羅格斯大學工科物理實驗課程教學特色與借鑒

常　睿,　周亞亭,　趙勤賢

(1.常州工學院 a.教務處;b.數理與化工學院，江蘇 常州 213032； 2.常州工程職業技術學院 建筑工程學院，江蘇 常州 213164)

0　引　言

物理學是一門以實驗為基礎的學科，物理概念的建立和物理科學原理的發現，都必須以實驗事實為依據，物理科學原理也必須經得起科學實驗的檢驗[1-3]。物理實驗基本儀器的使用是工科專業人員的基本技能，物理實驗極富探索性和實踐性的特點，使得它成為培養學生創新和實踐動手的重要手段[4-6]。正因為這些原因，在國內外很多高校工科專業中，物理實驗是一門很重要的基礎課程。

美國羅格斯·新澤西州立大學(Rutgers, the State University of New Jersey，簡稱羅格斯大學)是一所國際著名的高校，物理實驗是該校工科專業必修的基礎課程[7-9]。但無論是物理實驗的課程安排還是教學實施，羅格斯大學與國內高校都有很大的不同，尤其是學生自主合作進行實驗活動的教學模式，有效促進了學生自主學習能力和團隊精神培養，提升了物理實驗課程教學成效。

1　羅格斯大學工科物理實驗課程教學情況簡介[10-12]

在羅格斯大學，物理實驗課程由隸屬藝術與科學學院的物理與天文學系管理并組織實施。該校為工科專業開設的物理實驗課程，主要有普通物理實驗和分析物理實驗兩種，它們都是開設兩學期且每學期延續10周的1個學分的課程。普通物理實驗和分析物理實驗的區別主要在于兩個方面：①前者涉及經典物理學的內容較多(共18周)，而涉及近代物理學和原子物理學的內容很少(各1周)；后者則在減少了經典物理學內容(共12周)的同時，增加了近代物理學和原子物理學的內容(各4周)。②分析物理實驗與普通物理實驗相比，其實驗數據的處理要求有更高的數學分析能力。

物理實驗課程的指導教師，由學校專任教師或經過專業訓練的研究生助教來擔任。在每次學生實驗操作開始前，指導教師通常會用10～15 min，對實驗原理和實驗所用儀器操作方法等進行一個簡單的說明。當學生開始實驗操作后，除學生特意請求指導教師的幫助外，從設計實驗步驟、實驗儀器操作到實驗數據的記錄與處理分析、直至最后完成實驗報告的撰寫，整個實驗過程都由學生自行處置。此外，指導教師每學期會隨機6次在物理實驗課堂教學中，利用前15～20 min，對學生前期實驗內容進行書面小測驗，來檢查學生的學習效果。

2　羅格斯大學工科物理實驗課程教學特色

2．1　自主合作進行實驗活動的教學模式

學生可根據學校計劃的教學班級設置，結合自己的時間安排和所在校區等情況，自主選擇物理實驗教學班級。物理實驗課程開課前至少一個學期時間，物理與天文學系就會把電子版的物理實驗指導手冊和實驗報告模板，放置到校園網上供學生下載自學。一個物理實驗課程教學班的學生最多不超過30人，課堂教學時一般每3個學生自由組合成一個實驗合作學習小組，在事先自學物理實驗相關學習材料的基礎上，完全通過小組成員自主進行的合作活動，來共同完成每一次的物理實驗。

在每周的物理實驗課堂教學過程中，一個學生實驗合作學習小組，必須在包括課堂小測驗和教師統一指導在內的3 h課堂教學時間內，合作完成一個物理實驗活動的全過程。學校嚴格規定各實驗合作學習小組間不得抄襲實驗報告或數據，認為即使是同一實驗，不同小組的實驗結果和實驗報告組織風格也會有所不同。對于有抄襲嫌疑的實驗合作學習小組，指導教師將根據實驗報告與其他組相似程度，按情節輕重最低判以零分的成績。為督促學生在物理實驗課堂教學時都能參與到實驗活動中去，在同一實驗合作學習小組的所有學生，將根據全體成員在實驗過程中共同活動的綜合表現，被判定相同的實驗報告成績。

2．2　學生同伴學習與教師指導有機結合

在工科物理實驗教學中，學生主要通過實驗合作學習小組這種同伴學習的形式，來完成物理實驗課程的學習。當學生在實驗過程中遇到組內學生無法解決的問題時，也可通過請教實驗指導教師來獲取幫助。但由于1個指導教師要同時面對25個左右學生，因而指導教師不可能細致入微地關注和指導每個學生參與實驗的全過程。而由多個學生組成的實驗合作學習小組來完成同一個實驗的教學形式，小組每個成員都可以通過與同組同伴之間討論交流、相互啟發，來獲取所需要的解決方法，進而順利完成實驗任務。

