新時代大學物理實驗課程改革策略探索與討論

徐偉 楊旭 張冰

摘? 要：大學物理實驗課程具有提高學生實踐能力、獨立思考能力以及創新能力等作用，結合新時代科技快速發展對理工科的要求，對大學物理實驗課程改革，對培養高素質理工科人才、使其適應新時代發展具有重要意義。文章結合當前高校大學物理實驗課程的教學特點，分析了教學過程中存在的不足，從開展創新性的課程設計、發展多元的教學模式和實施激勵性的考核方式三個方面深入討論了大學物理課程改革路徑，以期為借助大學物理實驗課程提升新時代大學生創新能力和拓寬視野提供一定借鑒意義。

關鍵詞：新時代;物理實驗課;課程改革

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2022）17-0140-04

大學物理實驗是一門理工科學生必學的實踐性基礎課，重點鍛煉學生的動手能力、理論與實踐相結合能力、創新能力、獨立解決問題能力等，是大學生接受實驗技能鍛煉的開端[1-2]。然而，盡管大學物理實驗課程已在理工科高校中開展了近幾十年，但由于大學物理課程的授課模式仍在沿用傳統的方式，不利于學生適應新時代的科技發展需求。因此，為了提高大學物理課程的教學效果，提高學生的實踐能力和創新能力，鍛煉適應新時代發展的高素質大學生，嘗試對大學物理實驗課程設置、教學模式及考核方式等方面進行改革和實踐是十分必要的[3-4]。

一、當前大學物理實驗課程存在的不足

（一）課程設置需要革新

目前，各高校大學物理課程所設置的實驗均為傳統驗證物理基本定律或測試基本物理量的實驗，盡管近些年高校陸續更新了實驗器材，但實驗內容上的改變不大，實驗課程內容跟不上社會發展的要求。由于科技在迅速的發展，新時代學生需要了解物理知識在前沿科技中的應用，但大學物理實驗課程還停留在驗證幾百年前的物理基本定律中，這對提升學生的見識和創新能力具有一定限制。大學物理實驗是所有工科學生的必修課，但不同的學科對物理知識的側重點不同，目前大部分高校仍然對不同專業學生設置相同的實驗內容，不利于學生在專業上的發展。因此，高校需要對大學物理課程教學進行改革創新，以適應當前時代的發展。

（二）教學模式需要創新

傳統的大學物理實驗課程在教學過程中，通常是由教師先講解實驗的基本原理、使用器材和操作注意事項等內容，然后在課上給學生進行操作示范，再由學生動手操作，這種教學模式存在以下不足：首先，在教師講授實驗理論前，大部分學生沒有預習，僅在課上聽教師的介紹很難掌握實驗原理及操作的精髓;其次，在教師實驗示范時，學生往往通過錄音或錄視頻的方式對示范進行記錄，在自己做實驗時依照記錄內容以“照葫蘆畫瓢”的方式進行重復，盡管在理論基礎上沒有完全理解，但是仍然能很好地完成實驗內容，這違背了大學物理實驗課設置的初衷。此外，在實驗后進行數據處理和誤差分析時，有些學生根據已處理好的實驗報告進行模仿，根據處理公式帶入相應數據仍能夠得出滿意的結果。因此，當前的教學模式對鍛煉學生的自主學習和創新能力十分不利，需要在教學模式上進行創新。

現在的教學模式中，教師的主要作用是講授實驗原理、教學生如何規范地做實驗和督促學生上交實驗報告。在整個課程中，教師完全處于主體地位，學生只是被動地學習。在教學過程中，學生的主觀能動性較差、學習動機不強。學生主觀掌握實驗原理、實驗操作流程的主觀意愿不強，一直處于被動接受的狀態，缺乏思考的過程，很難鍛煉學生發現問題、解決問題的能力。

