國家級物理實驗教學示范中心教學方法改革實踐與探索

袁吉仁， 韓道福， 鄧新華， 胡 萍， 黃偉軍， 何喜玲

(1. 南昌大學 物理國家級實驗教學示范中心， 南昌 330031； 2. 江西南昌供電公司， 南昌 330006)

0 引 言

2018年10月，教育部發(fā)布了“新時代高教40條”[1]，其中強調(diào)要“以學生發(fā)展為中心，通過教學改革促進學習革命……，因課制宜選擇課堂教學方式方法，科學設計課堂考核內(nèi)容和方式，不斷提高課堂教學質(zhì)量。積極引導學生自我管理、主動學習，激發(fā)求知欲望，提高學習效率，提升自主學習能力?！苿有纬伞ヂ?lián)網(wǎng)+高等教育’新形態(tài)，以現(xiàn)代信息技術推動高等教育質(zhì)量提升的‘變軌超車’”。

近年來，我校物理實驗教學中心采取了一系列的有關教學方式方法的改革舉措，采用“以學生為中心”的教學模式來設計討論式及個性化教學方式，推行大課程實驗教學以建立基于網(wǎng)絡支撐的全面開放教學，推行學生自主實驗教學來增強學生的探索和實踐能力，實驗考核將口頭報告占據(jù)實驗成績一定比重等。這些改革措施十分契合新時代形勢下教育部的部署指引，實踐證明這些改革措施都取得了良好的效果，可供同類地方綜合性高校參考。

1 中心整體教學改革規(guī)劃

1.1 物理實驗教學示范中心簡介

我校是一所隸屬于江西省的具有區(qū)域特色的地方綜合性大學，是國家“211”工程重點建設高校，是國家“雙一流”計劃世界一流學科建設高校。物理實驗教學中心是在1993年由原江西大學物理系普通物理、專業(yè)物理、近代物理實驗室和江西工業(yè)大學基礎課部大學物理實驗室共同組建而成。2004年，大學物理實驗課程被評為江西省精品課程。2005年，物理實驗教學中心被評為江西省首批省級實驗教學示范中心。2011年，大學物理實驗被評為江西省示范性網(wǎng)絡精品課程。2015年，物理實驗教學中心被教育部評為國家級實驗教學示范中心。

物理實驗教學中心面向全校5 000多名理、工、醫(yī)科本科生開設大學物理實驗公共基礎實驗課，為物理系開設普通物理實驗、近代物理實驗課程，承擔全校創(chuàng)新實踐課程和大學生科技創(chuàng)新等活動。

1.2 中心教學定位

(1) 教學功能定位。以本科實驗教學為中心，服務于全校理、工、醫(yī)科及部分文科學生的基礎能力訓練、科學素質(zhì)培養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力提高，確保高質(zhì)量教學的實驗教學中心。

(2) 面向發(fā)展定位。以大學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為目標，聯(lián)合校內(nèi)外共享資源協(xié)同育人，立足江西、服務中西部地區(qū)經(jīng)濟建設，培養(yǎng)高水平拔尖創(chuàng)新人才的實踐教學公共平臺。

1.3 改革教學理念

作為一所地方高水平綜合性大學，學校學科門類繁多，人才培養(yǎng)特別是創(chuàng)新實踐型人才培養(yǎng)的任務十分繁重，責任重大。實驗中心基于綜合性大學的創(chuàng)新實踐人才培養(yǎng)的目標和任務，確立了重基礎、提質(zhì)量、求創(chuàng)新、促拔尖的教學理念，構建物理素養(yǎng)教育、拔尖人才培養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐三大教學平臺，用信息化手段支撐實驗開放、資源共享和教學全過程規(guī)范化管理，提高教學質(zhì)量，重視實踐教學、實踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)；對專業(yè)領域的優(yōu)秀學生，采取因材施教，設置專門的課程體系，重點培養(yǎng)，塑造拔尖創(chuàng)新人才，形成拔尖創(chuàng)新人才的良好氛圍；同時聯(lián)合校內(nèi)工程中心和校外相關行業(yè)企業(yè)協(xié)同育人，組織學生進行工程訓練和社會實踐，增強學生的社會責任感和創(chuàng)新精神，提高創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

