大學物理實驗供給側改革探索與實踐

張 勇, 劉存海, 郭 冰

(海軍航空大學 基礎實驗部， 山東 煙臺 264001)

0 引 言

我校大學物理實驗從1992年開始獨立設課，25年來，先后經歷了4次大規模的實驗室搬遷和實驗設備升級改造。目前共有實驗設備1 000余臺套，面向全校各層次學生開設實驗項目58項，年均教學6萬人時。25年中，大學物理實驗課程建設成果豐碩，實驗室建設水平顯著提升，師資隊伍結構日趨合理。大學物理實驗課程被評為海軍優秀課程、山東省優質課程，大學物理實驗室被評為全軍示范實驗室，大學物理實驗教學團隊被評為海軍優秀教學團隊。在取得成績的同時，應清楚地看到，還有一些不可回避的問題清晰地擺在我們面前。學生的學習積極性不高、學習動力不足的問題仍然大面積存在；學生的學習能力和創新能力距離新時期強軍目標要求還有很大差距；課程建設水平始終沒能取得大的突破，還有很大的改進空間。

1 大學物理實驗供給側改革的內涵

供給側是經濟領域的一個專有名詞，包含勞動力、產品和服務。2016年1月，習近平主席在主持中央經濟體制改革領導小組會議上明確提出經濟體制改革的重點在于供給側結構性改革。北京師范大學劉堅教授認為，“教育產業也應該進行供給側改革，去除落后產能，優化供給結構，提高供給能力”。供給側改革是一種方法論，大學物理實驗供給側改革是把這種普遍的方法論與大學物理實驗課程的具體教學實踐相結合，是理論聯系實際的一次具體實踐[1-4]。教育是一種服務，教育產業供給側改革關鍵是要明確教什么，怎么教。國內學者目前的研究方向大都集中在教育產業[5-10]和大學層面[11-14]的供給側改革，具體結合一門課程進行供給側改革尚未見諸報到。大學物理實驗供給側改革就是要研究該課程的教學內容、教學模式、師資水平等要素中還有哪些結構性問題，有沒有落后產能，有沒有供給方式不合理和供給能力不足的問題，從而進一步優化教學內容，改善教學模式，提高教學能力，促進課程建設水平的提高和學生培養質量的提升。

2 大學物理實驗供給側存在的問題分析

從供給側來看，大學物理實驗在實驗項目設置、課程教學模式和實驗教學能力等方面還存在著供給結構不合理、供給方式單一、供給能力不足的問題，同時也存在一定的落后產能。

(1) 知識與能力定位錯位，存在供給結構不合理問題。大學物理實驗課程標準對每個實驗項目都明確提出了實驗目的，而這個目的的著眼點側重于實驗的知識框架和達到的程度指標。這種表述是建立在應試教育基礎上的知識目標，是要求學生做什么事，做到什么程度，并不是實驗教學的能力目標。單純的從知識的角度去建構學生的能力必然會導致能力目標定位不準確、不清晰的問題，尤其是當一種能力可以由多種知識建構，一種知識可以作為多種能力載體的時候，就不可避免的產生知識重復而能力單一或者能力重復而知識單一的問題。知識與能力定位的錯位反映了大學物理實驗供給結構的不合理。比如分光計調整與使用項目中要求調整望遠鏡光軸與載物臺主軸垂直，鋼絲彈性模量測量實驗、金屬熱脹系數測量實驗都要調整望遠鏡光軸與光杠桿反光鏡鏡面垂直。這3個項目在內容要求上各有個性，一個是利用分光計測量三棱鏡的最小偏向角，另一個是測量金屬絲的抗拉伸性，最后一個是研究材料的熱膨脹性質，而這3個項目在能力要求上又具有共性，都是培養學生同一個能力，就是調整光學系統的等高垂直。將同一個能力分散到三個不同的實驗中去，獨立地看每個項目的知識點不同，但聯系起來看，能力要求又存在著大量冗余。應該深刻認識到，從能力培養的角度看，物理學科只是一個載體，力學、熱學、電學、光學只是一個載體，每一個實驗項目也只是一個載體，能力培養要依賴于具體的載體，但卻要跳出載體從更高的視角去認識。要從能力建構的視角來觀察和審視實驗項目，才能避免單純的知識堆砌。大學物理實驗供給結構改革就是要從能力供給的角度去看待物理學科和實驗項目，改變以知識為中心的實驗項目編排方式，圍繞學習能力培養和創新能力培養的總目標，按照能力逐級遞升的順序開設物理實驗項目，每個實驗項目確定一種能力培養指標，各指標之間最小重復，甚至可以建立以能力為中心的專題實驗項目群。

