“工程教育專業認證”背景下大學物理實驗專業分類教學的探索與實踐

張勇　宋逸俏　陶霞　張建福

摘? 要：中國加入《華盛頓協議》后，在教育改革建設中實現中國工程教育質量與國際接軌成為當下高校工科教育的重要工作。為了保證實現工科專業畢業生能夠達到時代需求的標準，筆者探討了該校大學物理實驗教學中存在的一些弊端，這項工作中根據調查問卷問卷調查表及教師商議研討的結果，提出了適合不同專業學生“私人訂制”型物理實驗培養計劃，增加綜合型、設計類創新性實驗，成立課后科研小組等改革措施。通過構建物理實驗的專業分類教學體系，加強基礎訓練、提高學生的綜合素質和實踐能力，為培養出符合行業既定標準的高質量工科專業人才做出貢獻。

關鍵詞：大學物理實驗? 工程教育專業認證? 分類教學

中圖分類號：G642.423 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）09（c）-0089-03

高校實驗室是進行實驗教學、開展科學研究、培養創新能力、提高綜合素質的重要基地[1]。大學物理實驗是教育部確立的大學理工科專業六門基礎必修課之一，是學生進入大學階段后接觸的基礎性實驗課程。大學物理實驗是理工科專業學生進行工程實踐和科學研究的重要基礎，對學生掌握科學思想方法、培養創新和探索精神都有重要的作用[2]。20世紀80年代中期開始，對高等教育質量和質量保證問題的關注在短短幾年的時間內，從西方工業化國家快速波及發展中國家，一場被稱為高等教育質量保證的運動在世界各地迅速展開[3]。2016年6月，我國正式加入國際上最具影響力的工程教育學位互認協議《華盛頓協議》，標志著工程教育質量認證體系實現了國際實質等效，這樣極大地提高了我國工程教育的國際影響力[4]。然而，對占我國專業布點數1/3的工科專業而言，由于專業認證起步較晚，“認證實施層面存在對標準理解和把握的諸多不一致，現階段認證機構的工作能力和質量難以適應政府和高校對擴大認證規模的迫切需要”，從而出現了“要求的高標準——實際的低水平——結果的高通過率”的尷尬局面[5]。為實現中國工程教育質量得到國際認證以及工科專業畢業生的教育質量達到標準，要求專業課程體系設置、師資隊伍配備、辦學條件配置等都緊密圍繞“畢業生實踐能力達成”這一核心任務展開，同時要建立專業持續改進機制和文化，以保證專業教育質量和專業教育活力[6]。因此，在“工程教育專業認證”背景下全面推進應用型、創新型教育改革，已成為理工科高等教育發展的方向和目標。對于培養工科學生面向專業知識的理解能力和實驗動手技巧，大學物理實驗起著基石的作用，同時也是提升學生實踐才能、應用性和創新意識的重要途徑[7]。但是，傳統的、教條的實驗課程體系已無法滿足新時代工科專業學生的需要[8]。因此，根據實驗教學實際情況和學生專業需求，引入新的教學理念、方法，構建并不斷優化實驗教學系統是促進高校工程教育質量改革、達標的有效措施[9]。