1.4 構建新的教學體系

為了適應創(chuàng)新實踐人才培養(yǎng)的需要，達到以基礎能力訓練、拔尖創(chuàng)新培養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐多位一體的培養(yǎng)目標，實驗中心構建了“1條主線、3個平臺、5類教學、全面開放”的實踐教學體系[2]，面向全校理、工、醫(yī)科及特色實驗班開設實驗課程，同時為全省中小學提供科學普及、實驗培訓和實驗競賽，為區(qū)域內(nèi)部分兄弟院校提供實驗教學服務，為校外有關企事業(yè)單位提供技術咨詢和技術服務。其中，1條主線是指以大學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為主線；3個平臺包括物理素養(yǎng)教育、拔尖人才培養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐三大平臺；5類教學是指物理通識教育、基礎實驗教學、專業(yè)實驗教學、科研訓練、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐；全面開放即依托實驗教學過程化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)實驗教學開放、教學儀器資源共享、教學全過程規(guī)范化管理，提高教學質(zhì)量。

2 改革教學方式方法

教學方式方法的改革旨在調(diào)動學生對實驗課程的興趣，培養(yǎng)學生科學、嚴謹?shù)膶嶒灹晳T，提高實驗教學效果。中心為了實現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標，在教學中創(chuàng)新使用多種現(xiàn)代化教學方法，積極開發(fā)綜合性、設計性、創(chuàng)新性實驗項目。重點實行以學生為本的基于問題、項目、案例的互動式、研討式教學和自主、合作探究的學習方式。注重基礎與前沿、經(jīng)典與現(xiàn)代相結合，虛擬仿真與真實體驗相結合，基本規(guī)范養(yǎng)成、基礎能力訓練與培養(yǎng)相結合，促進學生多樣化成才[3]。

2.1 采用以學生為中心的教學模式

實驗課堂教學方法以啟發(fā)式、討論式為主，由重結果轉變?yōu)橹剡^程，課堂講解和課堂討論相結合，集中講解和個別指導相結合。課堂講解注重傳授實驗原理和實驗設計思想形成的思維分析過程，強化思維方法和科學實驗方法的訓練，提高分析問題能力。課堂討論充分調(diào)動學生的主動性，注重學生的開放思維過程，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、興趣和熱情，提高學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。指導教師通過課前講解、現(xiàn)場指導、課后總結點評及啟發(fā)學生參與討論，幫助學生溝通所學理論與實驗的關系，領會每個實驗的設計思想和目的，起到融會貫通、舉一反三的教學效果。教學中注重因材施教，發(fā)展學生個性，激發(fā)學生的創(chuàng)新潛能，根據(jù)不同學生，進行個性化教學。

2.2 建立基于網(wǎng)絡支撐的全面開放教學

中心每年承擔全校理、工、醫(yī)學科及部分文科專業(yè)學生的實踐教學，僅基礎實驗教學每年服務5 000多名學生，承擔的教學人時數(shù)就到達30萬人時，教學任務繁重，教學組織運行難度大。為了充分利用教學資源、實現(xiàn)儀器資源共享，達到基礎實驗人手1套儀器，提高教學效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量，近年來，實驗中心進行教學改革，推行大課程實驗教學，將基礎實驗教學的7門實驗課程整合成由基礎訓練實驗、提高性實驗和綜合設計性實驗3個層次實驗項目組成的一門大課程。以此為基礎，實驗中心開發(fā)建設實驗教學網(wǎng)絡管理系統(tǒng)和相關的網(wǎng)絡教學資源，支持全校學生開放選課，實現(xiàn)實驗教學全面開放。通過開放教學，滿足不同學科學生的實驗需求，滿足不同層次能力的培養(yǎng)要求，學生根據(jù)自身能力達到的不同階段，自主選擇各層次實驗項目，達到能力培養(yǎng)目標。

2.3 開發(fā)綜合性、設計性、創(chuàng)新性實驗項目

在教師多年科研和教學的基礎上，提煉開發(fā)新的實驗項目，如：激光自混合速度傳感實驗[4]、基于Labview的示波器原理、示波器電容電感測量、大視場數(shù)字等厚干涉儀、全息光柵制作[5]、聲波衰減系數(shù)測量、模擬人體心向量圖[6]、阻抗心功能儀[7-8]、模擬人眼成像及非正視眼的矯正等新實驗。教師研發(fā)的新實驗項目，多采用自制或改造的實驗儀器，采用儀器部件組合方式，要求學生根據(jù)實驗的不同要求，將各部件自行搭建成完整的實驗系統(tǒng)，有利于動手能力和綜合能力的提高以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[9]。

研制開發(fā)的新實驗項目改善了物理實驗的教學裝備，豐富了實驗項目，同時通過實驗項目的開發(fā)、儀器的研制和更新改造提高了中心人員研究開發(fā)水平和創(chuàng)新能力，增強了中心自身可持續(xù)發(fā)展的能力[10]。

