面向工程師人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)類課程建設(shè)探索與實(shí)踐

王崢 安煒 王文文 徐平

摘 要 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)類課程在工程師人才培養(yǎng)過(guò)程中擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力、系統(tǒng)思維能力和工程意識(shí)的重要作用。本文以“物理實(shí)驗(yàn)（光學(xué)）”課程為例，從課程目標(biāo)與定位、內(nèi)容設(shè)計(jì)、授課模式、考評(píng)方式等方面，詳細(xì)闡述了改革創(chuàng)新舉措。課程的改革創(chuàng)新使理科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程為工程技術(shù)類專業(yè)課程的學(xué)習(xí)提供有效支撐，為卓越工程師人才的創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供有力保障。

關(guān)鍵詞 物理實(shí)驗(yàn);課程建設(shè);工程師

2022年9月27日，教育部、國(guó)務(wù)院國(guó)資委聯(lián)合舉行了卓越工程師培養(yǎng)工作推進(jìn)會(huì)。教育部懷進(jìn)鵬部長(zhǎng)在會(huì)上指出，要深刻理解卓越工程師培養(yǎng)的極端重要性，著力破解核心難題，實(shí)現(xiàn)工程教育辦學(xué)方式從學(xué)科專業(yè)單一性和獨(dú)立性向?qū)W科大類交叉、校企深度融合模式的根本轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)目標(biāo)從重視理論傳授向重視工程創(chuàng)新能力的根本轉(zhuǎn)變，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)從唯論文唯獎(jiǎng)項(xiàng)等向考查實(shí)際創(chuàng)新貢獻(xiàn)為主的根本轉(zhuǎn)變[1]。卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃對(duì)高校的工程師人才培養(yǎng)工作提出了更高的要求，如何在傳授理論的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力是擺在高校教師面前的重要課題。

作為工科優(yōu)勢(shì)突出的北京航空航天大學(xué)，以為國(guó)家培養(yǎng)紅色工程師為己任，早在二十多年前就開(kāi)始了工程師人才培養(yǎng)的模式創(chuàng)新，包括與法國(guó)中央理工大學(xué)集團(tuán)合作，于2005年創(chuàng)立的北航中法工程師學(xué)院 [2]，旨在借鑒法國(guó)工程師培養(yǎng)理念、模式和成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合北航高等工程教育的優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)具有國(guó)際視野和創(chuàng)新意識(shí)的卓越工程師人才。在十多年的探索實(shí)踐過(guò)程中，有較為豐富的積累，特別是在基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程的有效銜接、實(shí)驗(yàn)課程對(duì)工程師專業(yè)人才培養(yǎng)的支撐等方面，有值得推廣的經(jīng)驗(yàn)。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)類課程在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、系統(tǒng)思維能力和工程意識(shí)等方面具有非常重要的作用。然而，實(shí)驗(yàn)課在一些高校中存在學(xué)生重視程度不足、學(xué)習(xí)興趣不高，課程內(nèi)容陳舊，教學(xué)模式死板、僵化等問(wèn)題。本文以北航中法工程師學(xué)院開(kāi)設(shè)的本科生必修課“物理實(shí)驗(yàn)（光學(xué)）”的課程建設(shè)為例，探討如何在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)類課程的教學(xué)實(shí)踐中通過(guò)有針對(duì)性的課程設(shè)計(jì)，遞進(jìn)式的師生、生生互動(dòng)授課模式，以及多維度的考評(píng)方式來(lái)促進(jìn)學(xué)生的工程意識(shí)和實(shí)踐能力培養(yǎng)。

1 課程定位與目標(biāo)

北航中法工程師學(xué)院采用“本科碩士”與“預(yù)科工程師”融合的培養(yǎng)模式，專業(yè)方向?yàn)橥ㄓ霉こ處煛１究齐A段強(qiáng)化學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科知識(shí)的融合、應(yīng)用能力并注重培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)。“物理實(shí)驗(yàn)（光學(xué)）”課程是一門面向通用工程師專業(yè)大三學(xué)生開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)類基礎(chǔ)課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)構(gòu)建能力、綜合運(yùn)用光學(xué)等相關(guān)知識(shí)和數(shù)學(xué)工具建模并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力、系統(tǒng)思維能力、解決復(fù)雜問(wèn)題能力和工程意識(shí)。本課程對(duì)于通用工程師專業(yè)學(xué)生由強(qiáng)化理科基礎(chǔ)階段進(jìn)入工程教育階段的順利進(jìn)階具有重要意義。

圍繞北航培養(yǎng)新時(shí)代領(lǐng)軍領(lǐng)導(dǎo)人才的辦學(xué)定位，結(jié)合通用工程師培養(yǎng)目標(biāo)要求，確立了本課程的教學(xué)目標(biāo)：

（1） 掌握常用光學(xué)儀器的工作原理和調(diào)節(jié)方法，具有光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本知識(shí)和工程意識(shí)，具備對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行建模的能力。