1? 工程教育專業認證與現有開放式大學物理實驗教學的矛盾

筆者學校大學物理實驗采取了自主選擇實驗項目的開放式教學模式，在一定程度上滿足了學生的實驗興趣和創造性，使學生個體對自身學業負責，也培養了獨立自主思考的能力。但也存在著一些弊端：（1）以測控技術與儀器專業為例，大學物理實驗中部分物理實驗項目與測控專業的核心專業課程《傳感器原理設計與應用》息息相關，例如：《非平衡電橋及熱敏電阻溫度計》《霍爾位置傳感器的定標》等實驗項目對于學習《傳感器原理及應用》課程具有極大的幫助。筆者在《傳感器原理設計與應用》課程的教學過程中發現，曾經選擇了該類實驗的同學通常能更深刻地理解到所講授的熱敏電阻和霍爾位置傳感器的原理及應用。類似還有其他物理實驗項目與諸多不同專業的核心課程聯系緊密。然而，在大學物理課程設置過程中，沒有考慮到對學生進行良好的課程誘導，使學生在自主研習的時候缺乏專業性的指導意見，導致了預期培養路線的偏移。在完全自主選擇實驗項目過程中，大部分學生常常會傾向簡單易做、容易拿高分的實驗項目，而忽視一些與專業課程密切相關的實驗項目。因此，現有大學物理實驗未能充分發揮輔助專業課程建設的作用，沒能更好地幫助到學生打好實驗基礎、加強動手能力等[10]。（2）目前，《大學物理實驗》教材的驗證性實驗內容較多，但與專業相關的具有探索精神的應用性、綜合性、設計性實驗項目相對較少，創造性演示實驗項目匱乏。這就導致學生在實驗的過程中缺乏思考，可以直接通過理論分析就能夠得出實驗結論。這類實驗往往不能激發學生設計實驗的熱情，也不能達到培養學生自主解決實驗問題能力的目的。由于對實驗內容和實驗結論熟悉，學生不愿意預習，上課不注意聽講，實驗過程中缺乏參與感和興趣，通過抄襲別人實驗結果就能完成實驗[11]。更嚴重的是，創造性演示實驗項目匱乏，實訓類項目處于“空白”狀態，導致對學生的新知識和專業理論的系統培訓不全面。（3）實驗教學課程缺乏課下的科研活動。目前，高校普遍采取一般式物理實驗教學方法，實驗教師只是照本宣科講授實驗，缺乏課下的科研活動。而對于該問題，國外知名高校如美國斯坦福大學和加州大學伯克利分校已經引起高度重視并采取了相關的措施：每周一次基礎實驗課，同時另行安排每周一次的實驗討論課，并且面向物理專業高年級學生開設科研型課題實驗，由各科研實驗室的教授負責指導完成，內容深入物理研究各個前沿領域[12]。

2? 物理實驗教學改革與創新的措施

大學物理實驗項目是增強工程專業學生“軟實力”有效途徑，但目前所開設的大學物理實驗課程大多還不能準確地輔助專業課程。針對上述所提及的問題，為了切實了解學生對大學物理實驗的想法與建議，設計了“大學物理實驗項目調查問卷”。面向測控技術與儀器專業的學生發放了90 份調查問卷，面向全校其他理工科專業學生發放了500份調查問卷，該問卷均采用不記名方式。通過對回收的調查問卷進行分析、研究，筆者發現調查對象中有67%的學生認為大學物理實驗對自己有很大的幫助，但仍有部分學生未能認識到大學物理實驗的重要性。其原因主要在于：有50%左右的學生認為設立的物理實驗課程選項太多，然而在選擇實驗的過程中缺乏指導性意見，從而傾向于簡單易做的實驗類型，導致所學的專業理論知識不能與實驗所提供的實踐相結合。這種做法未能充分發揮出實驗課程應有的作用，無法達到專業課程教育質量標準，學生的科研素養也不能得到有效的提升。有88%的學生支持開設與專業相關的必修物理實驗與自選實驗相結合的形式，并認為必修實驗與自選實驗的比例為5∶5。在針對測控技術與儀器專業的調查問卷中，35%以上的學生認為與專業相關的實驗有《示波器的使用》《熱敏電阻器的電阻溫度特性測量》《電表改裝和校準》《傳感器系列設計實驗》等實驗。這些觀點對于調整大學物理實驗教學培養計劃，制定實驗課程具有非常重要的意義。在調查過程中所暴露出來的一個問題是，高達80%的大學生能夠很快地接受理論知識的學習，但缺乏動手實踐與自主完成實驗的能力，創新意識較弱，對老師有很強的依賴性。學生在問卷中反映，目前開設的物理實驗類型過于單一乏味并且與專業相關度不高，建議應多設立趣味性、綜合性、與專業相關以及創造性演示類的實驗項目。這樣可以提高實驗課程的參與度，激發學生的實驗興趣并使同學們簡單明了地理解專業課程理論內容。此外還建議增設計算機類、虛擬軟件設計類以及實訓類型的物理實驗，能夠使各個專業課程的學習得到更有效提升。有40%的學生提出成立實驗小組，由專業老師指導讓同學們能更好地討論交流，深入學習高層次的專業相關知識，并為以后課程、畢業設計做鋪墊。

