大學物理實驗分層次教學模式的探索與實踐

王世燕 袁順東 張亞萍

(中國石油大學(華東)理學院,山東 青島 266580)

大學物理實驗分層次教學模式的探索與實踐

王世燕 袁順東 張亞萍

(中國石油大學(華東)理學院,山東 青島 266580)

為促進大學物理實驗在培養學生實踐能力及創新能力等方面的作用,本文對大學物理實驗的分層次教學模式進行了探索和實踐。以分光計實驗為例，在深入挖掘實驗內涵的基礎上對實驗內容進行了模塊劃分，具體包含基礎模塊、專業模塊及創新模塊3個部分，結合學生專業及個人能力進行分層次教學，將自主學習的方式貫穿于整個實驗過程。經實踐證明，針對具體實驗項目實施分層次教學有利于激發學生的實驗興趣，滿足不同專業、不同層次學生對實驗能力和創新能力培養的需求,有助于創新型人才的培養。

分層次教學；分光計；創新能力

高等教育以創新教育為核心,以培養學生的創新精神和創新能力為基本價值取向,是培養創新人才的教育[1]。大學物理實驗是教育部確立的大學理工科專業6門基礎必修課之一，是學生進入大學階段后接觸的第一門基礎性實驗課程。在培養新型人才的過程中，物理實驗教學不僅是學生掌握基礎知識和基本技能的重要方式，也是培養學生創新能力的重要途徑。

然而近幾年來，大學物理實驗教學正面臨著嚴峻的考驗：首先，由于高等學校招生規模的不斷擴大，生源的知識水平參差不齊；其次，出于種種原因，大學物理實驗教學學時不斷地被壓縮，這迫使對有些重要的基本概念和基本規律只能直接傳授給學生，至于其如何產生、如何引入等啟發性內容缺乏時間介紹；第三，素質教育對大學物理實驗教學提出了更新更高的要求，一個好的實驗項目除自身所具有豐富的實驗內涵外，還應對學生的專業素養、創新能力起到良好的指導作用[2]。因此，改革實驗教學模式、合理設計教學體系十分必要。

1 大學物理實驗分層次教學的意義

近年來，隨著大學物理實驗教學的長足發展，分層次實驗教學已獲得普遍共識并被許多高校所采用。分層次教學包含兩個層面的內涵，一方面依據實驗項目的難易程度進行整合劃分，包括基礎性實驗、綜合性實驗、設計與研究性實驗[3,4]等。其中基礎性實驗教學重點在于加深學生對理論知識的掌握，培養學生的基本實驗技能,包括實驗態度、操作方法等；綜合設計性實驗側重于強化專業操作技能，培養學生運用所學知識分析和解決實際問題的能力，進而提升實驗興趣和創新意識；設計與研究性實驗旨在培養學生的創新意識和科研精神。另一方面，對某一實驗項目按照由淺入深、循序漸進的教學方式進行通識教育和精英培訓也是分層次教學的體現。 例如周小巖[5]等對太陽能電池精品實驗項目構建了3個階段培養體系,按照循序漸進的方式設計教學內容和教學方式,將學生創新能力的培養有序地貫穿于整個精品實驗過程。盛力[6]等通過增加實驗元素、提升實驗形式等方式對傳統的水處理實驗項目“混凝實驗”進行了分層次教學嘗試，這些成功的教案都為物理實驗教學提供了借鑒和經驗。

2 立足培養目標，針對具體實驗項目實施分層次教學

2012年，中國石油大學(華東)在廣泛開展校內外調研和系統總結辦學經驗的基礎上，提出“三三三”本科教育培養體系，即辦學定位的三型(精英型教育、特色型教育、研究型教育)、培養目標的三化(全面化成長、個性化成長、最大化成長)、教學方式的三性(學習性教學、研究型學習、開放性交流)[7]。在該思想的指導下，我校物理實驗中心(以下簡稱“中心”)在系列課程建設、教學模式優化及考核機制等方面作出了積極的探索和實踐[8-11]。作為課程建設的重要組成部分，分光計實驗教學一直受到“中心”的高度重視，為促進創新人才的培養，“中心”對分光計的分層次教學模式進行了探索與實踐。

分光計實驗的授課對象是全校理工科學生，受專業影響，學生的知識層次有所差異且授課學時也不同，其中工科“大學物理實驗”授課時間為3個學時，理科“普通物理實驗”及實驗班“基礎物理實驗”授課時間均為4個學時。原實驗項目未采用分專業授課，其教學內容及教學方法區分不大，學生往往機械地照搬書本內容，并未對實驗有更深入的思考，不利于學生創新意識的培養。鑒于此，教學團隊將分光計實驗項目劃分為3個教學模塊。第一模塊為衍射光柵光譜特性研究；第二模塊為光的色散特性研究；第三模塊為設計實驗,針對不同專業的學生采用不同的教學模塊，如圖1所示。

圖1 分光計實驗教學體系示意圖

2.1 夯實基礎，培養基本實驗技能

基礎物理實驗內容是研究型教學的載體，包含2個層次的基本任務: 首先是使學生掌握基本的科學實驗技能 (包括思想、方法及規范)及常規儀器的使用；其次是通過多次獨立完成實驗的鍛煉, 逐步提高學生分析問題與解決問題的能力,進而提高其創新能力[12]。