人是社會性動物，①學校中指導教師與學生在社會階層上的地位差別，影響了教師對學生進行溝通指導的有效性。②同組實驗學生之間相似的社會閱歷和生活背景，使得他們在心理上有更好的相融性，而學生需要合作完成實驗的共同任務，更使得學生之間能夠平等有效地進行相互溝通和學習。在這種同伴學習過程中，相互之間的探討和指導更加有效，學生的學習積極性更高，因而取得更好的教學效果。

2．3　引入現代科技成果，激發了學生的學習興趣

羅格斯大學物理實驗課程與我國高校一個非常大的差別，是在實驗過程中大量使用各種傳感器，包括力傳感器、運動傳感器、角運動傳感器、溫度傳感器、壓強傳感器、磁場傳感器等，替代傳統測量工具來測量各種物理量，同時還大量使用虛擬仿真實驗來幫助學生掌握實驗原理和方法，用圖形化的數據記錄和分析處理軟件來自動記錄、分析和處理實驗數據[11-12]。這樣的做法，在強化學生知識結構中物理學原理與現代工業技術之間有機聯系的同時，也顯著降低了學生完成實驗操作、處理實驗數據的工作強度和難度。因而通過物理實驗課程，強烈地激發了學生學習與探究現代科技的興趣，同時有效地促進了學生應用現代科學技術和工具解決實際問題能力的培養。

2．4　為學生自主學習和完成實驗提供方便[11-12]

與我國高校采用正規出版的物理實驗教材不同，包括羅格斯大學在內的許多美國高校，物理實驗課程教學中大多使用實驗指導教師自編的實驗指導手冊和虛擬仿真實驗。這樣做的好處:①學校可以根據最新科技發展，來迅速更新物理實驗的內容；②實驗指導教師可針對教學中學生存在的共性問題，及時在實驗指導手冊和虛擬仿真實驗中進行彌補或調整；③物理實驗指導手冊和虛擬仿真實驗，是基于學生物理實驗的真實環境和設備條件，充分考慮了學生的知識能力特點的基礎上編寫的，多數學生在物理實驗指導手冊和虛擬仿真實驗的指引下，就能順利地完成實驗的全過程。為向學生宣傳環境保護的概念，學校還特別向學生聲明，考慮到保護環境和珍惜森林資源，不推薦學生使用紙質的物理實驗學習資料。

2．5　客觀合理地對學生進行學業評價

該校工科專業物理實驗課程成績，由平時的物理實驗報告成績(占比60%)和物理實驗小測驗成績(占比40%)兩部分加權平均而成。10次物理實驗報告的平均成績即為實驗報告的總評成績；去除最低的一次外其他5次小測驗的平均成績，則作為物理實驗小測驗的總評成績。由于學生最終的實驗成績是由很多次成績按規定比例加權平均得到的，這種做法在很大程度上避免了教師主觀判斷和偶然因素對學生成績的隨機影響，因而對學生的學業評價更加客觀合理。此外學生為順利完成實驗任務并得到較好的實驗報告和小測驗成績，不得不主動在每次物理實驗課堂教學前進行預習，課后再去復習鞏固課堂教學的實驗內容。這種對學生學業的評價方式，有效地把握了學生自我實現心理的需要，提高了學生課后自主學習提高的自覺性[13-16]。

3　羅格斯大學工科物理實驗課程教學體系對我國高校的借鑒意義

3．1　學習自主合作進行實驗活動的教學模式

在很多國內大學物理實驗教學時，教師首先對實驗的要求、儀器操作和數據處理的方法等，作一個詳細的介紹或演示，然后再由每個學生按照教師講授或教材列出的實驗步驟，來完成從實驗操作到撰寫實驗報告的全過程。在學生完成實驗的過程中，教師則在實驗教室內來回巡視，根據學生提問或在學生實驗中發現的問題，為學生提供個別輔導。這種實驗教學模式很大程度上扼殺了學生的學習自主性，學生主動學習的積極性也很低，學生間缺乏甚至不存在合作與交流，不利于學生團隊合作精神的培養。

羅格斯大學物理實驗課程的學生，在自由組合的實驗合作學習小組中，通過共同合作的自主活動來完成實驗。這種共同合作活動在較好培育團隊合作精神的同時，很大程度上消除了學生對學習過程的抵觸情緒，提升了學生對教學過程和教學效果的滿意度，有效促進了學生創新意識和創新能力的培育，提高了人才培養的質量。這種實驗教學模式，在中國高校加強內涵建設的今天，有積極的實踐參考價值。

3．2　自編電子化的物理實驗教材(包括虛擬仿真實驗)

