工科物理實驗中“多維度”教學模式研究

伊兆廣 劉津升 許生慧 金遠偉 吳慶春

（南京工程學院數理部，江蘇 南京 211167）

0 引言

創新能力是高等教育人才培養質量的重要目標，教學質量是實施教學計劃，完成創新能力培養的重要生命線， 提高教學質量是實現這一目標的關鍵所在。大學物理實驗在實驗方法、思想和科學數據處理上是很多學科的基礎，是理工科專業學生的必修課，如何緊跟信息化發展，優化教學模式，構建“多層次”教學模式，提升學生學習的主動性和積極性是物理實驗教學中亟待解決的問題。

目前國內高校教學基本確立學生在學習中的主體地位，根據不同專業學生培養目標和學生差異性形成了本校特色的教學模式，建立了基礎性實驗、綜合性實驗、設計性實驗和創新性實驗的多層次實驗教學體系[1-3]，并借助現代互聯網手段建立模擬實驗平臺、師生互動平臺，積極交流和合作引進緊跟時代發展的實驗項目，提高自己的教學質量[4，5]。 例如，浙江大學依托大學生物理學術競賽、探究性實驗、大學生物理科技創新競賽、大學生課外學術科技作品“挑戰杯”等競賽全方位提高學生實驗技能和創新能力，通過學術科研與競賽為紐帶建立創新實驗室，促進學生參與學術研究和實驗的熱情。 復旦大學在完成基礎課堂教學任務外，打破傳統教學模式積極開放實驗平臺，開設了“自學物理實驗”“綜合物理實驗”“設計性物理實驗”“物理演示與拓展”等多層次教學模式，借助于網絡信息化，通過網絡答疑、bbs 等模式滿足學生自我發展的個性化需要。

本文對大學物理實驗教學中比較突出的三個問題進行分析，根據實驗室所能提供的教學平臺，結合信息化教學需要和傳統的教學內容、教學方法優點，建立“多維度”的教學模式，喚醒學生參加實驗的內在驅動力， 讓學生根據自己個性化發展需要參與實驗，建立緊密聯系生活的實用型、創新型多層次的教學體系。

1 現階段物理實驗教學中的三個突出的問題

1.1 學生對實驗的重視程度不夠，實驗之前的預習效果較差

物理實驗教學中，發現非物理專業的學生物理理論功底較為薄弱，大部分學生精力主要放在本專業領域，對基礎實驗教學內容從思想上不夠重視。 由于學生認知水平的差異和課前不能夠做到認真預習，采用只照抄物理實驗教材而不思考的形式敷衍了事，導致預習效果很差，課上部分同學不認真聽講或者根本聽不懂，不能自主積極探索并提出問題，用科學求實的態度探索實驗，對實驗缺乏足夠的興趣，甚至出現編造數據等情況。 課下不認真完成數據處理及其思考題， 在完成試驗后部分同學不知道實驗的目的是什么，因此改變教學模式，吸引提高學生參加實驗熱情，加強學生對基礎實驗的重視度是提高實驗教學的一個關鍵點。

1.2 實驗開設內容和教學模式過于固化，學生主動參與度不夠

物理實驗中基礎性實驗是大學物理實驗的主體部分，其內容涉及力學、熱學、光學、電磁學、近代物理等內容，知識體系豐富而復雜。 基礎物理實驗部分內容過于固化，其實驗項目設置的內容主要驗證定律的正確性和觀測物理實驗現象，很少由于現代生活緊密聯系的項目，不易進行知識的遷移擴展，學生主動參與的興趣度不高。

課堂上老師教學模式以講解和演示為主，由于課堂時間限制，部分老師只注重實驗原理講解或者實驗步驟操作，沒有將兩者很好地結合起來，缺少與學生之間的互動和對學生獨立思考能力的培養，學生參照教材和老師的講解操作與測量， 缺乏獨立的思考、觀察、分析的空間，學生不理解為什么這樣做，很難培養科學的創新意識和科研能力。 物理實驗教學中松綁課堂模式、改革實驗項目，吸引學生主動參與實驗的熱情是當前提高物理實驗教學質量的當務之急。

1.3 新購置的智能化實驗儀器過于智能化封裝，需要動手操作的太少，學生很少有發揮的空間

大學物理實驗教學中， 注重對學生創新能力培養，實驗的目的是讓學生通過實驗來激發靈感，提高創新意識。 陳舊的儀器需要大量的人力時間去維護，學生操作需要大量的時間去完成，讓學生在有限的時間內一人一組完成實驗是很困難的。 智能化的儀器具有精度高、集成性能好、數據測量簡單等優點，但是過于集成化封裝，學生完成實驗后往往不明所以，得到的只是一個測量結果，不利于培養學生處理數據和分析問題的能力，實驗室人員對儀器的維護造成了很多的困難，只能依賴于廠家，導致儀器得不到及時維修，從而影響實驗課程的正常開展。

2 改革教學課堂模式，構建“多維度”教學模式

（1）松綁固定的大學物理實驗課堂教學和考核模式，以問題為導向，將實驗還給學生，促進學生實驗中的個性發展。

對于基本的經典物理實驗項目，改變課堂以講解內容， 完成基本定律或者基本物理常數測定的模式，活化課堂教學模式，例如，通過啟發式教學、翻轉課堂、復雜實驗采用小組合作等，設定問題，讓學生帶著問題去探索，并學習總結其中基本的測量方法，學習儀器的設計原理、測量原理、材料的基本性質，喚起學生內在求知動力，將時間和課堂還給學生，提高學生分析問題和解決問題的能力。