模塊1為基礎實驗內容，主要針對工科專業學生開展，重點在基礎知識的掌握和基本技能的培養。在基本實驗方法訓練中，掌握用實驗開展問題研究的思路和方法。該部分內容主要采用教師講解的方式，通過增加衍射光柵、擴充實驗光源等方法開闊學生視野，豐富實驗內容，如圖2所示為不同規格的光柵衍射圖像，可以明顯地看到衍射條紋的疏密變化。實驗過程中首先要求直觀地觀察衍射圖像，然后掌握理論進行相關計算。培養方案如圖3所示。

圖2 不同常數光柵衍射圖像

圖3 衍射光柵光譜特性研究培養方案示意圖

模塊2對光路的調節要求較高，數據處理相對繁瑣，主要針對理科及實驗班學生開展。實驗授課采用教師為主導、學生為主體的教學方法，重點在強化實驗理論和操作技能上，調動學生的主動性與實驗興趣，比如學生在研究三棱鏡的色散光譜時會考慮到單一光源及復色光源的區別，用實驗方法驗證了同一種材料對不同波長的光折射率不相同的結論，培養了學生的自主學習能力、綜合實驗能力、數據處理及圖像分析能力等。培養方案具體要求如圖4所示。

圖4 光的色散特性研究培養方案示意圖

2.2 拓展實驗設計，培養學生創新技能

實驗內容的改革創新是激發學生實驗興趣、培養創新人才的重要途徑[13,14]。該過程主要以研究課題的形式訓練學生的綜合能力，包括課題的可行性分析、自主設計、儀器改進等，全面培養學生的綜合實驗能力。

通過模塊1、2的訓練，選拔具有較高實驗操作能力的學生進入模塊3的創新訓練中，如圖5所示。該部分內容由指導教師以研究型課題的方式提出實驗設計的內容。實驗過程中學生以2～3人為一個研究小組，從研究課題的可行性分析、到實驗光路的搭建、實驗儀器的設計以及實驗結果的分析均以小組討論的方式進行。在討論的過程中，激發學生積極思考、主動學習的能力，同時鍛煉和提升學生的創新意識。例如在研究光的偏振特性過程中，學生發現利用光纖實驗中的光電轉換器通過功率計可以準確地找到反射光線的最弱位置；在液晶光柵衍射特性的研究中，學生將分光計運用到液晶光柵衍射角的測量中，使原來對于液晶光柵尺寸的估算變得科學準確，這既提高了實驗儀器的利用率，又加強了各實驗間的相互聯系；在液體折射率測量的過程中，學生發現使用長方形液體容器無法觀測到折射光線，進而通過理論計算設計出合適的容器進行實驗，最后得到了滿意的實驗結果，如圖6所示。

圖5 分光計設計性實驗示意圖

圖6 利用分光計測量透明液體的折射率

2.3 實驗考核模式

實驗考核辦法是學生實驗的指揮棒，正確合理的考核辦法能在規范學生實驗過程、激發學生實驗興趣、提高學生實驗能力等方面發揮重要作用[15]。根據培養目標的不同，實驗考核采用多元化的考核體系。工科專業學生主要采用三段式考核模式,其中預習報告占20%,課堂操作占40%,實驗報告40%。 預習和課堂操作成績直接由任課教師在教學過程中給出，其中課堂操作成績包括實驗儀器的規范調整、實驗數據的準確測量等。實驗報告要求在一周內提交，內容包含實驗數據的整理和結果分析。理科專業學生要求以創新大作業的方式提交課程論文，包含實驗過程、實驗問題的討論、實驗心得體會和PPT答辯。研究型課題的考核包含文獻調研、開題、實驗過程、結果分析和PPT答辯。答辯評委由教授、任課教師、指導教師等組成，在這一過程中學生的科研思維得到鍛煉，有利于人才的后續培養。

3 結語

本文對分光計實驗的分層次教學進行了探索和實踐。根據學生專業采用不同的培養目標，同時以研究課題的形式培養學生的創新意識和綜合實驗能力。該教學模式自運行以來已取得不錯的教學效果，基于該項目已指導學生發表論文數篇[16,17]，且項目的部分成果在2015年度山東省物理科技創新大賽上獲得一等獎。由此可見，深挖實驗內涵，提升教學方式是實現傳統實驗項目培養創新人才的重要途徑。

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EXPLORATION AND PRACTICE OF HIERARCHICAL TEACHING MODE IN COLLEGE PHYSICS EXPERIMENT

Wang Shiyan Yuan Shundong Zhang Yaping

(College of Science, China University of Petroleum, Qingdao Shandong 266580)

In order to promote the function of college physics experiment in cultivating students’ practical ability and innovation ability, the hierarchical teaching mode in college physics experiment is explored and practiced. Taken the spectrometer experiment as an example, by excavating the contents inside, the experiment contents are divided into three modules, including basic module、professional module and innovation module. These modules are taught to students according to their majors and personal ability, and the autonomous learning method is carried throughout the whole process. Practice has proved that the hierarchical teaching mode for specific experiment is helpful to excite the students’ interest in experiments, satisfy the training requirements of experimental and creative abilities for students with different levers and specialties, and it is helpful to cultivate innovative talents.

hierarchical teaching; spectrometer; innovation ability

2016-09-01

山東省自然科學基金(J1510114)；教育部大學物理課程教指委立項教學研究項目(DWJZW201603hd)中國石油大學(華東)精品實驗教學項目(JS201608)；中國石油大學(華東)重點教改項目(JYA201616)。

王世燕，女，實驗師，主要從事大學物理實驗管理及教學科研工作,wangshiyan@upc.edu.cn。

王世燕，袁順東，張亞萍. 大學物理實驗分層次教學模式的探索與實踐[J]. 物理與工程，2017，27(2)：47-50,55.