分層次遞進式物理實驗教學新模式的實踐

蔣立勇 李相銀 徐永祥

(南京理工大學物理實驗中心,江蘇南京 210094)

分層次遞進式物理實驗教學新模式的實踐

蔣立勇 李相銀 徐永祥

(南京理工大學物理實驗中心,江蘇南京 210094)

落實與實踐大學物理實驗課程基本要求,積極優化課程結構,改進物理實驗課程對人才的培養模式,是培養學生實驗與創新能力、保障課程培養質量的重要前提.以《理工科類大學物理實驗課程教學基本要求》為指導,我們提出了分層次遞進式的實驗課程教學新模式,經多年實踐證明,該模式有利于激發學生的實驗興趣和拓展實驗研究個性,滿足不同層次、不同專業學生對實驗能力和創新能力培養的需要,為全面提升物理實驗課程在人才培養中的作用和地位發揮了積極的作用.

分層次遞進式;物理實驗教學;學生能力培養

新時期大學物理實驗課程如何適應對人才培養目標的需要?為此,《理工科類大學物理實驗課程教學基本要求》(以下簡稱《基本要求》)在課程的地位、作用、任務與教學內容、能力培養、分層次教學等方面提出了基本要求[1],為課程體系、內容的改革與重組提供了依據,體現了大學物理實驗課程的時代性、特色性及在人才的科學素質培養中應有的地位和作用.

《基本要求》中,第四部分提出了分層次教學基本要求,第五部分提出了教學模式、教學方法和實驗學時的基本要求(各學校應積極創造條件,開放物理實驗室,在教學時間、空間和內容上給學生較大的選擇自由.為一些實驗基礎較為薄弱的學生開設預備性實驗以保證實驗課的教學質量,為有余力的學生開設提高性實驗,提供延伸課內實驗內容的條件,以盡可能滿足各層次學生求知的需求,適應學生個性發展).

要落實《基本要求》,就需要理解分層次教學的內涵,調整課程體系、課程教學方法及課程考核方法,優化教學的時間和空間.在此基礎上,提出了“分層次遞進式”物理實驗課程教學新模式,更好地將課內學時與課外學時有機結合,克服了傳統的物理實驗教學模式的不足之處,如忽視實驗能力和創新精神的培養,學生實驗存在效率不高和被動性實驗占主導的現象.“分層次遞進式”物理實驗教學新模式有利于激發學生對實驗的興趣和拓展實驗研究個性,滿足了不同層次、不同專業學生對實驗能力和創新能力培養的需要,為全面提升物理實驗課程在人才培養中的作用和地位提供了重要手段.

1 分層次遞進式教學模式與課程體系、內容有機結合

所謂“分層次遞進式”,是指將課程體系與內容的展開“層次化”,使課程內容與教學方法的實施按由淺入深、由基礎到研究的秩序進行,使課程的實施逐步“遞進化”[2].分層次遞進式教學模式突出了學生的主體地位,轉變了教與學的關系.其特點與作用表現在:教學新模式→轉變學生學習方式,加強學生自主性學習和研究性學習能力培養→體現課程教學對人才培養的新模式,重點突出學生科學素質的培養.

分層次遞進式教學模式有利于促進教師由單純教學逐步向教學與科研并重的方向發展,有利于改變優秀學生雖然對物理實驗感興趣,但缺乏必要的教學與科研有機結合的教學環境這個客觀現實;有利于促進學生在整個本科階段學習物理實驗的主動性,引導學生確立自身的學習目標、拓寬知識面、掌握技能、敢于實踐、敢于批判;有利于拓展學生的實驗研究個性,為積極優化課程教育結構、提高實驗教學質量和為學生實驗技術水平提供了理論與實踐依據.

以《基本要求》為指導,針對本科生自主性學習和研究性學習的特點,我們將分層次遞進式教學模式與物理實驗必修、選修課的教學有機結合,采用三個實驗教學層次并依次展開:基礎性實驗→提高性實驗→研究與創新性實驗.

1)基礎性實驗,包括:①以基本實驗方法、基本實驗技能、實驗思想訓練為主的基本物理量測量的普及性實驗;②以逐步培養學生自主性學習為主題的開放性基礎實驗(包括預備性實驗、網上實驗及多媒體課件實驗等).