改革物理實驗課程考核形式，課程考核以小論文的形式， 讓學生總結學習內容中基本的原理拓展應用，多角度總結實驗的基本方法。 例如，微小尺寸測量可以用光的干涉法、光杠桿法精確測量；測較長的距離可以采用激光相位補償、時差法、紅外測距等；速度測量可以用光電門、多普勒測速、傳感器等；角度測量可以采用分光計等；光譜譜線測量可以用“邁克爾孫干涉法”、衍射光柵等；測溫測量可采用水銀溫度計、熱偶溫度計、紅外測溫等；加深理解測量的基本方法，聯系所學專業知識，進行知識遷移應用，例如，對開展創新項目利用學習基本方法完成基本物理量的測量、監控，服務于智能生活。

（2）構建線下物理實驗和線上物理仿真實驗交融的教學模式引導學生積極參與實驗熱情。

大學物理實驗作為基礎學科的實驗，大部分工科學生都需要修習的一門學科，實驗中心每年要面對高達4 000 多名學生，每個學生要完成10 個實驗，本校實驗中心專職老師只有9 個人，另有21 位代課老師，每人工作量非常大， 每位老師工作強度高， 重復性強，導致教師工作激情降低，很難對學生進行引導和創新性教學， 通過線上和線下交融的教學模式可以解放老師精力， 讓老師有更多的精力參與教學教改和儀器維護，保證教學質量。 線上和線下交融的“混合式教學”，可以把課堂主導地位還給學生，讓學生成為課堂的主導者而不是被動參與者，實現因材施教的高效率學習，達到以自學為主，教師引導和創新性指導為輔的教學模式。

本校搭建了線上物理仿真實驗平臺，初步完成了線上仿真和線下物理實操實驗結合的“混合式教學”[6]。在平臺上通過視頻講解形式，把實驗目的、實驗原理、儀器操作、數據處理及其分析總結展現給學生，特別是實驗具體的操作步驟和原理的結合、儀器的詳細介紹和實驗的注意事項講解，解決了學生課時不足的問題。 學生通過線上課前預習可以反復觀看視頻和參加仿真實驗，提高了預習效果，線下實驗學習中，學生可以有更多的時間進行自主操作，提高學生自主學習和動手操作能力，教師對實驗的講解點到為止，主要進行拓展、答疑和創新性引導，這樣可以使學生進行獨立自主、輕松有效學習。 此外通過線上提交報告，自動批改報告解放了教師， 讓老師從容進行教學教改，設置兩個需要學生獨立完成的仿真實驗項目，讓學生通過查找資料、獨立自主完成實驗，提高學生解決問題能力和積極參與實驗的熱情。

（3）以物理演示實驗和物理競賽為依托，注重學生創新能力的培養。

興趣是最好的老師， 提高學生參加物理實驗興趣，是學生自我學習提升和發展的內在動力。 通過演示實驗，找到學生的興趣點，激發其好奇心和求知欲，遇到問題讓學生自己查閱資料，提高其提出問題和解決問題的能力。 建立與現代科技相聯系的演示實驗項目，擴展學生的眼界，打開學生創新創造的思路。 如人工智能、智能控制、機器人識別、人臉識別、循跡小車、3D 打印機、裸眼3D、通信網絡等項目。 實驗和大學物理理論課有機結合起來，充分發揮演示實驗的補充和輔助作用。 加強理論和實驗的緊密結合，轉換學生抽象和物理演示實驗形象結合，加深對知識的理解。 開展開放的討論研究氛圍，引起思想的激烈碰撞，營造自由的創新研究環境。

給學生制作的平臺， 建立專用的創新實驗室，搭建實驗作品項目。 從社會研究熱點問題以及生活中的感知理解出發，如新能源問題、環境問題、節能減排、智能生活等，根據生活需求和自己的實際知識儲備建立項目，將學習的基本物理知識和生活需求、創造思維緊密聯系起來，例如，生活中的懶人鬧鐘、智能垃圾桶、發電手環、溫差發電、太陽能最大能量點跟蹤、舊式太陽能的改造、智能花卉陪護等。 通過查閱資料、可行性分析探究，提高學生查閱資料、發現問題、解決問題的能力。 作品制作中小組成員根據成員知識能力特點、分工制作，提高團隊協作能力。 疑難問題的討論和解決，通過查閱資料、與老師探討、組內成員討論等，尋求最優化方案解決問題。

運用基本的知識解決問題，激發自主探索問題的興趣。 以參加物理競賽為平臺，結合物理實驗知識的基本方法，促進基本知識的消化理解，豐富自己的知識體系和提高自己解決問題的能力。 以賽促教，加強學生與老師之間的交流，回饋課堂，提高教學質量。 這樣學生在作品制作中，發現問題、解決問題，提高了自己創作的興趣，豐富了自己的知識體系。 活學活用將所學習知識遷移生活中的應用，既能提高學生主動積極思考和創新能力，又能以賽代練加深對物理基本原理理解。

總之，深化改革大學物理實驗教學模式，構建以培養學生創新能力為目的的“多維度”實驗教學體系，松綁過于硬化的教學模式，解放教師精力并加強學生課堂的主導作用， 喚起學生積極探索的原始動力；通過線下實操實驗和線上預習、仿真實驗結合，讓學生選擇多元化的學習方式，提高學生自己分析問題和解決問題的能力；適度開放演示實驗平臺，提高學生參加實驗的樂趣，讓學生主動參與實驗，改變接收式教學模式；以物理競賽為平臺，讓學生回歸生活，奇思妙想構建參賽項目，以賽促教，以賽代練，提高學生的自主創作創新能力。