學生參與新實驗項目開發(fā)，極大地提高了學生的實驗興趣，激發(fā)了創(chuàng)新的活力。如：實驗中心自主研發(fā)的阻抗心功能儀實驗，設計電路測量人體心電阻抗，編寫軟件進行信號采集和數(shù)據(jù)處理，得出心功能數(shù)據(jù)。該實驗將物理實驗方法應用到臨床檢測，拓寬了大學物理實驗的范疇，豐富了大學物理實驗的內(nèi)涵，既可以達到理工科學生的創(chuàng)新實踐的目的，又可滿足醫(yī)科學生的實驗要求。

中心同時向全校學生開設了創(chuàng)新科研學分課程(實驗模塊類課程)。實驗模塊類創(chuàng)新學分課程的教學內(nèi)容以創(chuàng)新性、綜合性、設計性實驗為主，同時結合實驗教師的科研課題。中心開設的實踐類創(chuàng)新科研學分課程以實踐環(huán)節(jié)(>3/4)指導為主，課程講授(<1/4)為輔。實驗模塊課程負責人原則上應具有副教授及以上職稱(含博士學歷講師職稱)。學生參與研究創(chuàng)新型實驗，成績合格者可獲得2個創(chuàng)新科研學分。實驗教師可結合學生發(fā)表的論文、獲得專利等成果評定其研究創(chuàng)新型實驗的總成績。

2.4 開發(fā)虛擬仿真實驗和實驗考試自動評測系統(tǒng)

近年來，中心建設了虛擬仿真物理實驗室，通過交流引進的方式，建成了包括力、熱、電、光、磁、近代物理等30多個實驗項目，如邁克爾遜干涉儀實驗、示波器、多用表改裝等實驗，擁有可容納150人同時實驗的虛擬仿真實驗室及獨立的服務器。學生通過中心門戶網(wǎng)站首頁，進入虛擬仿真實驗室，在網(wǎng)上進行實驗操作，系統(tǒng)自動記錄實驗數(shù)據(jù)，完成后學生可進行數(shù)據(jù)處理及實驗報告的撰寫。

利用虛擬仿真實驗，學生可課前進行預習和實驗操作，建立對實驗的直觀認識。仿真實驗系統(tǒng)自動記錄每位學生的實驗情況，自動評分并指出操作錯誤，學生可掌握實驗的基本內(nèi)容、知識和要點。教師上課前可以查看學生課前預習情況，開展有針對性教學指導，避免了占用課堂時間臨時檢查學生預習的問題，解決了大面積學生預習檢查的難題。學生在課外可以遠程訪問虛擬實驗，實現(xiàn)了教學資源共享。虛擬仿真形式的課前預習，學生對實驗的物理思想，實驗方法、儀器結構及原理，達到充分的了解，為課堂實驗積累了經(jīng)驗，提高了實驗教學效果[11]。

為解決大批量學生參加實驗考試的難題，中心又建設了一套物理實驗考試自動測評系統(tǒng)。中心教師充分利用物理實驗考試與自動判卷功能，組織學生實驗考試，可以比較客觀地了解到學生的實驗知識掌握和實驗操作能力情況。每學期末，中心教師安排了各類實驗項目的仿真實驗考試，學生在校虛擬仿真物理實驗室，通過登錄中心主頁中的“實驗考試”，進入考試大廳，即可完成相關實驗的考試?？荚囅到y(tǒng)記錄、評判學生答題和實驗操作，并自動評分，達到了較好的效果，提高了工作效率。物理實驗考試成績與平時實驗成績相結合，實現(xiàn)了考核方式多元化和高效率。

2.5 推行學生自主實驗教學

中心為進一步提高實驗教學效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量，進一步實行實驗教學改革，樹立以學生為主體，大力開展教學創(chuàng)新，推行教師授課方式變革，實行教師指導下的學生自主實驗[12-13]。自主實驗教學摒棄了傳統(tǒng)的灌輸式實驗教學教師講授模式，通過強調(diào)學生預習和課堂自主探索，有利于增強學生的探索和實踐能力[14]；同時構建師生互動討論的開放式課堂教學模式，教師將精力集中于與學生的課堂討論和答疑，促進其完善自身知識結構，不斷提高教學能力和水平[15]。學生在自主實驗中，轉變了以往依賴教師的習慣和觀念。自己探索，更好地訓練了思維，自己解決實驗中遇到的問題，學習有了成就感，激發(fā)了學習興趣和熱情，學生獲益良多。通過問卷調(diào)查,有91%的學生認為自主實驗有益(其中包括27%的學生認為非常有益)；學生對自主實驗非常熱情，普遍認為通過自主實驗的學習方式，對實驗知識的學習更加深刻，更有利于創(chuàng)新實踐能力的提高。