基礎性物理實驗難度不高,但內容豐富,建議先介紹各種常規的實驗方法,再安排單元實驗,每一個單元圍繞一個主題,“實驗方法”由一組不同的實驗內容組成,引導學生由淺入深,把自主性學習能力的培養作為實驗教學的重點,由簡單到復雜地去解決一些實際問題.每個實驗做完后提出一些“漸近討論題”,要求學生認真學習和研究.該方法比較適合大學低年級學生實驗能力的培養,有利于學生逐步克服為單純追求實驗數據而進行實驗的不良方法.提倡在實驗過程中培養實踐思維能力、重實驗過程和遞進式的學習新方法.將基礎性實驗思維得到的概念、方法與技巧,通過“再生性思維”的實踐,使之“再認識”和“再升華”,最終達到培養和提高其科學實驗素質的目的.

通過基礎性實驗,在加強三基本訓練的同時,逐步培養了學生自主學習實驗內容、重視實驗過程、掌握實驗方法與實驗技巧、解決實際問題的能力,有效地克服了學生為單純追求實驗數據而被動實驗的弊端.

2)提高性實驗,包括:①同一個實驗中綜合應用了多種實驗方法和技術的“綜合性實驗”;②由學生按題目和設計要求自行設計方案并獨立完成全過程的“設計性實驗”(完成方式:課內與課外相結合).對于綜合性實驗的訓練,以三個“結合”為核心,以逐步提高學生科學實驗素質為教學目標,這三個“結合”分別是:

(1)綜合性實驗與現代化教學手段相結合

充分利用網絡技術和多媒體教學軟件,例如實驗中心網站、精品課程網站等,不斷豐富教學資源,拓寬教學的時間和空間,為適應學生個性化教學,提高學生科學實驗素質提供良好的教育教學環境.教學過程中,根據實驗的內容和性質,合理配置CCD攝像、顯示系統及多媒體等手段,開展仿真實驗,提高了實驗內容的直觀性和實驗效果;與此同時,利用網絡手段開展在線答疑等教學互動,拓寬了教學渠道.

(2)實驗技能的訓練與實驗設計方法及實驗技術的進展相結合

作為基礎課的物理實驗,其目的與作用并不是粗略地去驗證理論的正確性,而是在進行綜合實驗方法訓練的同時,培養學生科學的實驗素質.在實驗內容的安排上,注重實驗技能訓練與實驗設計的原理、方法有機結合,前者突出實驗技能訓練,后者突出儀器整體結構設計的訓練,這樣的培養方法有利于學生科學實驗素質的培養與提高.

在實驗類型與實驗內容的安排上,將綜合性實驗與新技術實驗有機結合(在實驗訓練中,觀摩現代技術測量儀器).原則上每個實驗大類配置1～2臺反映現代技術水平并與物理實驗原理、方法緊密結合的儀器,例如在長度或微小量測量的物理實驗中,配置了激光測距儀、數字式水準儀等;在物理光學類實驗中配置了光柵光譜儀、橢圓偏振測厚儀等.通過綜合性實驗的訓練與觀摩現代技術實驗儀相結合,有利于學生在實驗過程中了解現代物理實驗技術的發展及應用;有利于拓寬學生實驗技術應用的知識面,引領學生站在新技術實驗領域高度去審視實驗技術發展的過程,激發學生對實驗的興趣,培養學生的實驗研究個性.

(3)“遞進式”課程教學模式與學生科學實驗素質的培養相結合

“遞進式”教學模式,有利于引導學生由淺入深,將自主性學習與研究性學習能力的培養有機結合,促進學生在實驗中解決新問題的能力.現舉個別教學案例供參考.案例1:關于薄膜厚度的測量.通過基礎性實驗的教學,使學生們掌握了劈尖干涉法;通過提高性實驗的訓練,使其學會了基于邁克耳孫干涉儀的白光干涉法;通過研究性實驗的指導,又使其領會了橢圓偏振法.案例2:光柵的應用.在衍射光柵實驗的基礎上,又進一步引導學生思考能否用兩塊光柵常數相同的光柵構成光柵腔,去測定平板玻璃的折射率和光束相干性?總之,科學的教學方法與循序漸進的教學模式,激發了學生的求知熱情,提高了學生的科學實驗素質和創新意識.

為更好地實施“遞進式”教學新模式,在綜合性和設計性實驗教學實施之前,需要預先組織編寫一些典型的實驗教案,對實驗原理、方法和實驗過程進行透徹剖析,按分層次、遞進式擴展的培養思路,提煉實驗構思方案,為培養學生綜合實驗能力奠定良好的實驗教學基礎,提高學生對實驗方法和實驗綜合運用的能力,使其逐步積累在實驗工程技術中廣泛應用的現代物理技術,如激光技術、傳感器技術、共振技術、微弱信號檢測技術、納米材料和薄膜制備技術等.

