面向工程師人才培養的基礎實驗類課程建設探索與實踐

王崢 安煒 王文文 徐平

摘 要 基礎實驗類課程在工程師人才培養過程中擔負著培養學生實踐動手能力、系統思維能力和工程意識的重要作用。本文以“物理實驗（光學）”課程為例，從課程目標與定位、內容設計、授課模式、考評方式等方面，詳細闡述了改革創新舉措。課程的改革創新使理科基礎實驗課程為工程技術類專業課程的學習提供有效支撐，為卓越工程師人才的創新能力培養提供有力保障。

關鍵詞 物理實驗;課程建設;工程師

2022年9月27日，教育部、國務院國資委聯合舉行了卓越工程師培養工作推進會。教育部懷進鵬部長在會上指出，要深刻理解卓越工程師培養的極端重要性，著力破解核心難題，實現工程教育辦學方式從學科專業單一性和獨立性向學科大類交叉、校企深度融合模式的根本轉變，培養目標從重視理論傳授向重視工程創新能力的根本轉變，評價標準從唯論文唯獎項等向考查實際創新貢獻為主的根本轉變[1]。卓越工程師培養計劃對高校的工程師人才培養工作提出了更高的要求，如何在傳授理論的同時培養學生的工程創新能力是擺在高校教師面前的重要課題。

作為工科優勢突出的北京航空航天大學，以為國家培養紅色工程師為己任，早在二十多年前就開始了工程師人才培養的模式創新，包括與法國中央理工大學集團合作，于2005年創立的北航中法工程師學院 [2]，旨在借鑒法國工程師培養理念、模式和成功經驗，結合北航高等工程教育的優勢，培養具有國際視野和創新意識的卓越工程師人才。在十多年的探索實踐過程中，有較為豐富的積累，特別是在基礎課程與專業課程的有效銜接、實驗課程對工程師專業人才培養的支撐等方面，有值得推廣的經驗。

基礎實驗類課程在培養學生的實踐動手能力、系統思維能力和工程意識等方面具有非常重要的作用。然而，實驗課在一些高校中存在學生重視程度不足、學習興趣不高，課程內容陳舊，教學模式死板、僵化等問題。本文以北航中法工程師學院開設的本科生必修課“物理實驗（光學）”的課程建設為例，探討如何在基礎實驗類課程的教學實踐中通過有針對性的課程設計，遞進式的師生、生生互動授課模式，以及多維度的考評方式來促進學生的工程意識和實踐能力培養。

1 課程定位與目標

北航中法工程師學院采用“本科碩士”與“預科工程師”融合的培養模式，專業方向為通用工程師。本科階段強化學生的數理基礎，培養學生多學科知識的融合、應用能力并注重培養學生的工程意識。“物理實驗（光學）”課程是一門面向通用工程師專業大三學生開設的實驗類基礎課程，旨在培養學生的知識構建能力、綜合運用光學等相關知識和數學工具建模并設計實驗的能力、系統思維能力、解決復雜問題能力和工程意識。本課程對于通用工程師專業學生由強化理科基礎階段進入工程教育階段的順利進階具有重要意義。

圍繞北航培養新時代領軍領導人才的辦學定位，結合通用工程師培養目標要求，確立了本課程的教學目標：

（1） 掌握常用光學儀器的工作原理和調節方法，具有光學測量系統設計的基本知識和工程意識，具備對實驗系統進行建模的能力。

（2） 能提出問題并結合實驗系統建立相應的實驗模型，利用各類工具（軟件）和技術資源，設計實驗系統并完成實驗操作。

（3） 能對實驗數據合理性進行評估，并基于實驗數據驗證模型的合理性，從而具備知識的構建能力。

（4） 具有團隊精神，能以口頭和書面方式參與學術討論并準確表達實驗思想和結論。

2 課程改革創新與實踐

2.1 課程設計

圍繞課程目標和專業定位，優化教學內容，開設出適合實踐動手能力和工程意識培養的、層次化遞進的實驗項目。課程目前共有六個專題12個實驗項目（見表1），涵蓋幾何光學和波動光學內容。根據實驗課程教學特點和“兩性一度”要求，以專題形式編排實驗內容。每個專題包含多個（知識）由淺入深、（操作）由易到難、（系統性或應用性）由簡單到復雜，并且關聯度很高的系列實驗項目。實驗中引導學生通過觀察實驗現象，獲得客觀真實的實驗數據或特征，再對數據或特征進行分析以解釋物理現象，從而幫助學生形成物理世界觀。

基礎性實驗可以幫助學生鞏固知識并掌握光學實驗基本技能;拓展性實驗可以培養學生歸納分析、建模和驗證模型以及利用模型進行實驗現象預測的能力;設計性實驗可以培養學生在限定條件下，基于理論和實驗模型設計實驗、完成實驗并對結果進行有效性和局限性分析的能力;而應用性探究實驗則可以培養學生基于需求建立模型、模擬仿真、構建實驗，并通過比較仿真結果、實驗結果與需求之間差異，修正模型、改進設計以逼近實際需求的能力。實驗中學生需要綜合運用各種知識和技能，包括數學、計算機、實驗和實踐等技能。

