基于創新實踐能力培養的物理實驗教學改革

馮元新，　葉高翔，　李祖樟，　許森東

(浙江科技學院 理學院，杭州 310023)

0　引　言

近年來，各高校都在積極地探索創新人才的培養模式，為培養創新人才在教學方面都采取了一些有效的改革措施，對于理工科為主的學校，培養學生的創新實踐能力而言，實驗教學是最基礎、最重要的組成部分[1-2]。作為大學學習階段第一門系統的物理實驗課來說，困難與機遇并存。困難在于物理實驗學時、場地、經費大幅度減少，同時學生數有增無減，學生人均實驗資源與師資都出現較大幅度下降。但同時學校與各級教育部門出臺各類創新獎勵政策與創新平臺，鼓勵師生大膽創新，為敢于創新的學生提供資金與機遇。為解決在有限學時內既要完成教學任務規定的實驗內容，又要培養學生的創新實踐能力，需要利用“互聯網+”新一代的信息技術將物理實驗課程中的“教”與“學”活動與互聯網緊密結合起來[3]，同時對物理實驗課前、課堂中、課后的教學方式進行改革，建立大學生創新實踐能力個性化培養體系。在分析了大學物理實驗教學現狀及其普遍存在的問題的基礎上，為有效提高教學效果和提升學生的創新實踐能力，提出了物理實驗課堂教學改革體系流程(見圖1)。

圖1基于創新實踐能力培養的物理實驗教學改革流程

1　課前采用“翻轉課堂”教學模式與開放創新實驗室相結合

1.1　引入“翻轉課堂”教學模式重要性

“翻轉課堂”教學模型的特點是學生在課堂時間之外觀看實驗理論知識講解與實驗演示視頻，完成知識傳授過程；課堂時間內同學與老師探討互動，深化對物理原理、實驗設計方法等內容的理解，從而完成知識的內化過程[4]。翻轉課堂的第二個核心特點是在課堂中減少教師的講授時間，留給學生與老師更多的互動時間。將原先課堂講授的內容轉移到課下，在完成基本教學內容的基礎上，增強課堂中師生的交互性，提高與拓展學生對于知識點的理解程度[5]。

翻轉課堂教學視頻主要為：① 必修實驗項目的儀器調節過程、實驗現象、操作注意事項等內容，并且配有中文講解與中英文字幕，每個視頻一般不超過5 min，視頻分為力學、光學、電學三大類；② 收集到與物理相關的演示實驗，如失重狀態下的陀螺旋轉、錐體上滾、范德格拉夫起電機(高壓靜電裝置)、特斯拉線圈等趣味實驗，拓展與啟發學生實驗興趣。連同電子教案等教學資源上傳至“大學物理實驗教學”網站，學生可以預習各種常用儀器的操作方法、注意事項以及常見問題等。這樣教師就能夠省去課堂上的多次重復講解，提高教學效率與教學效果。學生輸入姓名與學號后才能觀看視頻，網站同時記錄下學生信息，便于檢查學生預習情況。

1.2　創新實驗室的建設與管理

“翻轉課堂”教學只是教學環節的初級階段，是淺層學習階段，處于認知的初級階段，它缺乏與同學和教師直接交流，對于物理實驗來說，更加缺乏對實驗儀器的感性認識，因此只有與開放創新實驗室相結合，才能彌補“翻轉課堂”教學不能提供實踐操作的局限性，幫助學生實現深度學習[4-5]。

創新實驗室開放的目的：① 便于學生完成“翻轉課堂”教學后，提供物理實驗預習的場所和儀器；② 為不同專業的學生個人或團隊提出的具有創意的研究性、設計性實踐項目提供實踐平臺和交流機會[6]。

