全程及全員創新體驗式物理實驗教學改革的探索與實踐

霍中生，姚列明，鄔邵軼，郭袁俊，李朝霞，李業鳳

（電子科技大學 物理實驗中心，四川 成都 610051）

1 教改前物理實驗教學存在的問題

大學物理實驗是高校的核心基礎實踐課程，在建設創新社會的大環境下，教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會發布的2010版“理工科類大學物理實驗課程教學基本要求”［1］已經明確指出，大學物理實驗系列課程的具體任務不僅是培養學生的基本科學實驗技能，提高學生的科學實驗基本素質，使學生初步掌握實驗科學的思想和方法，還要培養學生的科學思維和創新意識，使學生掌握實驗研究的基本方法，提高學生的分析能力和創新能力。結合電子科技大學建設研究型大學的實際需要和社會對創新人才培養的需求［2］，在受益面大的演示、基礎和綜合層次引入創新能力培養的教學內容已經是刻不容緩。

電子科技大學物理實驗中心是四川省高校實驗教學示范中心，是校內最大的基礎實驗教學中心之一。物理實驗中心的主要任務是面向全校低年級本科生開設“大學物理I／II”演示實驗、“大學物理實驗I／II”等必修基礎實驗課程教學（見表1）。這些課程主要強調物理知識的理解、基本實驗技能和科學素質的培養，特點是基礎性強、受益面大，選課學生約5 000人，年授課約30萬人時。2008年以前，這些課程基本沒有涉及創新思維和創新能力的培養。同時，中心也是應用物理專業實驗室，承擔了本專業的幾門專業實踐課程（見表1），特點是專業性強，創新能力培養在課程中的所占的比重大，但受益面相對狹窄。中心形成了龐大的教學受眾和資源與完成少量創新能力培養受益之間的矛盾。

表1 物理實驗中心開設實踐課程一覽表

2 在低層次實驗課程中加強創新能力培養的可行性

傳統的層次化教學將創新能力培養放在高層次［3－4］（見表1），或專門劃分一個“創新層次”［5］，默認了低層次教學只是機械地、循序漸進地學習基本科學實驗技能、提升科學實驗基本素質，這其實在心理學和教育法中沒有明確依據，只是教師根據傳統教育的儀器設備、經驗和自身知識、素養和能力限制，簡單地一刀切的結果。事實上低年級本科生，甚至中學生發明創造、競賽獲獎的比例逐年提高，反證了低年級本科生有興趣、有能力進行發明創造，如果不能在大面積基礎實驗課中增加創新能力培養的內容，將可能限制大多數普通學生的思維發展，使他們的創新激情得不到應有發展。考慮到大面積基礎課受眾巨大、可影響到全校理工科各專業學生的長遠發展，所以在低層次實驗課程中加強創新能力培養不僅是必要的，也是可行的［6］。

3 創新體驗式教學的重要性及實施方案

根據馬斯洛高峰體驗學說［7］，采用體驗式教學能自然激發學生的創新激情和潛能［8］，這與創新能力培養的目標不謀而合。在創新能力培養方面采取體驗式教學主要體現在創新能力的評定標準上。大多數本科生，特別是低年級學生的創新能力并不高，或者說設計或研究基本達不到學術界和工程界公認的獨創性或新穎性，如果以公認的獨創性或新穎性作為學生創新能力的評定標準，必將嚇退并挫傷大多數學生的創新積極性。創新體驗式教學就是設立適合于入門和基礎能力評判的多等級階段性標準，只要對學生自己具有創新性工作的特征即可。創新體驗教學以課程為載體加以恰當難度的考核，是對學生進行規模化創新能力培養的有效途徑。

3.1 基于課堂的創新體驗式教學

在課堂教學的封閉范圍內，通過啟發，學生能口頭或書面回答對自身、對同學、對教材是“獨創”的問題，就完成了一次創新體驗。創新體驗式教學實施的關鍵是問題的新穎性，確保所提問題及答案學生事先不知道，必須通過思考、討論、或實驗測試、歸納數據后得到答案。因此，此類問題不擬在書本中明確提出，而由教師在實驗過程中在學生沒有準備的情況下提出，促進學生快速、關聯式思考，再適度啟發學生，把握思考解題的進度和節奏，會起到很好的教學效果。由于創新的排他性，當第一個學生回答了單解問題的正確答案后，其他學生就沒有機會繼續這個問題的研究，所以基于課堂的創新體驗式教學也可以采取卷面回答的形式，會起到好的教學效果。