當前我國大多數高校使用的物理實驗教材，雖然已經開始引入傳感器等現代技術的使用，但物理量的測量還以傳統的測量工具為主。實際上，現代傳感器技術很多已經是成熟技術，把傳感器與計算機技術相結合，能自動完成測量數據的采集和處理，測量方法簡便而且測量精度很高。在物理實驗中引入傳感器測量技術和數據自動采集、處理技術，最突出的一個優點是能使物理實驗的教學跟上現代技術發展的潮流，幫助學生理解物理學原理與現代工業技術之間的密切關系，激發學生探究現代工業技術方法和原理的興趣，促進學生應用現代科技解決實際問題能力的培養。

我國高校在物理實驗中使用自編教材和虛擬仿真實驗，①能夠及時將最新的科技發展反映到物理實驗教學內容中去；②能夠及時根據學生可能的學習困難，修訂物理實驗教材內容，幫助學生更好地自學實驗教材，順利完成實驗教學任務，提升教學質量。借助虛擬仿真實驗，學生可輕松地通過課前或課堂自學，掌握實驗原理，設計出合理的實驗操作方案，直至自主完成實驗全過程。此外，環境友好的無紙化電子教材，在節約資源的同時也減少了學生購置教材的成本。

3．3　對學生實驗過程中個人表現進行考核

我國高校物理實驗成績的考核，有的取學生每次實驗報告的平均成績，有的則加上一次最終的實驗考試成績進行加權平均后評定(如果一次考試成績在總評成績占太大比例的話，會使評定的成績具有相當大的隨機性)。很少有學校在平時的物理實驗課程教學中，對學生已經學過的實驗內容進行測驗或考試。此外國內高校物理實驗授課班級人數較多，因而實驗指導教師也不可能在課堂教學過程中，準確考察每個學生完成實驗的表現，綜合考慮到實驗成績的考核中去。由于沒有測驗考試和迅速高質量完成實驗以獲得較高成績的心理刺激，學生缺乏在課外時間預習和復習鞏固物理實驗內容的心理動力。

如果我們采用羅格斯大學類似的做法，則能夠減輕或避免上面提到的學生課后缺乏學習積極性。采用多次考核成績加權平均的方法，也能減少各種隨機因素對學生學習表現的影響，更為客觀地評定學生物理實驗課程的學業成績。此外，如果我國高校教師在物理實驗課堂教學過程中，記錄各位學生在其實驗合作學習小組中的活動表現，并綜合考慮到實驗合作學習小組全體成員的實驗報告成績評定中，那么對學生的實驗成績考核，將能更真實地反映每位學生的學習情況，并有利于督促每個學生以更積極的姿態，參與到共同合作的實驗活動中去。

4　結　語

知識與技能的獲得，終究是一個需要學習者主動內化的活動。因此，物理實驗課程教學過程中要取得最佳教學效果，必須激發學生自主學習的激情和興趣。與此同時，現代化大生產的復雜性和人的社會性，決定了人們必須與他人一起共同進行生活、生產甚至是研究活動。因此培養學生與他人協商合作，合力完成同一工作任務的團隊合作精神和能力，已經成為學校教學工作的一個重要任務。

羅格斯大學在物理實驗中引入現代傳感器技術和信息處理技術的做法，使學生能對物理學原理與現代科技之間的密切聯系有深刻的體驗，在物理實驗教學中彰顯技術和時代進步的潮流，對于學生培養學習物理學和物理實驗的興趣，提升應用現代科學工具和技術解決實際問題的能力。開發和使用電子化的校編教材和虛擬仿真實驗，在保障物理實驗內容緊跟科技和時代發展趨勢的同時，能夠根據學生能力和發展的需要，更大限度地提升對學生學習的幫助和指導作用。

增加平時物理實驗小測驗的次數，結合物理實驗報告成績加權平均的物理實驗成績評價方式，在更為客觀合理評定學生學業成績的同時，也刺激了學生利用課外時間來預習和復習鞏固物理實驗內容的積極性。如果能在實驗課程教學過程中，記錄每個學生的課堂表現并綜合考慮到學生的實驗成績評定中去，那么對學生的實驗成績考核將更為客觀合理，并能促使每個學生更加積極地投身到合作學習小組的共同實驗活動中去，因而能進一步提升教學效果。

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[7]https://www.timeshighereducation.co.uk/world-university-rankings/2015/world-ranking#/

[8]http://www.topuniversities.com/qs-world-university-rankings

[9]http://www.rutgers.edu/

[10]http://www.physics.rutgers.edu/ugrad/labs/

[11]http://www.physics.rutgers.edu/ugrad/labs/schedule-s14.html

[12]http://www.physics.rutgers.edu/ugrad/labs/schedule-f14.html

[13]http://www.physics.rutgers.edu/ugrad/labs/general.html

[14]https://rlc.rutgers.edu/

[15]https://rlc.rutgers.edu/student-info/group-and-individual-academic-support

[16]https://rlc.rutgers.edu/mslc/physics