（2） 能提出問(wèn)題并結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停酶黝惞ぞ撸ㄜ浖┖图夹g(shù)資源，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并完成實(shí)驗(yàn)操作。

（3） 能對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)合理性進(jìn)行評(píng)估，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的合理性，從而具備知識(shí)的構(gòu)建能力。

（4） 具有團(tuán)隊(duì)精神，能以口頭和書(shū)面方式參與學(xué)術(shù)討論并準(zhǔn)確表達(dá)實(shí)驗(yàn)思想和結(jié)論。

2 課程改革創(chuàng)新與實(shí)踐

2.1 課程設(shè)計(jì)

圍繞課程目標(biāo)和專業(yè)定位，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，開(kāi)設(shè)出適合實(shí)踐動(dòng)手能力和工程意識(shí)培養(yǎng)的、層次化遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。課程目前共有六個(gè)專題12個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（見(jiàn)表1），涵蓋幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)內(nèi)容。根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)特點(diǎn)和“兩性一度”要求，以專題形式編排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。每個(gè)專題包含多個(gè)（知識(shí)）由淺入深、（操作）由易到難、（系統(tǒng)性或應(yīng)用性）由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，并且關(guān)聯(lián)度很高的系列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)中引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，獲得客觀真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或特征，再對(duì)數(shù)據(jù)或特征進(jìn)行分析以解釋物理現(xiàn)象，從而幫助學(xué)生形成物理世界觀。

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生鞏固知識(shí)并掌握光學(xué)實(shí)驗(yàn)基本技能;拓展性實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生歸納分析、建模和驗(yàn)證模型以及利用模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象預(yù)測(cè)的能力;設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生在限定條件下，基于理論和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、完成實(shí)驗(yàn)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行有效性和局限性分析的能力;而應(yīng)用性探究實(shí)驗(yàn)則可以培養(yǎng)學(xué)生基于需求建立模型、模擬仿真、構(gòu)建實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)比較仿真結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與需求之間差異，修正模型、改進(jìn)設(shè)計(jì)以逼近實(shí)際需求的能力。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生需要綜合運(yùn)用各種知識(shí)和技能，包括數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐等技能。

2.2 授課模式

根據(jù)實(shí)驗(yàn)難度和課程特點(diǎn)，實(shí)施小班化教學(xué)（每班12～15人），保證教師有足夠的時(shí)間指導(dǎo)和與學(xué)生互動(dòng)。教學(xué)過(guò)程中不規(guī)定嚴(yán)格統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)步驟，而是在講義中以設(shè)置問(wèn)題的形式一步步引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、動(dòng)手操作、記錄數(shù)據(jù)、總結(jié)規(guī)律、最終給出觀點(diǎn)或結(jié)論。根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目特點(diǎn)，綜合運(yùn)用采用引導(dǎo)啟發(fā)式、互動(dòng)辯論式、共情探索式等教學(xué)方法，鼓勵(lì)學(xué)生自主探索。下面分別舉例說(shuō)明：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要以學(xué)生自主動(dòng)手實(shí)踐為主，教師把控整體進(jìn)程并作適當(dāng)引導(dǎo)和階段性總結(jié)，學(xué)生有充分的試錯(cuò)時(shí)間和空間。如“薄透鏡和球面鏡焦距測(cè)量及諾莫圖法應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生從實(shí)像到虛像、實(shí)物到虛物觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從定性到半定量、定量測(cè)量薄透鏡和球面鏡焦距，中間穿插多個(gè)討論環(huán)節(jié)，最后由教師根據(jù)歸納法，以諾莫圖法[3]對(duì)各類薄透鏡和球面鏡的成像特點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，并以天文望遠(yuǎn)鏡的研究作為應(yīng)用拓展。

有些概念比較抽象的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以教師理論講解和知識(shí)梳理開(kāi)始，中間穿插實(shí)驗(yàn)演示、現(xiàn)象討論等環(huán)節(jié)。如“光的偏振特性研究”，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要由光強(qiáng)的變化反推偏振態(tài)的變化，具有很強(qiáng)的抽象性，需要學(xué)生有非常扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、清晰的物理模型和正確的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。為保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行并有實(shí)際收獲，需要教師在課堂中系統(tǒng)梳理相關(guān)知識(shí)，有序把控實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，并組織學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象開(kāi)展有效的討論和辯論。

對(duì)于有些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中結(jié)合科學(xué)研究、工程技術(shù)前沿的討論題目，需要在師生、生生互動(dòng)中層層推進(jìn)，沒(méi)有確定的答案，通過(guò)共情探索拓展，主要目的是培養(yǎng)學(xué)生批判性思維和學(xué)術(shù)交流能力。根據(jù)觀察到的現(xiàn)象、得到的數(shù)據(jù)，學(xué)生應(yīng)在批判性地解釋這些數(shù)據(jù)和現(xiàn)象基礎(chǔ)上，得到基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的初步結(jié)論;根據(jù)實(shí)驗(yàn)課堂的組織形式，通過(guò)書(shū)面和口頭形式，陳述結(jié)果、推論或自己的觀點(diǎn)。