2.6 實行實驗成績考核方式改革

近年來，實驗中心以選修創(chuàng)新學分實驗為試點，推行了實驗成績考核方式改革試點。在實驗開設的大學物理創(chuàng)新競賽實驗課程中，開設了4個自主實驗項目，學生完成項目，只需提交2個實驗項目的實驗報告，第3個實驗報告為一次口頭報告(答辯)。3次報告的成績權重分別為20%，40%，40%。具體做法是，第1次報告為基本要求，教師認真批閱并指導改進；學生在第1次基礎上，根據(jù)教師的指導，寫第2個實驗的報告，需達到標準，符合科學報告的要求；第3次實驗報告，則進行口頭實驗報告，全體學生和實驗指導教師參加共同打分，教師和學生所評平均成績各占60%和40%。最后，該實驗課程總成績按權重計算。推行實驗成績考核方式改革，避免了學生實驗報告流于形式，讓學生真正掌握科學報告的方法，促進學生實驗過程中認真實驗，積極思考，提高教學效果。口頭實驗報告，使學生獲益更多，受到大多數(shù)學生的肯定和歡迎。

3 教學特色

3.1 重視基礎促進拔尖

物理實驗教學一方面滿足全校大面積學生物理基本素養(yǎng)的形成，夯實學生的物理基礎，為專業(yè)學習服務；更重要的是創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，通過專業(yè)培養(yǎng)，選拔優(yōu)秀學生設置專門的課程體系、因材施教、重點培養(yǎng)，采用現(xiàn)代教育理念，注重探索能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，結合高層次人文素質(zhì)和高水平科學研究能力的塑造，培養(yǎng)出基礎理論扎實，知識結構復合，具有開拓創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力的優(yōu)秀拔尖人才。

3.2 立足經(jīng)典聯(lián)系現(xiàn)代

物理學是一門傳統(tǒng)的基礎學科，實驗的內(nèi)容雖然是基礎的，但實驗教學卻始終保持從基礎到前沿，從經(jīng)典到現(xiàn)代，如空氣動力學實驗到飛機機形、CRT列車外形的參數(shù)設計，氫氘光譜測量實驗到LED發(fā)光器件制造，牛頓環(huán)實驗到現(xiàn)代光學制造，邁克爾遜干涉儀實驗到現(xiàn)代精密計量……，學生通過大量經(jīng)典的實驗，掌握了現(xiàn)代科技及應用。

3.3 實現(xiàn)了人才培養(yǎng)三結合

(1) 基本素質(zhì)教育與創(chuàng)新能力培養(yǎng)相結合。基礎物理實驗以學生基本規(guī)范養(yǎng)成、基礎能力培養(yǎng)為首要任務，通過開設設計性實驗、研究性實驗內(nèi)容，以及開放實驗、自主實驗等教學形式激發(fā)學生的實驗興趣，提高創(chuàng)新能力。

(2) 通識教育和精英式培養(yǎng)相結合。物理素養(yǎng)教育面向各學科門類專業(yè)大規(guī)模低年級本科生，培養(yǎng)基本實驗規(guī)范、基本實踐技能，實現(xiàn)通識化基本物理素質(zhì)培養(yǎng)；拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)培養(yǎng)面向更小范圍的優(yōu)秀學生，立足專業(yè)培養(yǎng)，開設本碩實驗班、理工綜合實驗班等創(chuàng)新實驗班，設置專門的課程體系、配備專門的師資和教學條件，因材施教，重點培養(yǎng)，使拔尖創(chuàng)新人才脫穎而出，實現(xiàn)精英式培養(yǎng)。

(3) 學校教育和社會實踐相結合。以實驗中心為依托，聯(lián)合學校國家硅基LED工程技術研究中心、空間技術研究院、微尺度交叉學科重點實驗室等科研平臺，以及聯(lián)創(chuàng)光電、鳳凰光學、清華泰豪等知名企業(yè)，開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐，實現(xiàn)教學與科學前沿、工程實踐和社會應用實踐的密切聯(lián)系，增強學生的社會責任感、創(chuàng)新意識、創(chuàng)業(yè)能力和社會適應力。

4 結 語

物理實驗教學中心利用地方綜合性這一特點和優(yōu)勢并結合自身情況，在近年的實驗教學實踐中形成了重基礎、提質(zhì)量、求創(chuàng)新、促拔尖的實驗教學理念，構建了物理素養(yǎng)教育、拔尖人才培養(yǎng)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐三大教學平臺，建立了“1條主線、3個平臺、5類教學、全面開放”的實踐教學體系，全面改革教學方式方法，設計討論式及個性化教學方式，建立基于網(wǎng)絡支撐的全面開放教學，推行學生自主實驗教學，推行實驗成績考核方式改革等，這些改革舉措順應了新時代高等教育的發(fā)展趨勢，為地方高水平綜合性大學實踐育人和拔尖人才培養(yǎng)探索了新的模式。