針對調查問卷中學生所反饋的情況，教學團隊開展研討會進行分析。通過所分析的結果作者提出了適應不同專業的培養計劃，具體步驟如下：（1）在學生自選物理實驗項目基礎上，根據其專業特點，增加分專業類別、分年級層次的必選物理實驗項目。通過與其他各學院各個專業任課老師進行綜合分析，研究大學物理實驗與其專業核心課程的關聯，利用這種關聯，設計出與不同專業密切相關的必選物理實驗項目。例如，《示波器的使用》《方波的傅里葉分解與合成》等實驗項目可以為《信號與測試系統》等課程服務;《電表改裝與校準》《非線性元件伏安特性的測量》等試驗可以更好地為《電子技術基礎》等課程打下基礎;可以通過《非平衡電橋及熱敏電阻溫度計》和《溫度傳感器的電阻溫度特性測量》等實驗項目更直觀地驗證《傳感器原理及應用》等課程的理論部分。專業老師提供的建議與學生在問卷中反映的情況有高度的一致性。教學團隊根據專業任課老師的建議以及不同專業學生的調查意見調整實驗教學模式。通過這種新的模式能夠極大地增強物理實驗對學生專業課程建設的作用，從實驗的角度可以加深學生對于理論課程的理解，提升工程專業學生的實踐動手能力、科研素質以及創新思想。而且對學生特別有利的是，從大學物理實驗培養方案就可以初步了解學生以后專業發展方向，并且根據學生專業興趣進一步地深入鍛造學習，最終為培養合格的工程人才奠定了基礎。（2）以素質教育為目標，建立“分層次、多形式、開放式”的大學物理實驗課程教學新體系，提高學生學習的自主性，培養學生的創新思維和綜合設計能力。在課程體系和教學內容上，實現了“多形式、分層次”的實驗教學模式，開設了第一層次的基礎實驗、第二層次的綜合性/設計性實驗及第三層次的自主創新性物理實驗[9]。不同層次的物理實驗項目涵蓋力、熱、光、電、磁及近代物理綜合性實驗，還增添了生動、直觀、趣味性強的演示物理項目，極大地拓寬了課程受益對象的范圍。授課對象可根據自己能力水平、專業需求和興趣傾向，自主選擇對應層次和形式的實驗項目進行學習?！伴_放式”實驗是指將線上實驗教學與線下動手操作進行了有效的結合。授課對象可通過線上的實驗教學，初步了解、熟悉、掌握實驗項目的知識點及操作規程。自主選擇實驗及時間，通過預約和考勤系統進行線下的實驗操作。通過對大學物理實驗的了解，讓每一個受益對象用物理的嚴謹思維、物理的科學態度去看待和改造世界。“開放式、分層次、多形式”的教學模式側重于強化專業操作技能，提高綜合素質，培養學生的創造性思維和科研精神[13]。（3）為滿足高層次學生深入學習的需求，開設了PASCO物理實驗科研活動。PASCO物理實驗是繼普通物理實驗后為理工科學生開設的一類高層次實驗項目。學生可利用PASCO教具自行搭配、組合所需要的實驗儀器，自主學習基礎物理實驗，并且在試驗的過程中計算機與先進傳感技術可以同步讀取實驗過程中的各種變化數據，再利用程序軟件進行數據處理和結果分析，得到可靠的實驗結果和結論[14]。該類實驗主要強調設計與創新能力的培養，在充分掌握物理實驗基本知識、基本方法和基本能力的基礎上，逐步從教學實驗向科學實驗過渡，教學方法也逐步從教師引導向學生自主設計過渡，這樣可以培養出學生正確嚴謹的科學思維和實驗素養，從而獲得正確的實驗方法和和獨立的工作能力，為學生掌握、應用和發展新技術打好堅實的物理實驗基礎。目前，PASCO物理實驗已設置為物理學韶峰班（拔尖班）的必修課程。經過一學期的學習觀察發現，PASCO物理實驗科研活動能夠有效地激發學生學習興趣，提升學生的實踐動手能力和創造性，在小組交流的過程中拓展視野，開拓了學生實驗創新性的新思維，韶峰班的部分學生在本科階段已在國際高檔次期刊上發表了SCI論文。新型的物理實驗教學模式可以加深學生對專業課程理論內容的理解，提升學生參與物理實驗的興趣與動手能力，開拓學生創新性的實驗思維。專業分類物理實驗教學模式對于培養具有創新實踐能力的高級專業人才起著重要的作用。

3? 結語

這項工作是在工程專業認證背景下全面推進應用型、創新型大學物理實驗教學改革，教學團隊通過座談、研討、調查問卷、數據整理、分析、改進提出按照專業分類培養學生的教學模式，參考專業任課教師的建議，同時對不同專業學生的相關數據進行分析，設定自選與必選實驗結合具有針對性的物理實驗教學系統。引入推陳出新的設計性、綜合性的創新型實驗項目，并成立課后實驗科研小組，由專業老師帶領交流學習，力求新的實驗體系可以滿足不同專業學生的個性化需求。這樣既有利于提升工程專業學生的學習積極性，又能夠加強學生的實踐動手操作能力。專業分類物理實驗教學模式能夠促進工科專業學生的全面發展，最終為培養符合高等教育質量的工程人才做出貢獻。

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