2.3 考評(píng)方式

考核方法和標(biāo)準(zhǔn)與課程目標(biāo)高度契合，引入法國(guó)教育部的六項(xiàng)能力評(píng)價(jià)量表（見(jiàn)表2），以考核學(xué)生知識(shí)和資源的綜合運(yùn)用能力、建模能力、解決實(shí)際問(wèn)題能力為主線，對(duì)學(xué)生分析、計(jì)算、仿真、實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證、交流溝通等能力進(jìn)行多維度、全方位考核，客觀地評(píng)價(jià)考生理論與實(shí)踐的結(jié)合能力以及解決復(fù)雜工程問(wèn)題的綜合能力。學(xué)生成績(jī)由以下三部分構(gòu)成：

（1） 平時(shí)實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)占50%：根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目特點(diǎn)，使用六項(xiàng)能力評(píng)價(jià)量表對(duì)學(xué)生的課堂表現(xiàn)予以評(píng)價(jià)。

（2） 期末筆試成績(jī)占20%：閉卷考試，側(cè)重實(shí)驗(yàn)知識(shí)以及實(shí)驗(yàn)方法的考查。

（3） 期末操作考試成績(jī)占30%：每名學(xué)生獨(dú)立參加操作考試，時(shí)長(zhǎng)1小時(shí)。不同學(xué)生所抽到考試題目可能不同，但難度相同。每份試題針對(duì)某一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目展開(kāi)，題目中全面涵蓋對(duì)六項(xiàng)能力的考查，操作過(guò)程中有明確的與教師交流表述環(huán)節(jié)。

此外，設(shè)置開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，鼓勵(lì)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決一些實(shí)際問(wèn)題。學(xué)生自愿參加，根據(jù)完成質(zhì)量給予最多不超過(guò)10分的加分。

3 課程建設(shè)成效

本課程注重學(xué)生自主探究的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)，給學(xué)生“試錯(cuò)”的時(shí)間和空間，讓學(xué)生有更多的探索機(jī)會(huì)，并在挑戰(zhàn)失敗中建立自信;突出高階性的能力素質(zhì)評(píng)價(jià)，弱化純知識(shí)記憶型考查內(nèi)容，注重學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程，并使用能力量表跟蹤學(xué)生成長(zhǎng)，學(xué)生的適應(yīng)、分析、實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證、交流和自主探究能力得到顯著提升。基于本課程的培養(yǎng)，本科生以第一作者的身份在《大學(xué)物理》雜志發(fā)表實(shí)驗(yàn)研究論文，并有多名學(xué)生獲得北京市大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)和全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新賽三等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。學(xué)生歷年對(duì)課程的評(píng)價(jià)均為優(yōu)秀。課程也得到了法國(guó)教育部巡查督學(xué)的肯定，為學(xué)院申請(qǐng)法國(guó)工程師職銜委員會(huì)（CTI）認(rèn)證提供了有力支撐。

在課程建設(shè)運(yùn)行過(guò)程中，課程團(tuán)隊(duì)積極開(kāi)展教學(xué)研究，在《大學(xué)物理》《物理實(shí)驗(yàn)》等期刊上發(fā)表多篇以實(shí)驗(yàn)研究為背景的教改論文;圍繞國(guó)家需求、學(xué)校的人才培養(yǎng)定位和工程師人才培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)課程教學(xué)模式和方法進(jìn)行了創(chuàng)新發(fā)展，在《物理與工程》《高等工程教育研究》等期刊上發(fā)表了多篇教學(xué)模式改革和教學(xué)方法探索的研究論文。課程獲批北航精品課程、雙百工程（優(yōu)質(zhì)課程）。為課程編寫(xiě)的配套教材“物理實(shí)驗(yàn)（光學(xué)）”為工信部“十四五”規(guī)劃教材，并被評(píng)為2022年北京市優(yōu)質(zhì)本科教材。

4 結(jié)語(yǔ)

面向工程師人才培養(yǎng)的課程，不僅應(yīng)當(dāng)重視理論傳授，更要看重工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。“物理實(shí)驗(yàn)（光學(xué)）”課程以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題能力和工程意識(shí)為導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)物理思想，融入工程技術(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ?xùn)練與工程意識(shí)、工程實(shí)踐能力培養(yǎng)有機(jī)結(jié)合。課程的改革創(chuàng)新可以使理科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程為工程技術(shù)類專業(yè)課程的學(xué)習(xí)提供有效支撐，為卓越工程師人才的創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供有力保障。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 教育部國(guó)資委聯(lián)合召開(kāi)卓越工程師培養(yǎng)工作推進(jìn)會(huì)[DB/

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[2] 北航中法工程師學(xué)院成立[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，

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[3] 劉佳，徐平，陳子瑜，等.諾莫圖法在薄透鏡和球面鏡成像分

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