針對理工科專業(yè)學生的物理實驗課程情況調(diào)查及改革策略*
——以北京師范大學為例

劉佳琪 景鵬飛

(北京師范大學物理學系 北京 100875)

2019年10月，教育部頒布了《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》，對國內(nèi)高校提出了“全面提高課程建設質(zhì)量”“優(yōu)化公共課、加強課程體系整體設計”的總體要求．近年來，國內(nèi)各高校對物理實驗教學改革進行了不同程度的探索，分享了豐富的物理實驗課程建設經(jīng)驗．然而相關研究大多集中在專門為物理類專業(yè)學生開設的實驗課程，有關針對理工科專業(yè)的物理實驗課程改革的研究仍有不足．

長期以來，物理學的發(fā)展推動了數(shù)學、化學、生命科學、地質(zhì)學等多門學科的發(fā)展，物理學的研究思想和研究方法也滲透在諸多學科領域，深刻影響著人類的思維方式和對于世界的基本認識．物理實驗課是對理工科學生進行科學實驗基本訓練的必修基礎課程，是本科生接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓練的開端[1]．許多理工科專業(yè)也對本專業(yè)的學生提出了必修物理實驗課程的要求．因此，理工科專業(yè)學生的物理實驗課程學習情況如何、如何更好地建設面向理工科專業(yè)學生的物理實驗課程以順應新時代的人才培養(yǎng)需要，仍有待探索．

本文立足于北京師范大學面向理工科專業(yè)開設的基礎物理實驗課程，從課程設置、課程認識、學習現(xiàn)狀、教學評價以及課程建議幾個方面對來自數(shù)學科學學院、化學學院、環(huán)境科學與工程學院等理工科專業(yè)的學生開展了問卷調(diào)查．通過分析調(diào)查結(jié)果，總結(jié)基礎物理實驗的課程情況和有待提高之處，分享物理實驗課程建設的成功實踐經(jīng)驗，并針對調(diào)查結(jié)果中發(fā)現(xiàn)的問題提出課程改革策略，以為高校開展物理實驗教學改革提供啟示．

1 北京師范大學基礎物理實驗課程的基本情況介紹

北京師范大學物理實驗教學中心成立于1999年，由原普通物理實驗室、近代物理實驗室、物理教學法實驗室、固體物理實驗室整合而成．秉承為社會培養(yǎng)不同類型高素質(zhì)人才，努力培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、科學探索精神和應用知識技能的理念，北京師范大學物理實驗教學中心針對不同專業(yè)類型的學生設置了不同層次的實驗教學課程．其中，面向非物理類理工科院系學生，充分考慮了學科之間的交叉特點，獨立開設了基礎物理實驗課程．

該課程對應學分為2學分，共包含64個學時，隸屬于“數(shù)理基礎與科學素養(yǎng)”模塊中理工科學生的必修課程，面向來自數(shù)學與應用數(shù)學、化學、環(huán)境科學與工程、人工智能、地理學、教育技術等理工科專業(yè)一、二年級的本科生，平均每年選課人數(shù)為近500人次．

基礎物理實驗課程內(nèi)容包括普通物理實驗和近代物理實驗兩部分，涵蓋力、熱、電、光、近代五類實驗．考慮到學生學習的階梯性過程，將教學內(nèi)容分為了基礎性、綜合性與設計性3個層次．各層次包含的實驗內(nèi)容如表1所示．

表1 基礎物理實驗各層次實驗的教學內(nèi)容

學生每2人一組組成合作小組，共用一套實驗設備．對于基礎性實驗，每個實驗為4學時，學生需要從該類實驗中選擇9個實驗進行操作(長度測量練習實驗必選)；綜合性實驗每個實驗也為4學時，學生需從該類實驗中選擇4個實驗進行操作．基礎性實驗和綜合性實驗主要采用“學生預習-教師講授-學生實驗-課后總結(jié)”的教學方式．設計性實驗每個實驗為8學時，學生需從給定題目中選擇一個實驗課題并自主提出實驗方案，進行為期2周的探究性實驗．在此期間，教師僅以觀察者和協(xié)作者的身份對學生實驗提供一定的指導．