（三）考核方式單一

當前，各高校對大學物理實驗課程的考核主要以平時成績和期末成績為主，平時成績包括對實驗的預習報告、操作、實驗數據準確性、數據處理和誤差分析等內容進行打分。期末成績是設置一次實驗，學生在課堂上獨立完成該實驗，并在課堂上完成數據處理及誤差分析，最后上交完整的實驗報告，而實驗的成績就是最終的期末成績。這種傳統的考核方式存在以下缺點：首先是學生容易應對，整個過程都是流程化的，由于平時實驗和期末考試的過程相似，學生平時只要不缺席，再根據教師的示范過程完成實驗、對實驗數據及誤差進行處理就能夠拿到不錯的成績;其次，阻礙了新時代學生的創新能力，學生上課只需要重復教師示范的過程就能夠輕松完成任務，整個過程是機械性的，學生不需要動腦;最后，沒能夠達到理論和實驗互相驗證的目的，在當前的考核方式下，沒有考慮學生的創新能力所占的比重，不能夠刺激學生學習的主動性，學生甚至在不清楚實驗原理和每一步實驗步驟的情況下也能夠完成實驗內容，此過程中學生不能夠體會理論與實驗間的密切關聯，違背了大學物理實驗教學的初衷。

二、大學物理實驗課程改革策略

（一）開展創新性的課程安排

1. 針對學生專業設置實驗課程

物理實驗課程主要探究的是物理基本原理、物質基本屬性和事物演變規律等，而專業實驗主要關注的是一些基本原理在解決實際問題中的應用，因此，學生在學習專業實驗前夯實理論基礎，對其今后專業上的發展具有非常重要的作用。為此，建議大學物理實驗課程根據不同工科專業學生有針對性地設置不同實驗內容，如針對光學專業的學生應注重安排邁克爾遜干涉、光柵光譜儀、幾何光學綜合實驗等課程;針對電學專業的學生應注重安排示波器使用、霍爾效應、PN結特性、傳感器信號數據采集等電學基礎和應用實驗，這樣在大學物理課程中就能夠讓學生充分掌握專業相關的基礎知識。

針對不同專業的學生設置相對應的實驗內容，這樣有利于學生在今后專業實驗中發揮其創新創造能力。部分學生還存在思想惰性，存在對實驗課不重視的現象，認為實驗課沒有理論課重要，一定要轉變學生的這類想法。在課堂上，要強調物理實驗課的重要性、與學生專業的密切相關性。實驗課相比理論課更有利于培養學生的創新能力和動手能力。在做實驗的過程中，學生不是死板地學習書本上知識點，而是要將學習到的知識應用到專業背景中。在物理實驗課堂上的學習，可使學生的思維更加開放，不再局限于課本上死板的知識點，讓學生更注重在專業課中的應用。

2. 與大學物理課程融合

大學物理課程是一門綜合各理工學科的基礎課程，其理論基礎可應用到各個自然學科中，但學習對象較抽象，導致學生的學習過程很枯燥。而大學物理實驗是一門驗證大學物理基礎理論的一門學科，注重鍛煉動手能力。學生只有在對物理原理完全理解的基礎上，才能進行大學物理實驗的學習。但在教學的過程中，往往出現學生對實驗原理理解不透徹的情況，導致實驗進展不順利。特別是對于創新性實驗，學生需要設計實驗流程、搭建實驗設備，在這個過程中，學生如果對實驗原理不清晰，就無法開展實驗。

在部分高校中，物理系教師既教授大學物理又教授大學物理實驗，但目前多數學校是把這兩門課分開的，并且實驗課的內容與理論課緊密度不夠，而這兩門課在內容上是相輔相成的，降低了這兩門課的教學效果。因此，建議大學物理實驗在課程安排上與大學物理課程相呼應，讓學生在學完一定的理論知識后，及時到實驗課上去進行相應的實驗驗證，這樣一方面有利于學生深刻地理解定理和定律的內涵，提升兩門課程的教學效果;另一方面，兩門課的融合將有利于提升學生的學習興趣，學生在學習理論知識時，會想著實驗該怎么做，因此會投入更多的精力去了解實驗的理論基礎。而在實驗時，學生為了驗證理論的正確性，將會再次回顧學習的理論基礎，避免了傳統實驗教學中模仿式實驗的過程，更能夠突出大學物理實驗課程的價值。