3.2 基于課程的創新體驗式教學

由于學生在課外查閱資料的機會很多，抄襲的機會也很多，所以研究課題的選取非常重要，必須保證研究課題的平臺性、新穎性、差異性和開放性。平臺性是基于課程的、規模化、高效率創新能力培養的保障手段；新穎性可以確保學生不會直接查閱到研究結果；差異性就是要求每個學生的研究方向或設計指標不一樣；開放性允許學生的研究結果深淺不一，具有個性化，也可以避免同班學生之間抄襲實驗報告。

4 全程化創新能力培養方案

在低層次實驗課程中加強創新能力培養是可行的，但是也不能盲目樂觀，畢竟擴招后本科生整體素質下降。教學規律和前期經驗證明，大部分低年級學生仍然需要由淺入深、循序漸進式的溫和教育才能逐步掌握所授內容，因此創新能力培養應貫穿大學全部實驗教學層次，在這里稱之為全程式創新能力培養。

創新能力是運用知識和理論，在科學、藝術、技術和各種實踐活動領域中不斷提供具有經濟價值、社會價值、生態價值的新思想、新理論、新方法和新發明的能力［9］。低年級學生由于各方面的知識、經驗比較缺乏，單純培養創新能力一是空洞，二是無法與現有大面積課程相融合，所以，創新能力培養的層次化體現在與課程和實驗內容的有機結合：

（1）學習層次。學習前人的創新經驗。講授經典實驗在當時的科學背景下是如何被創新出來的，現有實驗是如何通過創新，巧妙地解決并改進了制造、調試和測量問題。學習層次應用最廣泛，可貫穿任何層次化課程的任何實驗。

（2）批判性思維培養［10］層次。批判性思維是創新的動力之一，遇到任何問題都能提出問題，給出創新建議，就具有最基本的創新能力。一個高層次課題研究實驗可能包含許多次批判性思維才能得到一個合理的結果［11－12］。我們規定學生對現有任何實驗都要提出改進建議，使他們逐漸養成批判性思維的習慣。批判性思維的培養也可貫穿任何層次化課程的任何實驗。

（3）低級創新實驗層次。完成額外的創新體驗式設計性實驗內容。不指定參考資料，學生在課內根據現有實驗條件自己提出實驗方案、完成數據測試并得到實驗結果。低級創新實驗層次是適用于大面積教學的、面向全體學生的課程化、標準化創新能力培養方法，我們在每個實驗考核中增加了15%“操作附加分”和15%的“數據處理附加分”就是鼓勵學生積極完成每個實驗中附加的設計性實驗內容。

（4）中級創新實驗層次。為基于課程的創新體驗式設計或課題研究。在共性設計或研究平臺下，完成個性化設計作品或研究論文。該層次的創新能力培養主要由各學院、各專業實驗課程完成。應用物理專業主要是“課題研究型物理實驗”。

（5）高級創新實驗層次。是個性化的創新實驗層次，可以應用于科技競賽培訓或任一課程層次的個性化培養，比如課程設計、畢業設計為載體的新實驗研發、教學儀器設計等，不適用于大面積教學，但卻是超出創新體驗式教學的真正具有獨創性和新穎性的創新實踐。該層次的創新能力培養由各學院、各專業實驗室、科研課題組完成。

5 全員化創新能力培養方案

全員式創新能力培養的目的就是利用好物理實驗中心規模大、受益面寬的優勢，充分發掘課程潛力，以全程式創新能力培養為主線，以創新體驗式教學為抓手，既是全程式創新能力培養和創新體驗式教學的必然結果，也是全程式創新能力培養和創新體驗式教學的內在動力，使全校理工科學生從一年級開始就全部普及創新能力培養并貫穿始終。全員式創新能力培養要求所有任課教師和學生參與，特別是“演示層次”和“基礎和綜合層次”面向全校進行標準化教學，突破了過去教學改革僅限于個別教師和少數班級的小范圍示范的做法，使全校理工科學生受益。

（1）教師科研化。如果教師沒有科研學術背景，空談創新是不恰當的［13］，科研使教師對創新及其背景知識有深刻的理解［14］，再加上定期的教研研討［14］，才能勝任全員式創新能力培養。

（2）教學課程化。只有課程化教學，教師、儀器、實驗室空間資源才能滿足全校學生的需求，所以凡是面向全校的大面積創新實踐教學都要首先考慮教學效率和教學資源的承受度問題。