隨著科技的發(fā)展和對人才素質(zhì)要求的提高，以研究型課堂替代傳統(tǒng)課堂已成為各高校的共同目標．因此，為提高學生的創(chuàng)新意識和實踐能力，北京師范大學基礎物理實驗教學兼顧學生自主思考和教師協(xié)助指導，兼顧學生獨立實驗和小組合作探究．教師對實驗課的講解僅做實驗背景、目的和實驗突破點的啟發(fā)式引導．在設計性實驗中，學生可以結(jié)合專業(yè)特點選擇感興趣的實驗題目，從查找文獻、學習理論開始，經(jīng)歷提出問題、設計方案、搭建器材、尋找證據(jù)、得到結(jié)論的完整的實驗過程，以真正體會科學實驗的探索歷程，培養(yǎng)基本的科研素質(zhì)，并逐漸養(yǎng)成良好的實驗素質(zhì)和實驗習慣．

2 調(diào)查的實施

2021-2022年春季學期中，對北京師范大學數(shù)學與應用數(shù)學、化學、環(huán)境科學與工程、人工智能、地理學等5個理工科專業(yè)修讀基礎物理實驗課程的本科生開展了問卷調(diào)查．問卷采用匿名形式，由學生獨立完成，共收回有效問卷82份．

調(diào)查問卷主要包括22道單選題和3道簡述題，調(diào)查內(nèi)容包括學生對課程設置的看法，對物理實驗課程的認識、學生的學習現(xiàn)狀、對任課教師的教學評價以及學生對基礎物理實驗課程的建議5個方面，調(diào)查問卷的細目表如表2所示，以從學生視角審視基礎物理實驗課程，了解學生對基礎物理實驗課程的課程認知、行為取向、學習情況和教學評價[2]，進而提出合理的課程改進建議．此外，除25道主干題目之外，在部分單選題后還配有說明欄，由學生填寫選擇對該答案的想法和原因，以獲得全面的調(diào)查結(jié)果．

表2 問卷細目表

3 結(jié)果分析與討論

3.1 學生對于課程設置的意見

在課程設置上，針對現(xiàn)階段基礎物理實驗課程2學分的學分設置、選必修相結(jié)合的修課方式和2人一組的實驗形式征集了學生們的意見，調(diào)查結(jié)果如表3所示．

表3 對課程設置意見的調(diào)查結(jié)果

從調(diào)查結(jié)果上看，學生對于當前的授課形式是普遍接受的．絕大部分學生認為必修實驗和選修實驗相結(jié)合的方式能夠在使學生掌握基本實驗技能的前提下，為自身提供充足的自由探索空間．在實驗中，學生往往會遇到一定的困難和阻礙．小組合作實驗的形式，既為學生能夠順利解決實驗問題提供了更大的可能性，也讓學生在遇到困難時不急于向教師求助，逐步發(fā)展自主思考和合作探究的能力．

相比于課程分類和授課形式中有80%以上的學生同意現(xiàn)有的課程設置，贊成將基礎物理實驗課程的學分設置為2學分的學生比例略低．進一步了解學生意見發(fā)現(xiàn)，不贊成的學生絕大部分認為在基礎物理實驗課程上花費的時間相比于其他2學分課程的時間較多，故建議將基礎物理實驗課程的學分設置為3學分以上．

以面向物理學專業(yè)的普通物理實驗課程為例，相比于其他高校，北京師范大學普通物理實驗課程的學時高于國內(nèi)院校學時的平均水平，而學分則比平均學分水平略低(例如，北京大學6學分，128學時；復旦大學4學分，96學時)．所以，適當提高基礎物理實驗課程的學分可以增加學生學習本門課程的成功性體驗，對學生積極從事學習任務起到一定的鼓勵作用．