3. 設置科技前沿和創新性實驗課程

理工科人才培養是突破當前西方國家對我國科技封鎖的關鍵因素，培養具有前沿科技視野和突出創新能力的理工科學生是新時代的要求。當前我國正大力發展量子信息、新材料、太空科技、人工智能等前沿領域，這就要求大學生的課程應緊跟我國和世界科技發展的潮流。物理知識是當前前沿科技的基礎，因此在大學物理實驗課程中，應適當融入前沿科技所應用的物理理論相關的物理演示實驗，一方面有利于學生開拓視野，緊跟世界科技進展前沿，了解當今世界科技的發展狀況，對今后學生的職業規劃具有重要的幫助;另一方面，學生對前沿科技均具有濃厚的興趣，能夠利用課堂的時間學習到更具有價值的實用性知識。總之，加強對大學生科技前沿教育，對學生自身發展和支撐我國國家戰略發展具有重要意義。

在大學物理實驗課中建議設置創新性實驗。在學生可以很好地完成基礎性實驗的基礎上，高校應為學生提供創新性實驗，培養學生的自主思考能力和創新能力。物理實驗的教學過程也可不約束于大學物理實驗的實驗室，可將學生帶入教師真正從事科研的實驗室，讓學生了解真正的科研過程。

創新性實驗需要學生根據實驗內容制訂實驗流程和方案，在實驗之前學生需要做好充足的準備，包括知識的準備和流程的制訂，需要自主查閱科研文獻及相應的碩、博士論文，對問題進行深層次的探討。學生也可根據自身的興趣點設置創新性實驗，自主查閱文獻，設計實驗方案、操作流程、搭建實驗裝置。整個實驗過程中，必須以學生為主體，教師在學生遇到沒辦法解決的問題時候才出現，主要起到引導作用，不會講解實驗內容以及演示實驗操作等。在此過程中，教師應允許學生失敗，給學生機會反復做實驗、給學生課下進實驗室的機會，培養學生自我檢查、自我總結、在失敗中不斷學習的能力。

（二）發展多元的教學模式

1. 設置實驗設備使用課

目前的大學物理實驗教學過程中，通常是教師在講解某一個實驗時介紹所用設備在實驗中用到的功能，對一些設備在其他領域中所用的功能及作用介紹較少，使學生對某一設備的了解僅僅局限在某一實驗上。如學習示波器的使用時，學生僅了解如何校準和正確讀取信號的幅值和周期，而示波器在電學和磁學等實驗中的應用十分廣泛，導致學生在實驗探索過程中的工具功能使用受到了局限。因此，在上大學物理實驗課前，教師應對設備功能介紹和使用進行系統講解，讓學生了解每一個設備所具有的功能、應用場景、儀器自身特點、測量局限及注意事項等內容，學生可根據所學的儀器知識和實驗題目自行選擇設備解決問題，從而提升學生的創新能力。

2. 采用課上、課下相結合的教學模式

發展多元的教學模式對大學物理實驗課程的教學是十分必要的，可利用雨課堂等教學平臺，雨課堂可將手機微信與教學課件相結合，突破了空間和時間的限制，在課上沒有聽明白的地方，學生可利用課堂回放的功能在課余時間反復觀看、反復學習。教師應在做實驗之前規范學生的操作流程，將該實驗的注意事項轉化為選擇題提前上傳雨課堂中，學生只有將選擇題全部答對才可以開展實驗，這樣可促使學生認真對待整個實驗流程。

3. 將編程、可視化和模擬軟件融入實驗教學

傳統的大學物理實驗教學中，對實驗現象的演變過程和參數的影響等主要通過描述或圖片的形式展現，這種講授模式較枯燥，且在解釋注重實驗過程的大學物理實驗內容時也稍顯乏力。因此，應在大學物理教學過程中融入編程、可視化或軟件模擬等工具，在課上展現實驗的預想過程和結果，這有利于學生直觀體驗事物的物理演變規律、影響因素及結果，對指導學生正確操作實驗和獲取正確的實驗結果具有重要的實際意義。另一方面，由于模擬的情況一般是在理想情況下得到的實驗數據，學生在實驗過程中可根據計算或模擬得到的標準結果進行實驗過程的糾正和誤差分析，對其更加深入地理解實驗內容具有重要的輔助作用。