按分層次教學的流程,設計性實驗是在學生完成基礎實驗內容后開設的.在此階段,首先由實驗室給出設計性實驗題目和設計要求,然后由學生自行確定實驗原理和實驗方法,自己選擇測量條件及配套的相關儀器及元器件,并在測量基礎上給出數據處理方法,由此形成一套較為完整的實驗設計方案.

在設計性實驗教學過程中,為使學生更好地掌握設計性實驗的原理與方法,建議每學年由教師給出相應的設計性實驗項目20個左右,并按設計性實驗訓練的流程,提前供給學生,便于學生進行準備,如查閱文獻、消化資料、展開討論、擬訂方案等,以期提高設計性實驗的效率.

實踐表明,通過提高性實驗的學習,能夠活躍學生們的物理實驗思想,強化其實驗設計的能力.可以說,提高性實驗是一次再學習和再深化的過程.

3)研究與創新性實驗

研究與創新性實驗的目的,是在提高性實驗基礎上,通過對學生的科研基礎訓練,進一步提高其科學研究素質,錘煉其創新能力.訓練的形式與內容主要有下述兩類:

(1)組織若干個圍繞基礎物理實驗的研究課題,以學生個體或團隊形式并以科研方式訓練完成的研究與創新性實驗項目.

(2)結合教師科研項目,進行科研基礎訓練,在教師引導下,以學生個體或團隊形式完成的研究與創新性實驗項目.

研究與創新性實驗是激發學生創新意識、培養學生科研能力的重要途徑,它有利于學生在接受科研工作能力基本訓練的同時,養成嚴肅認真、實事求是的科學作風,從而為培養高素質并具有創新精神的人才提供初步平臺.

為了更好地體現物理實驗課程對學生實驗能力和創新能力的培養作用,進一步完善和實施創新教育思路、方法與課程結構、體系、內容的有機結合,《基本要求》已作了有關說明,建議有條件的學校在必修課程之外開設1～2門物理實驗選修課,實驗內容面可以寬一些,技術手段應先進一些,以滿足各層次學生需要.積極創造條件,開辟學生創新實驗的第二課堂,加強對學生創新意識和創新能力的培養,鼓勵和支持拔尖學生脫穎而出.

學生科學實驗能力和創新能力的培養,需要兩個方面同時并舉.作為教師,一方面,除應掌握廣博的知識外,還應樹立先進教育理念,探索和研究創新性人才的概念及其基本特征.如,新時期下的創新人才體現在:能夠適應時代的特征與潮流,具備時代所要求的品德、智能,能夠創造性地運用所學知識及所訓練的技能,克服以往實驗中存在的忽視實驗能力和創新精神培養的不足,在學習中,善于思考、不迷信盲目,不畏懼權威、敢于提出異議.

另一方面,要培養學生的科學實驗能力和創新能力,還應大力研究和探索基礎研究階段創新性人才的培養模式.針對本科生自主性和研究性學習特點,本著激發學生研究與創新性實驗興趣和拓展其實驗研究個性的目標,我們提出了研究與創新性實驗的指導思想,即“激發學生實驗興趣及拓展實驗個性是研究與創新性實驗目的,注重實驗過程創新是創新性實驗的原則,總結創新性實驗的成敗原因是創新性實驗的結果”.這種指導思想的提出,目的在于培育學生勇于批判、敢于實踐、善于創新的精神.

2 為配合分層次遞進式教學模式,開展“三開放一優先”舉措,為學生實驗能力和創新精神的培養,營造開放服務的實驗教育教學環境

在分層次遞進式教學模式基礎上,我們凝煉了一批精品實驗課程和科研成果轉化而來的教學研究項目(含教師在研的科研項目中的子課題),面向全校本科生以“三開放一優先”方式實施.為此,在對研究與創新性實驗原理、方法和實驗過程進行透徹剖析的基礎上,組織編寫了典型的實驗教案,并按分層次遞進式培養的思路,提煉出研究與創新性實驗項目及構思方案,強化學習者對所學知識進行梳理、總結和升華,從零星知識到知識集成,從紙上談兵到實際鍛煉,逐步挖掘學習者的潛能,有效提升了學習者不斷積累知識和技術解決新問題的能力.“三開放一優先”措施表現在:

(1)實驗中心或實驗室所有儀器設備面向學生開放,利用實驗教學示范中心網站發布所有儀器設備名稱、用途和圖片等.有些儀器設備采用展板形式掛在實驗走廊,展板的內容包括實驗原理、用途、儀器設備的主要性能及測試參數等.在實驗內容及類型設計中,注重三基本訓練與科學實驗素質相結合,例如將原理性實驗與整體結構性實驗有機結合,前者突出三基本訓練的實驗思想,后者突出儀器整體結構設計的訓練,這種方法有利于學生實驗設計能力的培養.又如,基礎實驗儀器與新技術設備并存,原則上每個實驗大類(按力、熱、電、磁、光、近代物理實驗)配置 1～2 臺能夠反映現代技術水平和實驗原理、方法緊密結合的儀器設備,通過基礎性實驗的訓練和現代技術設備的觀摩相結合,有利于學生在接受三基本訓練過程中了解現代技術的發展及應用,有利于拓寬學生現代技術實驗內容的知識面,引領學生站在新技術領域高度來思考物理實驗的原理、方法與技術,有利于激發學生的實驗興趣、拓展學生的實驗研究個性.

(2)所有開設的物理實驗必修和選修課程及實驗內容面向全校本科生開放.利用精品課程網站,開辟一個開放及資源豐富的網絡教學環境,不斷豐富課程資源,拓寬教學的時間和空間.網站主要內容包括:實驗課程信息介紹,多媒體課件,仿真實驗,查詢,問答以及教務問題等,以適應不同層次、不同專業學生對實驗能力培養的需求.

(3)教師的科研和學術思想面向學生開放.期間在硬件(科研成果引入教學)和軟件(提供一些研究性與創新性實驗項目,包含實驗內容提示,建議研究的思路、方法等內容)上同步進行.

(4)一優先:為激勵學生的學習熱情和創新精神,將學生的課程創新成果優先推薦參加校、省乃至全國各類大學生創新競賽.“三開放一優先”措施的開展,促進了課程創新教育與學生科學素質培養的有機結合.

3 分層次遞進式教學模式與教材編寫有機結合

配合分層次遞進式教學模式,編著出版了相應的教材,為提升課程教學質量給予了保障.正如一部好戲,必須有一部好的劇本一樣.教材體系及結構要適應分層次遞進式教學模式的要求,教材內容要體現時代性、特色性和實用性的特點.在多年教學實踐和教改的基礎上,按照分層次與遞進式的原則,我們編寫了普通高等教育“十一五”國家級規劃教材《大學物理實驗》[3],它突破了傳統課程教學對人才培養認識的局限性,針對本科生自主性學習和研究性學習的特點,以物理實驗課程融于整個本科生培養過程為指導,將基礎性實驗→提高性實驗→研究與創新性實驗的分層次遞進式內容模式為教材編寫的線索,適度地將科學研究的新思路、新方法、新內容與物理實驗課程有機結合,安排了一批立意高、創意新、與現代科技緊密結合且有工程應用特色的物理實驗項目.

4 結束語

分層次遞進式教學模式體現了學生的主體地位,轉變了“教與學”關系,克服了傳統課程教學模式的不足,改變了學生對物理實驗課程認識的局限性,改變了優秀學生雖然對物理實驗感興趣,但缺乏必要的教學環境和訓練指導的客觀現實,適應了不同層次、不同專業學生對實驗能力和創新能力培養的需要,為將物理實驗課程融于本科生整個培養過程創造了良好的教育教學環境,為全面提升物理實驗課程在人才培養中的地位發揮了重要作用.

[1] 理工科類大學物理實驗課程教學基本要求.教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會,2008

[2] 李相銀等.大學物理實驗課程基本要求實施和完善體現時代性、特色性、實用性[J].物理與工程,2008,18(3):4～6

[3] 李相銀,徐永祥,王海林等.大學物理實驗[M].北京:高等教育出版社,2009

THE CONSTRUCTION AND PRACTICEOF A NEW MODEL FOR SUCCESSIVE PHYSICS EXPERIM ENT TEACHING OND IFFERENT LEVERS

Jiang L iyong L i Xiangyin Xu Yongxiang

(Physics Experiment Center of Nanjing University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210094)

It is an impo rtant p rem ise to train the student’s experimental and creative abilities as w ell as to ensure the teaching quality via fulfilling the basic requirementsof co llege physical experiment course,actively op timizing the course structure,and reforming the talent fostering mode of physical experiment course.According to the guidance of the basic requirements for physics experiment science and engineering universities teaching,we have p roposed a new model for successive physics experiment teaching on different levers.Practice during several years has p roved that this model is helpful to excite the students’interest in experiments,extend the students’individuality in experimental studies,and satisfy the training requirements of experimental and creative abilities for students w ith different levers and specialties.

different-levers and successive type;physics experiment teaching;students’ability fo rmation

2010-01-26)