3.2 學生對于基礎物理實驗課程的認識

在課程認識上，調(diào)查主要聚焦學生對于自身學科素養(yǎng)發(fā)展的看法和學生的學習興趣．大學生物理實驗素養(yǎng)是學生在進行物理實驗過程中逐步形成的個人能力和素質(zhì)[3]．從調(diào)查結(jié)果(表4)上看，大部分學生認為基礎物理實驗課程為自身物理實驗技能的鍛煉和實驗素養(yǎng)的發(fā)展帶來了很大的幫助．基礎物理實驗課程有利于提升學生的學科素養(yǎng)．但是，在學習興趣方面，盡管多數(shù)學生對于物理實驗課程有一定的求知欲和興趣，但是在被問及如果該課程不是必修課時是否會主動選課時，愿意主動選課的學生比例顯著下降．

表4 對課程認識的調(diào)查結(jié)果

學生不愿意主動選課的原因主要有兩點：一是認為物理實驗課程與本專業(yè)的聯(lián)系不明顯，相比于本專業(yè)課程，對于物理實驗課程的興趣并不濃厚；二是認為物理實驗難度較大，擔心不能在有限的時間內(nèi)完成課程任務而產(chǎn)生畏難情緒．

總體來看，學生對于基礎物理實驗課程地位和作用的認識比較清晰，但學生學習基礎物理實驗課程的主動性仍有待提高．如果進一步增強物理實驗與學生本專業(yè)之間的聯(lián)系，為學生提供更多展現(xiàn)專業(yè)本領的空間，則有利于增強理工科專業(yè)學生學習基礎物理實驗課程的主動性和自我效能感．

3.3 基礎物理實驗課程的學習現(xiàn)狀

有關學生基礎物理實驗課程學習現(xiàn)狀的調(diào)查被劃分為學習情況、反思發(fā)展和交流合作3個維度，如表5所示．調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學生的課程參與度較高，學習情況良好．所有學生都能做到在課前充分預習實驗，平均預習時間在2 h左右．基礎物理實驗的預習包括對實驗背景、原理和方法的學習，對實驗步驟的思考和對預習思考題的回答．通過預習，學生可以“帶著問題”走進實驗室．教師在課堂上對于實驗的講解多數(shù)采用教師提問和學生回答的方式，以問題促進學生個人的思考和師生與生生之間的對話，幫助學生在頭腦中建構(gòu)出整個實驗的完整框架．從結(jié)果上看，在這種方式下大部分學生在課堂中的學習理解情況也較好．

表5 基礎物理實驗課程學習現(xiàn)狀的調(diào)查結(jié)果

然而，相比于課前預習，學生的課后反思程度略有不足．學生主動拓展延伸實驗的積極性不高且主動查閱文獻資料的意識普遍較差．想要以物理實驗課程為載體，打造創(chuàng)新型、科研型人才，除了推動物理實驗課程向研究型課程轉(zhuǎn)型外，教師還應該有意識地促進學生的課后學習與反思，如提出課后思考題、鼓勵學生展示實驗研究報告、為學生提供優(yōu)秀閱讀的文獻資料等，以激勵學生自主成長．

3.4 學生對基礎物理實驗課程的教學評價

教師的教學狀況和學生的學習情況是各高校都十分重視的問題．為反饋從事基礎物理實驗教師的教學情況，進而尋找基礎物理實驗課程改革的切入點，從學科知識、授課方式和教學技能3個方面對學生開展了調(diào)查，結(jié)果如表6所示．

表6 基礎物理實驗課程教學評價結(jié)果

從表6中可以看出，基礎物理實驗教師的教學工作在很多方面都得到了學生的充分肯定，例如對于實驗教學原理和方法的掌握、教師對于實驗的講授等．但是，在教學技能上還存在一定的提升空間，比如使用PPT等現(xiàn)代教育技術進行授課、對學生的針對性答疑和輔導．由于教師在講授中多采用提問和演示的方式，因此容易忽略教學媒體的運用．在物理實驗課程建設上，北京師范大學及時地創(chuàng)建了虛擬仿真實驗平臺、實驗預習系統(tǒng)等數(shù)字化和網(wǎng)絡化的教學手段．基礎物理實驗課堂可以多多使用已有教學資源，利用現(xiàn)代教育技術手段開展更為開放的實驗教學．

3.5 學生對基礎物理實驗的課程建議

為切實了解學生對于基礎物理實驗課程教學的建議，促進教學質(zhì)量的進一步提升，從對任課教師、對課程材料和實驗設備的建議等方面調(diào)查了學生的想法．從調(diào)查結(jié)果來看，學生提出的意見相對集中，可以將其總結(jié)為兩個方面.