在物理實驗的教學中，如液體表面張力系數的測定的實驗中，需要用到作圖法求得傳感器的靈敏度，傳統的方法是利用坐標紙作圖，可鼓勵學生利用Matlab等軟件作圖;在長度和固體密度測量、扭擺法測定物體轉動慣量等實驗中，學生需要處理的數據量特別大，學生利用計算器很耗時，學生一直在做重復性的工作;其次數據量大，學生很容易出錯。教師應鼓勵學生利用更高效的方法處理實驗數據，培養學生利用現代工具的能力，而不是拘泥于傳統的方法，向學生傳達傳統的方法不一定就是最高效的方法，培養學生不崇拜權威、勇于挑戰的精神。

4. 隨堂完成實驗報告

現有的大學物理實驗教學過程中，一般要求學生在課上完成實驗，在課后完成相應的數據處理和誤差分析等內容。然而，由于實驗的難易程度、學生的綜合素質不同，導致學生完成實驗的時間不同，完成早的學生浪費了課上剩余的時間。此外，在課后處理實驗數據過程中，有些對數據處理不熟練的學生還會互相借鑒完成，沒有達到訓練數據處理的能力。為此，建議教師組織學生在大學物理實驗課上隨堂完成數據處理和誤差分析，并隨堂上交實驗報告。一方面有利于節省大部分學生的時間，并且保證每個實驗在連續的系統中完成，避免了課后再復習需要的時間。此外，隨堂完成實驗報告將督促學生獨立完成實驗后續內容，達到鍛煉數據處理的能力。

（三）實施激勵性的考核方式

目前，大部分的高校對大學物理實驗的考核主要通過平時成績和期末成績組成，不利于激發學生的創造能力，發展多元的考核方式是十分必要的[5]。因此，建議大學物理實驗結合常規實驗、自主實驗和創新實驗內容進行考核。常規實驗通常為通過給定實驗題目和限定的器材完成;自主實驗為學生自主選擇實驗器材完成給定題目的實驗;創新實驗為針對生活中某一實際問題，讓學生自主選題、自主設計實驗方案、自主選擇器材去獨立解決問題。以上三種實驗方式相結合的考核模式，可充分鍛煉學生的獨立發現問題、分析問題和解決問題的能力，能夠激發學生的學習興趣，鍛煉學生的創新能力，這對于提升大學物理的教學效果具有重要意義。

三、結語

本研究結合當前我國理工科高校大學物理課程的教學現狀，針對新時期對大學生綜合素質的要求，分析了大學物理實驗課程中存在的不足，并提出了課程改革的建議，探討了改革的預見效果。在大學物理實驗課程改革中，高校應找到一條符合本校實際的方案，努力培養學生成為面向世界、面向未來、適應經濟體制和經濟增長方式轉變的人才。

參考文獻：

[1] 吳苗，劉道軍. 大學物理實驗課程的必要性及其實施[J]. 科技資訊，2018，16（17）：178-179.

[2] 檀姍姍，黃蕊，孫宗利，等. 大學物理實驗教學改革的探討與實踐[J]. 物理通報，2021（11）：121-125.

[3] 周曉紅，陳杰，張西平，等. 基于創新創業教育理念的大學物理實驗課程改革探索與實踐[J]. 大學教育，2021（01）：148-150+180.

[4] 簡榮華，毛勇華，龐濤. 新工科背景下大學物理實驗室對學生創新能力培養的研究[J]. 科技視界，2021（25）：94-95.

[5] 鄭志遠，高華，黃昊翀，等. 新形勢下大學物理實驗考核方式的多元化探索與實踐[J]. 物理與工程，2021，31（05）：147-151.

基金項目：本文系2021年重慶工商大學教育教學改革研究項目“大學物理課程思政教學改革與實踐”（項目編號：21204 4）;“基于‘人工智能+’的環境微生物實驗混合教學模式探索與實踐”（課題編號：212027）研究和資助成果。

作者簡介：徐偉（1991—），男，博士，重慶工商大學智能制造服務國際科技合作基地，講師，研究方向為多孔材料的制備及其在能源和環境領域中的應用;楊旭（1991—），女，博士，重慶工商大學人工智能學院物理系副教授，研究方向為核聚變等離子體的數值模擬;張冰（1986—），男，博士，重慶工商大學智能制造服務國際科技合作基地，副教授，研究方向為膜法水處理技術、污水資源化再生回用技術。