（3）教材更新常態化。創新能力培養就是要突出一個“新”字，教材也不例外，基于課程的創新體驗式教學用教材應每學期更新研究課題；基于課程的創新體驗式教學用教材也應經常修編，不斷補存科學史、發明史、創新方法，實驗的擴展內容也應不斷更新。

（4）儀器模塊化。多年來受制于教學儀器的商品化，簡單、高可靠、易維護的儀器受到廠家的追捧，結果是儀器一體化傾向明顯，被形象地稱之為“黑匣子”，學生既看不到儀器的結構組成，也沒有機會改變參數或組件，在培養創新能力方面效果不好。必須反其道而行之，將儀器進行模塊化重構，實在不能拆解的模塊要做到透明化，使學生能感觸到儀器的組成結構，在此基礎上，才適合展開素材豐富的全員式創新能力培養。

（5）管理精細化。由于創新能力培養和考核中教師難以標準化地掌握獨創性和差異性的度量，因此課程負責人的管理責任尤為重要，不僅要修訂好大綱，而且教案中每個實驗如何引入相應層次的創新能力培養及考核細節、實驗儀器的改進等也是不可或缺的。

6 教改的實踐效果

經過幾年的探索實踐，全程及全員創新體驗式大學物理實驗系列課程教學改革，已經在物理實驗中心開設的全部實踐課程中展開教學實踐，最大的受益者是全校一、二年級的理工科學生，這正是我們的預期目的。目前，同名教改項目獲得學生、教師和學校的一致好評，被評為2011年校級教學成果一等獎并推薦四川省教學成果獎。具體成效如下：

（1）演示實驗課堂化。改變以往只在實驗室做演示實驗，且只有英才班、雙語班選課的情況，從2009年起，演示實驗逐步走進大學物理課堂，受益面從原來的每學期約200人激增到目前的約2 300人，創新體驗明顯，受到廣大學生歡迎，目前正在擴充實驗儀器，爭取所有理論課堂開設演示實驗。

（2）大物實驗差異化。作為教改最重要的主體，“大學物理實驗I／II”逐步增加了創新能力培養的比重，改變了以往教材細致、詳盡、內容千篇一律，將基本物理實驗和經典性實驗原理寫入教材，而將具體實驗內容、方法、要求寫入教學指導書，并將實驗內容分成必做和選做2部分，選做內容不再提供實驗方法或只寫簡單的方法提示。指導書堅持每學期修編，確保內容的新穎性。通過專題討論會等形式，不間斷地對每一個實驗進行探討，挖掘創新點，總結成系列問題，進行啟發式、創新體驗式教學，取得了良好的教學效果。在考核方面，每個實驗增加了基于創新內容的附加分，操作（滿分40分）附加分6分、數據處理（滿分40分）附加分6分，極大地激發了學生課內、課外創新的積極性，課程成績穩步提升，到課率近100%，是全校到課率最高的課程之一。全校學生對教師的評價平均達到優秀，其中2012年全年平均90.22分，90分以上教師的比例達到67%。

（3）科技活動常態化［15］。創新體驗已經深入進行，一、二年級本科生進入實驗室改進儀器、開發新實驗，經常性利用演示和普通物理實驗平臺開展各種競賽培訓。2012年在中心參加的科技創新培訓14項，教研項目4項，參與學生人數達49人；2012年組織CPUT校內選拔賽培訓57個參賽隊共162人，最終我校隊取得了全國總評第3名的好成績（特等獎2名，一等獎第1名）。

（4）儀器研發共同化。創新帶動了教師、學生共同參與研發新實驗、新儀器的積極性，先后研發26種教學儀器，其中獲全國演示儀器評比二等獎1項、全國教學儀器評比三等獎1項，學生參與新實驗研發5項。

（5）師資隊伍優質化。創新打破了教學和科研的界限，提升了教師將科研應用于教學的積極性，也穩定了教學隊伍，提高了教學質量。目前任課教師中參與科研的有10人，帶領學生課外科技創新的8人，校級優秀主講教師3人，校級優秀青年教師4人。

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［1］教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會.理工科類大學物理課程教學基本要求 理工科類大學物理實驗課程教學基本要求［M］.北京：高等教育出版社，2011：10－12.

［2］電子科技大學.特色研究型大學培養拔尖創新人才的實踐和探索［EB／OL］.（2012－03－21）［2013－07－12］.http：／／www.moe.edu.cn／publicfiles／business／htmlfiles／moe／s6339／201203／132827.html.

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