3個創新實驗室由基本實驗操作區、自主實驗研究設計區、作品存放展示區三部分組成。實驗操作區配置基本實驗的相關儀器1～2套，便于觀看過實驗操作演示視頻的同學進行實際操作；自主實驗研究設計區配置常用測量工具與掛式磁性寫字板，方便同學設計制作與相互交流討論；作品存放展示區配置玻璃柜柜臺用于存放同學設計與制作的半成品和歷屆學生在學科競賽中獲獎作品與模型。實驗室每周一至周五實行全天候開放，在專職教師的負責下學生自主運行管理，由應用物理專業的學生社隊維持和保障實驗室的日常運行，既解決了當前高校實驗師資短缺的問題，又激發了學生的主體責任感、培養了學生的管理能力。同時實驗室安裝監控攝像與消防措施以保障創新實驗室的運行安全。

2　增設研究型、設計制作型實驗項目

2.1　拓展物理實驗教學內容的廣度與深度

原有的傳統教學模式由于課時緊張，實驗項目較多，學生忙于被動式的調節儀器、測量數據，把精力只放在盡快獲得實驗數據上，而很少思考實驗設計的深層次原因和實驗間的關聯性，因此很難激發學生實驗的主動性與創新性[7]。

“翻轉課堂”教學模式的引入，以及創新物理實驗室的開放，有利于學生對實驗內容與實驗儀器內部結構、工作原理的了解，也有利于對儀器設備的保護、減少實驗誤差、縮短課內實驗時間[8]。在2個學期內分別對2個班級，約60名同學在不同教學模式下實驗主要情況進行對比(見表1)：

表1　不同教學模式下實驗情況的對比

從表1可明顯看出，“翻轉課堂”教學模式的引入，以及創新實驗室的開放，不僅減少了課內教師的講授時間，也提高了學生實驗數據的準確率，使得有更多的課堂教學時間用于進一步的深入研討。在完成規定實驗教學任務的同時，教師可以根據實際情況提出思考題引導與啟發學生的思考與解決問題的能力，從而逐步豐富與拓展教學內容的廣度和深度。如在拉脫法測量液體表面張力系數實驗中，一方面可以介紹毛細管升降法、液滴法、水波頻閃法等其它測量方法，另一方面可以進一步讓學生通過實驗探究液體表面張力系數隨溫度和洗潔精溶度的關系。鼓勵與培養學生課后查閱文獻資料、分析問題的能力，同時也會促使一部分學生自發的再次進入創新物理實驗室進行有研究目的實驗探索。

（1）分體布置。這種布置形式濕式電除塵器與FGD的吸收塔相對獨立，需要有額外的場地，可以采用臥式或立式結構，便于安裝和運行維護，同時布置方式也更為靈活。

2.2　研究型、設計制作型實驗項目的來源與更新

所謂研究型、設計制作型實驗，是指讓學生運用相關的物理原理，根據實驗項目查閱參考文獻資料、設計實驗方案、認證方案的可行性、利用實驗室設備和購買實驗材料，進行研究討論和制作實物模型，在規定的時間內完成的制作，對研究結果或制作模型進行系統分析和測試，寫出完整的研究設計報告, 從而讓學生經歷一次科學實驗過程的基本訓練[9-10]。

此類實驗項目可由教師根據相關物理原理的應用與實踐問題進行命題，如太空垃圾的回收處理、地球板塊的漂移速率、測量地磁場大小、回旋鏢的原理與制作等。也可根據教師科研項目和學生的專業方向、研究興趣、實踐生活中遇到的問題自擬創新實驗課題[11]。如快速判斷排球觸網犯規裝置的設計、振動除雪裝置、自動感應防雨棚及接觸角法新型液體表面張力系數測試儀、分光計讀數改進裝置等。當然，此類實驗項目必須不斷推陳出新，要不斷反映當前各種科研和教學活動的新成果，每年要淘汰舊實驗，充實新內容，增加新內容的趣味性、先進性和創新性[12-13]。