(2) 部分實驗項目老舊，存在局部落后產能問題。大學物理實驗課程實驗項目的取舍基本依據是教育部2004版“大學物理(含實驗)課程教學基本要求”和2007版“軍隊院校基礎實驗室建設標準”中關于開設實驗項目和各類別實驗項目數量比例的建議。例如“要求和標準”中規定的實驗項目包括長度量、密度、透鏡焦距、電阻等傳統測量實驗項目。由于近幾年高中教學條件的逐步改善，相關實驗項目很多學生在高中已經做過，大學物理實驗再重新開設就存在著重復學習的問題；但又由于高考指揮棒的副作用，很多學生高中階段沒能透徹的掌握該類實驗項目，大學物理實驗課程又有重新教學的必要。老舊的實驗項目、老舊的測試手段是一種落后產能，如何去掉或者轉化落后產能提出了新的要求?？捎袃煞N做法：① 提升教學理念，使老舊項目煥發新的生機。比如透鏡焦距測量實驗如果單純的停留在一倍焦距、二倍焦距成像和牛頓薄透鏡公式的層面上，它就是一個舊項目；但若轉換觀念，從誤差控制的角度去研究，如果要求透鏡焦距測量誤差小于1%，那么物距、像距該怎么選擇，這就是一個新的課題；再如密度測量實驗，如果單純從密度定義式和阿基米德定律去審視也是中學的內容，而從張力傳感器定標、實驗中材料表面氣泡影響、載物筐細絲影響角度去審視又是一個新的項目。② 積極運用現代測試技術，改造老舊項目。相關“要求和標準”中在確定實驗項目的同時積極鼓勵將現代測試技術和測試手段運用到實驗教學中。在電阻測量實驗中如果還是使用伏特表和安培表測量電壓和電流，這就是一個落后項目，如果運用數據采集卡測量各種電學量，再利用計算機進行實驗數據處理和作圖既實現了老舊項目的升級，又在教學中融匯了計算機應用技術。再如長度測量實驗，在原有直尺、游標卡尺和千分尺的基礎上，增加激光測距儀、激光測角儀的使用，既能使實驗內容更加飽滿，又能使學生接觸到現代測試設備，一舉兩得。

(3) 教學過程個性化設計不明顯，存在供給方式不靈活的問題。在多年的教育實踐中，我們一直把教育的目標定位于培養什么樣的人。為了促進社會的進步和發展，這種目標定位表象上看是正確的。但是在設計這個目標的時候恰恰忽略了教育的需求者，也就是人的個體差異。把所有的受教育者按照同一模具，塑造成統一的樣子，并沒有尊重教育需求者本身的個體差異。而這種忽略了個體差異的教育必將導致受教育者被動接受，教學過程沉悶、教學效果不高。湖南師范大學校長張楚廷教授對大學教學課堂上的沉悶狀態深度擔憂，他說，“課堂本是激發頭腦風暴的地方，但是它卻寂靜得令人可怕”。實驗教學的沉悶，表象上是學生學習積極性不高，學習動力不足，學習態度不端正，而深層次上反映的是實驗教學工作者供給的產品不對路，供給的方式得不到認可，供給能力還有待提高。目前的實驗教學模式盡管較以前有很大的改善，在基本實驗、綜合實驗和設計性實驗等不同階段分別采用了精講精練、少講多練、不講自練等方式，但仍然脫離不了教師主導課堂、主導學生思維的慣性。實驗教學的基本模式仍然停留在圍繞教材編寫教案、設計幻燈片，按照順序流程，將每一個實驗項目的實驗目的、實驗原理、實驗設備和實驗方法步驟逐層展開的單一教學模式。教學過程中學生仍然處于一個被動的“聽”的地位。實驗教學模式單一，也就是作為供給側的教師供給方式單一，供給方式不靈活，沒有針對不同的個體需求提供個性供給，沒有針對不同的實驗項目設計個性供給。改變實驗教學供給方式就是要改變課堂教學模式，大膽的探索多種教學教學模式相結合的思路。比如可以采用學生代替老師的模式組織教學。預先布置和指導一名學生熟悉一個實驗項目，并要求其準備教案和教學幻燈片，在適當的時候由該名學生給一組學生講解和指導一個實驗項目的方式，這種做法一方面可以提高該學生參與實驗學習的熱情，另一方面由于是學生與學生之間的交流，也可以提高其他同組學生參與實驗討論的熱情。還可以采用自選設備模式組織教學。首先由教師提出一個寬泛的實驗題目，題目中不涉及具體的設備和方法，并提供實驗室可選設備和器材清單，組織學生分組研討方案、選擇設備，自行設計和完成實驗，教師跟蹤過程并作適當指導，最后采用分組答辯的方式進行教學驗收，這種教學模式可以充分發揮學生的主觀能動性，提高學生知識檢索和實驗安排的能力。