第一，學生建議任課教師適當增加實驗操作過程中具體操作細節(jié)的講解．基礎物理實驗的目的就是為了提高學生的動手能力和實踐能力，以為學生未來在不同專業(yè)領域從事更高一級的科學性實驗打下基礎[4]．因此，教師在實驗課堂上會有意識地減少具體的實驗操作步驟和方法的介紹，而給予學生一定的思考和探索空間．非物理類理工科專業(yè)的學生操作物理實驗器材的機會較少，在儀器操作上的熟練程度不足，尤其是在遇到特殊的實驗儀器時經(jīng)常無從下手．學生的物理實驗技能基礎相對薄弱，這無疑增加了基礎物理實驗課程的難度．對于動手能力較差的學生，教師可以適當增加實驗儀器操作方法的實時指導，平衡好啟發(fā)式教學和講授式教學在課堂中的應用．

第二，學生建議設置與其他理工類專業(yè)更貼近的實驗項目或增加所做實驗與其他專業(yè)之間的聯(lián)系的介紹．基礎物理實驗課程的實驗項目大多源自于普物和近物實驗．為了更好地符合通識課程的課程特點，符合外系學生的學習基礎，基礎物理實驗課程較少強調(diào)學生對于實驗的本質(zhì)機理的掌握，而是側(cè)重于學生對于現(xiàn)象和效應的了解．課堂上，多數(shù)任課教師都會講解實驗的生產(chǎn)生活應用及相關的跨專業(yè)知識，但受學時限制，講解深度具有一定的局限性，且授課方式大多為講授法，學生的感性認識不強．教師可以采用視頻介紹的方式使得對實驗應用的講解更為立體化，也可以采用課前調(diào)研和小組匯報的方式鼓勵學生自主查閱相關物理原理、實驗方法與本專業(yè)的聯(lián)系，以有效增加學生對于基礎物理實驗的認識深度．

4 理工科專業(yè)物理實驗課程的改革策略

近年來，北京師范大學物理實驗教學中心以“強化基礎、注重實踐、提升能力、激勵創(chuàng)新”為教學指導思想，充分發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢，不斷完善教學體系、更新教學手段、改善教學環(huán)境，推動教學改革穩(wěn)步進行．從調(diào)查結(jié)果上看，我校理工科專業(yè)的學生在基礎物理實驗課程的總體學習情況較好，有嚴謹治學的態(tài)度、合作學習的意識等優(yōu)良的實驗品質(zhì)，在實驗技能和學科素養(yǎng)上也得到了一定程度的提高．但是，調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，無論是從學生的學習上還是教師的教學上都有一定的提升空間．因此，基于對調(diào)查結(jié)果的反思與討論，提出3條適用于當前理工科專業(yè)物理實驗的課程改革策略．

4.1 調(diào)整課程設置強化理工科專業(yè)學生對物理實驗課程的認識

清華大學物理系教授葛惟昆提出通識教育與專業(yè)教育同等重要．通識教育所追求的對于學生自由思考、邏輯辨析和獨立學習的能力，為學生未來的發(fā)展奠定了堅實和深厚的基礎[5]．但是，相比于專業(yè)課程，通識課程的重要性往往被學生忽視，學生不愿主動花費時間學習通識課程．這就導致了學生很容易產(chǎn)生“得不償失”的學習感受．所以，提高學生的課程認識是改變理工科學生物理實驗課程學習態(tài)度的根本途徑．

首先，可以結(jié)合學時安排，適當提高物理實驗課程的學分，以提高實驗課程在所在課程模塊中的學分占比，從而從側(cè)面讓學生意識到物理實驗對于科學學科發(fā)展的重要促進作用，從而從學生的心理上提高學生學習的積極性．

