大綱來統(tǒng)籌各實驗項目,最好把類似或同類型實驗項目同室設(shè)置,讓學(xué)生加深理解,這樣啟發(fā)性更強(qiáng).這也同時為不同專業(yè)的學(xué)生開設(shè)與專業(yè)課程相關(guān)的實驗項目打下了基礎(chǔ),使得知識體系一脈相承,有利于今后的實踐創(chuàng)新活動;其第三階梯應(yīng)該是提高性物理實驗項目,適當(dāng)安排一些近代物理實驗和綜合設(shè)計部分,實驗室提供各實驗儀器模塊,學(xué)生根據(jù)要求自己完成組裝設(shè)計,不預(yù)設(shè)任何前提,沒有約束限制,更加自由與開放,也有更大的想象和創(chuàng)造空間,這就能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性;最后的第四階梯應(yīng)該是課外實驗創(chuàng)新部分,希望通過完整的實驗實踐訓(xùn)練后,學(xué)生能調(diào)動潛在的積極創(chuàng)造性,依據(jù)課題項目或為解決某一實際需求對現(xiàn)有實驗裝置進(jìn)行改進(jìn)或自己設(shè)計組裝創(chuàng)新作品,并參加各種創(chuàng)新型賽事,檢驗成果.

這樣就能依據(jù)全校理工相關(guān)專業(yè)的本科生現(xiàn)狀進(jìn)行不同層次的實驗教學(xué),完善分類分層次的課程體系為不同學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了立足于基礎(chǔ)、逐步提高、創(chuàng)新設(shè)計、綜合開發(fā)與應(yīng)用、獨立研究等類型的實驗,形成穩(wěn)定的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式,使學(xué)生逐步掌握物理實驗基本知識和技術(shù),培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實驗?zāi)芰蛯嵤虑笫?、勇于探索和鉆研的科學(xué)素養(yǎng),切實提高學(xué)生今后獨立工作、設(shè)計和創(chuàng)新能力.每個實驗項目內(nèi)容的設(shè)置都是采取從易到難,從基礎(chǔ)到綜合再到提高,直至創(chuàng)新階段,形成漸進(jìn)式階梯內(nèi)容拓展模式,達(dá)到普通學(xué)生強(qiáng)基礎(chǔ),一般學(xué)生上水平,優(yōu)秀學(xué)生玩創(chuàng)新,真正實現(xiàn)“因材施教”的教學(xué)理念.

2.4 設(shè)立全天候自主開放實驗室 開展創(chuàng)新實踐活動

為了在實驗課程完成后,讓有興趣的學(xué)生還可以繼續(xù)在實驗室進(jìn)行實踐創(chuàng)新活動,還必須建設(shè)一間配備常用工具、常用儀器的全年開放的創(chuàng)新實驗室,這是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新與工程能力的關(guān)鍵.當(dāng)學(xué)生完成從一般性實驗到綜合性實驗再到提高性實驗的系列訓(xùn)練后,一些結(jié)合全國各種創(chuàng)新大賽項目信息會在線上發(fā)布,有興趣的學(xué)生可以自由組隊,承接里面的題目,也可以自己選擇課題,提交到網(wǎng)上.實驗中心會組建由不同專業(yè)背景且經(jīng)驗豐富的教師組成創(chuàng)新教學(xué)團(tuán)隊,先進(jìn)行網(wǎng)上評審,選擇優(yōu)秀的項目進(jìn)行資助,并指派專門的教師進(jìn)行一對一指導(dǎo),并開展定期匯報和創(chuàng)新教學(xué)團(tuán)隊集體評議的方式推進(jìn)項目,不斷改進(jìn)與優(yōu)化項目作品.有計劃地組織學(xué)生參加國內(nèi)外創(chuàng)新大賽,漸進(jìn)提高大學(xué)生的工程實踐能力.

通過以上有效的組織和運行機(jī)制,從創(chuàng)新信息發(fā)布到學(xué)生提交方案論證再到啟動項目,以及定期進(jìn)行的交流評選,這就讓一些有興趣實踐的學(xué)生從一年級直至畢業(yè)一直把“全天候自主開放實驗室”作為第二課堂.學(xué)生通過自己的思考動手完成自己設(shè)計的作品,不僅鍛煉了創(chuàng)造性能力,提升了想象力,也會極大地提高學(xué)生對物理實驗的興趣和熱情,也為大學(xué)生各種創(chuàng)新大賽儲備技術(shù)能力和人才,以期培養(yǎng)出一批拔尖有創(chuàng)新能力的學(xué)生,為國家輸送滿足新時代需求的工程創(chuàng)新人才[7].

3 教學(xué)改革目標(biāo)

新工科物理實驗課程體系實現(xiàn)了“預(yù)備實驗+平時+期末+拓展+創(chuàng)新”的多維度的綜合考評機(jī)制,具體采取了“實驗預(yù)習(xí)(含線上預(yù)習(xí))+實驗報告”+“實驗操作”+“現(xiàn)場實驗考試”+“創(chuàng)新實驗”+“課程思政”+“拓展加分”等的多種成績評判.通過網(wǎng)上視頻資源和與之相適應(yīng)的教材體系建設(shè),形成了“網(wǎng)上課堂”與現(xiàn)場實踐教學(xué)相得益彰的教學(xué)效果,強(qiáng)化了實驗室多媒體網(wǎng)絡(luò)化教學(xué),教師的教學(xué)與學(xué)生的學(xué)習(xí)都能夠充分運用現(xiàn)代信息技術(shù),拓寬了實驗教學(xué)空間,有利于學(xué)生的個性化培養(yǎng),更優(yōu)化了教師與學(xué)生的網(wǎng)上互動系統(tǒng),統(tǒng)一了教師與學(xué)生網(wǎng)上互動端口與平臺,促進(jìn)了師生之間互動交流的智能化管理,形成了新形勢下的工科物理實驗課程體系.

4 總結(jié)

在新工科物理實驗課程急需變革的背景下構(gòu)建了以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)的新模式.在實驗的基礎(chǔ)階段、拓展階段、提高階段目標(biāo)明確,重在落實.

在基礎(chǔ)實驗階段,著眼夯實基礎(chǔ),注重對學(xué)生的基礎(chǔ)知識進(jìn)行補(bǔ)牢,強(qiáng)化基本實驗技能;在實驗拓展階段,強(qiáng)調(diào)各知識間的融會貫通,對做過的實驗重新審視,提出新的創(chuàng)意,在原有實驗的基礎(chǔ)上延伸拓展;在實驗提高階段,要求學(xué)生拓寬思路,創(chuàng)新實驗,多維度培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與實踐能力,夯實“大國工匠”精神.