(4) 師資隊伍創新教學能力不高，存在供給能力不足問題。熊宏齊教授將實驗對于創新型人才培養的作用歸納為4個方面，即創新意識、創新思維、創新技能、創新品格。創新是物理教育本質的自然回歸，符合素質教育的理論和實踐的要求。實驗滲透著方法教育，對養成良好習慣，訓練意志品質有積極作用，是提高素質的重要途徑。而解決創新型人才培養問題的關鍵在于教師，在于教師的創新教學能力。目前的實驗教學過程，教師關注點在于如何將書本的知識、實驗內容告訴學生，如何指導學生完成實驗內容，而并沒有將著眼點放在培養學生學習能力和創新能力上。知識是無窮盡的，是永遠學習不完的；相反，恰恰是能力的培養才是終生受用的。一個實驗不重要，一個知識點也不重要，重要的是學習能力和創新能力。而對于學習能力和創新能力的培養重點就是要求實施教師轉型。教師是實驗教學的供給主體，教師轉型要求廣大教師除了要具備經典的傳道、授業、解惑等教學基本素養以外，還要具備創新素質，做到科學與人文并重、基礎和創新融通、規范和個性并存，鼓勵和引導學生去發現實驗設計、實驗方法、實驗結論及數據處理中的問題，并能夠從多種角度去解釋這些問題，在引導過程中促進學生去發現更多的問題，并創造性的利用掌握的知識來解決新的問題。比如霍爾效應實驗中一般教學對于負效應的消除的方法是總結4種負效應隨著磁場方向和工作電流方向的改變的變化規律，再根據消減法則合理改變勵磁電流和工作電流的方向，疊加計算消除負效應，實驗中需要改變4次電流開關的組合方式。但教學中如果嘗試引導學生去發現這4種負效應以及霍爾效應有什么共同點，發現隨著工作電流和磁場方向的改變，愛廷豪森效應和霍爾效應變化方向相同，而能斯特效應和里紀-勒杜克效應變化方向相同，不等位電壓獨立變化，這樣原有的4種負效應按歸類處理的思想重新規劃，只要改變兩次開關組合方式，在采用消減法則即可得到霍爾效應，這種創新思路：① 更符合物理上的歸類處理思想，使各種負效應間的關系更明確；② 可以達到簡化操作步驟的目的，甚至還可以在這種思想引領下進行實驗設備的創新改造。再如三線擺測量剛體轉動慣量實驗中[11]，傳統的方法是采用轉動慣量疊加原理，利用總的轉動慣量減去無載荷時的下圓盤轉動慣量得到待測剛體的轉動慣量，這種方法中將相關長度量、重力加速度、質量和周期等物理量作為參考標準，但如果采用下圓盤無載荷時的轉動慣量作為參考標準，因其是規則柱體，可以通過其質量和半徑直接計算得到，再采用總轉動慣量與無載荷時轉動慣量的比值關系來計算待測剛體的轉動慣量，既可以減少對相關長度量的測量，也不需要考慮當地重力加速度，達到減少測量，提高精度的目的。

3 大學物理實驗供給側改革的實踐

從2014年開始，課程組從課程標準、教學內容、教學模式、師資隊伍培養和學生創新能力培養等5個方面著眼供給側存在的問題，實施精準改革，舉洪荒之力，進行了大量的實踐探索，取得了良好的效果。