2.3　研究型、設計制作型實驗項目的分析與實施

在物理實驗開課時，列出研究型與設計制作型實驗項目清單供班級同學選擇，每組同學不超過3人，也可讓同學在2周時間內自主命題，報批教師。教師負責審查學生的設計方案，糾正學生在設計方案中的錯誤，并依據實驗操作條件對方案進行合理修改，使學生的實驗方案具有合理性和可操作性。在教學中，穿插優秀成功的實驗項目案例進行點評，啟發與引導學生。課程中期每隊同學根據研究進展相互交流總結，對遇到的困難與解決辦法進行分享與討論，期末完成研究報告或實物模型，同學間相互評分，并計入課程考核系統。若不同專業班級的同學選擇了同一研究型實驗項目，可由教師安排進行集中會面，探討實驗方案與可行性，一起完成項目或組隊申報各類科技創新競賽。在完成此類實驗項目的過程中，不僅提高了學生學習的積極性和主動性，同時也提高了學生查閱資料、實驗操作、交流協作等各方面能力，還能激發學生的創造性思維，更為今后的專業實驗、各類學科競賽，甚至畢業后的研究工作打下良好的基礎。

3　引導學生申報項目、專利和參加各類科技創新競賽活動

大學生科研訓練計劃(SRTP)的申報過程，對學生來說就是一個研究性、設計制作型實驗的分析、認證和實施的完整過程，申請表中涉及項目的意義、現狀分析、研究方案、實施計劃、可行性分析、項目條件和創新之處等內容，對于項目負責人來說需要組建團隊、尋求指導教師、調查研究和團隊交流協作等各方面能力。項目立項后需要購買材料制作、調試、改進、撰寫論文、申請專利和結題答辯等一系列過程。因此，在物理實驗教學過程中，引導學生進行研究性、設計制作型實驗對項目的申報是一個必不可少的鍛煉過程[14]。

在教學過程中，向同學介紹宣傳不同級別的競賽平臺與獎勵政策，鼓勵學生申報科技創新項目；同時，也介紹分析歷屆科技創新競賽中的優秀作品，開拓視野，啟發思路。目前對于在校學生來說，有三大層次的科研訓練計劃申請平臺：① 量大面廣的校級大學生科研訓練計劃；② 省級大學生科技創新活動計劃(新苗人才計劃)；③ 國家級大學生創新創業訓練計劃。

學生在教師指導下獨立地選定問題或自主命題，對課題進行可行性分析，設計并完成實驗方案，最后形成研究報告或制作出實物模型，讓學生體驗到一個從發現問題分析問題到解決問題的全過程，注重學生在過程當中得到綜合訓練[15]。

經過近2年的物理實驗教學改革，每個教學班至少有一隊同學的設計制作型實驗項目成功申報了校級“春萌”計劃項目，個別團隊進入了省大學生科技創新活動計劃(新苗人才計劃)，更有優秀的團隊自主開發的快速判斷排球觸網犯規裝置入圍大學生國家創新訓練計劃。不僅如此，在“挑戰杯”、大學生機械創新設計大賽、大學生機器人大賽、大學生數學建模競賽等創新競賽活動中總能看見這些優秀團隊同學的身影，這與他們在物理實驗教學過程中打下的良好基礎是分不開的。實踐證明，各類學科競賽是培養學生創新實踐能力的有效手段，開展課外科技競賽能夠有效評價大學生的創新實踐能力。通過對優秀項目進一步深入培育，評選出優秀作品參與各類學科創新競賽，有利于擴大物理科技創新基地的影響力，提高廣大學生參與創新實驗項目的積極性，并促進創新實驗成果的推廣[16]。

4　結　語

室相結合的舉措，教學時間得以延伸，使得課內師生有更多的時間進行探討交流，并且教學內容也得以豐富與拓展。同時圍繞開展研究性、設計制作型實驗項目，逐步培養與訓練學生個體科技創新實踐能力，激發學生創新思維與實驗興趣。近2年來，對2014級和2015級的3個不同專業班級約90名同學的物理實驗課程教學模式進行了改革，取得的成績如表2所示。

表2　近2年物理實驗教學改革取得的成績

從這2年的成績對比來看，各方面成績都穩中有升，獲省級“挑戰杯”比賽二等獎1項，2016浙江省第七屆大學生物理科技創新競賽一等獎和3等獎各1項。當然獲得這些成績并不是這次教學改革的最終目標，而是希望通過物理實驗這門課程的基礎訓練，培養出更多具有初步科技創新實踐能力的應用型人才。

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