其次，可以增加設計性實驗在物理實驗教學內(nèi)容中的比例．深度學習教學理念指出，挑戰(zhàn)性學習任務有利于創(chuàng)造學生對新知的理解，獲得成功的體驗，從而激發(fā)學生持續(xù)探究的興趣[6]．我校基礎物理實驗課程為學生提供了豐富的設計性實驗題目供學生選擇，但是學生僅需要從中選擇一個題目開展實驗研究．往往學生在剛剛體驗到科學探究的樂趣與成就感后，實驗課程就接近尾聲了．學生對于物理實驗的認識得不到有效的強化．因此，增加設計性實驗的課程要求也是增強學生對物理實驗課程的正確認識的方法之一．

4.2 優(yōu)化教學內(nèi)容貼近理工科專業(yè)學生的專業(yè)需求

當前，我國正處于STEAM教育改革的熱門發(fā)展階段．不論是基礎教育還是高等教育，都在積極開展有關學科融合的研究[7，8]．理工科專業(yè)物理實驗課程為跨學科的課程實踐提供了陣地．因此，努力打破學科限制，優(yōu)化實驗內(nèi)容，對于滿足理工科學生的專業(yè)發(fā)展需要，同時進一步滿足學生的科學素養(yǎng)的發(fā)展需要有一定的幫助．

首先，可以強化現(xiàn)有實驗與現(xiàn)代科學技術的聯(lián)系，如核磁共振技術、高溫超導技術、光譜技術的發(fā)展與應用．其次，可以適當減少驗證性實驗的數(shù)目，多引用利用現(xiàn)代技術的數(shù)字化實驗．此外，也可以利用現(xiàn)有的實驗儀器開發(fā)和設計新實驗，或更換原有實驗的實驗目標和實驗內(nèi)容，最大限度地對物理實驗教學進行更新和改造．

4.3 豐富教學形式提高理工科專業(yè)學生的學習興趣

興趣是學生學習的內(nèi)驅(qū)力之一．教育心理學根據(jù)學生學習興趣的產(chǎn)生來源將學習興趣分為直接興趣和間接興趣．直接興趣是學習者對學習活動本身產(chǎn)生的興趣，間接興趣是學習者對活動的價值意義產(chǎn)生的興趣．豐富的教學形式可以增加課程的活力，便于學生領略物理實驗的魅力．

在對物理實驗的直接興趣的培養(yǎng)上：一方面，教師可以引入現(xiàn)代化教學手段，如CCD技術、VR技術、實驗錄像等，豐富實驗教學內(nèi)容，拓寬學生視野，使實驗教學更加立體化、多元化．另一方面，交互式、討論式的教學方法，可以強化學生的主體作用，增強學生的主觀能動性．教師可以為有志于從事科學研究的學生開放物理實驗室，鼓勵外系學生多多接觸物理實驗，探索改進和創(chuàng)新物理實驗的方法[9，10]．

在對物理實驗的間接興趣的培養(yǎng)上：教師要利用物理實驗做好學生的價值引領，在物理實驗課程上滲透德育教育．通過對物理學家的科學精神、科學思維和科學方法的介紹，使學生明確物理實驗的社會價值[11]．從而在當前“立德樹人”的教育目標下，充分發(fā)揮物理實驗的課程思政特色．

5 結(jié)束語

當今世界科學技術迅猛發(fā)展，不同學科專業(yè)相互交叉滲透，許多領域均有充分的發(fā)展活力．

社會對人才的需求是具有實踐能力、創(chuàng)新精神和高科學素質(zhì)的復合型人才．這對于高校做好理工科專業(yè)學生的物理實驗技能和本領的錘煉提出了很高的要求．本文調(diào)查了北京師范大學面向理工科專業(yè)學生的基礎物理實驗課程的課程情況，根據(jù)調(diào)查結(jié)果討論基礎物理實驗課程的優(yōu)勢和不足之處，進而提出了適用于理工科專業(yè)物理實驗課程的改革策略，既為本校更好地改進和完善基礎物理實驗課程指出了方向，也為各高校物理實驗教學的改革提供參考．