(1) 創新課程標準。以學生學習能力和創新能力培養為主線建立彈性課程標準，從能力評價入手倒逼學生學習能力和創新能力的提升，改變以往規定學時、規定項目、規定考核方式的死板做法，做到項目數量和項目性質選擇權力放寬、項目執行學時和學習方式放寬、課程考核方式和考核時間放寬，進一步加強能力指標建設，能力評價標準從嚴。逐步建立了學生實驗能力指標體系和實驗能力評價體系，并在2016級學生中進行了評價試驗。建立了課程標準動態修改制度，平均每年修改1次課程標準，年更新實驗項目數量不低于5%，引進新的實驗項目和實驗技術、淘汰落后的實驗項目和實驗技術。

(2) 新編《大學物理實驗》教材。自編《大學物理實驗》教材1部，2015年3月由國防工業出版社出版。全書以全新的理念和視角對大學物理實驗教學內容進行了重新組織。突出學習能力和創新能力培養這個主題，按照物理學的二級學科分支這條主線，從基本器材和經典儀器入手，超越儀器設備型號限制，主張自主搭建實驗環境，強調實驗方法的通用性和普適性，注重實驗文化生成和軍事素養培樹。全書共包含100余種實驗方法和200余項實驗任務，涵蓋了軍隊院校大學物理實驗教學基本要求中的全部內容。作為海軍航空工程學院大學物理實驗教材已使用4 000冊，其他部隊院校作為教參使用100余冊。教材在亞馬遜、天貓、京東等知名網站上公開銷售。

(3) 創新課堂教學模式。從20個基礎實驗項目中選取6個項目作為教改樣本。以研討式實驗教學法為基本切入點，結合各實驗項目特點，凝練教學問題，完善教學過程，分別形成了以探究式、研討式、翻轉課堂為主的教學設計案例及配套教學資源。將4個項目在不同組的學生中分別進行了教學應用試點。對比試驗表明課上學生自主操作的時間占比由1/2增加至2/3，學生自主發現問題數量較對比組平均提高了10%，其中由自主問題衍生的創新主題平均提高了5%，部分主題已產生創新成果，并在各類競賽中獲獎。學生自主發掘問題的能力有所提高，問題范圍由單一的設備操作擴展為實驗設備改進、實驗方法對比、實驗對象轉換、數據處理多樣化等多個方面。

(4) 培養“雙師型”教學隊伍。建立了實驗教學隊伍培養5年規劃，確定了“工程師+講師”師資隊伍培養計劃。通過選派教員外出學習或進修，系統解決能力不足問題；選派教員外出參觀或調研，系統提升教員的知識閱歷；選派教員外出參加各類教學競賽和比賽，系統了解外校教學情況，借鑒優秀教學經驗；聘請外校專家進校講學，擴大優秀經驗的普及面，專家領域不僅局限于物理學，還包括教育學、軍事領域和企業精英。3年中共聘請5名外校專家來教研室講學，選派5名教師到外校進修，參加各級各類教學競賽12人次，獲得各級各類獎項6項，參加各類學術會議和教學研究會議12人次，召開內部教學研討會40余次，共發表學術研究論文和教學研究論文100余篇，大學物理實驗課程組被確定為海軍優秀教學團隊。

(5) 開展創新實踐活動。從2010年開始，課程組以軍隊院校物理創新大賽和山東省大學生物理創新大賽為牽引，以學院“探索之路”選修課程為依托，以“礫石”物理創新俱樂部成員為核心團隊，構建了“大賽牽引、課程依托、團隊支撐”的大學生物理創新活動組織體系。6年中共申報實用新型專利1項；組織學生參加軍隊院校物理創新大賽2屆、山東省大學生物理創新大賽4屆，獲得特等獎2項，一、二、三等獎49項；推出創新型實物作品100余項，開發三維虛擬物理實驗項目20個，學生獨立發表學術研究論文5篇，共有462名學生參與到物理創新活動。

4 結 語

大學物理實驗課程供給側改革是一個需要不斷探索和完善的主題，尤其是針對供給側存在的問題還要進一步分析和細化，對供給能力的培養還需要進一步在制度化、精細化上下功夫。進一步提高廣大教師對課程教學供給側改革的認識，高度重視學生創新能力的培養，提高供給質量，進而提高人才培養質量，滿足未來高技術戰爭對創新型軍事人才的需求。

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