2.2 授課模式

根據實驗難度和課程特點，實施小班化教學（每班12～15人），保證教師有足夠的時間指導和與學生互動。教學過程中不規定嚴格統一的實驗步驟，而是在講義中以設置問題的形式一步步引導學生設計實驗方案、動手操作、記錄數據、總結規律、最終給出觀點或結論。根據實驗項目特點，綜合運用采用引導啟發式、互動辯論式、共情探索式等教學方法，鼓勵學生自主探索。下面分別舉例說明：驗證性實驗項目主要以學生自主動手實踐為主，教師把控整體進程并作適當引導和階段性總結，學生有充分的試錯時間和空間。如“薄透鏡和球面鏡焦距測量及諾莫圖法應用”實驗，要求學生從實像到虛像、實物到虛物觀察實驗現象，從定性到半定量、定量測量薄透鏡和球面鏡焦距，中間穿插多個討論環節，最后由教師根據歸納法，以諾莫圖法[3]對各類薄透鏡和球面鏡的成像特點進行歸納總結，并以天文望遠鏡的研究作為應用拓展。

有些概念比較抽象的實驗項目，以教師理論講解和知識梳理開始，中間穿插實驗演示、現象討論等環節。如“光的偏振特性研究”，實驗過程中要由光強的變化反推偏振態的變化，具有很強的抽象性，需要學生有非常扎實的理論基礎、清晰的物理模型和正確的實驗設計。為保證實驗順利進行并有實際收獲，需要教師在課堂中系統梳理相關知識，有序把控實驗進程，并組織學生基于實驗現象開展有效的討論和辯論。

對于有些實驗項目中結合科學研究、工程技術前沿的討論題目，需要在師生、生生互動中層層推進，沒有確定的答案，通過共情探索拓展，主要目的是培養學生批判性思維和學術交流能力。根據觀察到的現象、得到的數據，學生應在批判性地解釋這些數據和現象基礎上，得到基于實驗結果的初步結論;根據實驗課堂的組織形式，通過書面和口頭形式，陳述結果、推論或自己的觀點。

2.3 考評方式

考核方法和標準與課程目標高度契合，引入法國教育部的六項能力評價量表（見表2），以考核學生知識和資源的綜合運用能力、建模能力、解決實際問題能力為主線，對學生分析、計算、仿真、實驗、驗證、交流溝通等能力進行多維度、全方位考核，客觀地評價考生理論與實踐的結合能力以及解決復雜工程問題的綜合能力。學生成績由以下三部分構成：

（1） 平時實驗操作成績占50%：根據實驗項目特點，使用六項能力評價量表對學生的課堂表現予以評價。

（2） 期末筆試成績占20%：閉卷考試，側重實驗知識以及實驗方法的考查。

（3） 期末操作考試成績占30%：每名學生獨立參加操作考試，時長1小時。不同學生所抽到考試題目可能不同，但難度相同。每份試題針對某一個實驗項目展開，題目中全面涵蓋對六項能力的考查，操作過程中有明確的與教師交流表述環節。

此外，設置開放式實驗項目，鼓勵學生應用所學知識解決一些實際問題。學生自愿參加，根據完成質量給予最多不超過10分的加分。

3 課程建設成效

本課程注重學生自主探究的實驗能力培養，給學生“試錯”的時間和空間，讓學生有更多的探索機會，并在挑戰失敗中建立自信;突出高階性的能力素質評價，弱化純知識記憶型考查內容，注重學生學習過程，并使用能力量表跟蹤學生成長，學生的適應、分析、實現、驗證、交流和自主探究能力得到顯著提升。基于本課程的培養，本科生以第一作者的身份在《大學物理》雜志發表實驗研究論文，并有多名學生獲得北京市大學生物理實驗競賽一等獎和全國大學生物理實驗創新賽三等獎等獎項。學生歷年對課程的評價均為優秀。課程也得到了法國教育部巡查督學的肯定，為學院申請法國工程師職銜委員會（CTI）認證提供了有力支撐。

在課程建設運行過程中，課程團隊積極開展教學研究，在《大學物理》《物理實驗》等期刊上發表多篇以實驗研究為背景的教改論文;圍繞國家需求、學校的人才培養定位和工程師人才培養目標，對課程教學模式和方法進行了創新發展，在《物理與工程》《高等工程教育研究》等期刊上發表了多篇教學模式改革和教學方法探索的研究論文。課程獲批北航精品課程、雙百工程（優質課程）。為課程編寫的配套教材“物理實驗（光學）”為工信部“十四五”規劃教材，并被評為2022年北京市優質本科教材。

4 結語

面向工程師人才培養的課程，不僅應當重視理論傳授，更要看重工程創新能力的培養。“物理實驗（光學）”課程以培養學生解決復雜問題能力和工程意識為導向，強調物理思想，融入工程技術的方法，實現了科學素養和科學實驗能力訓練與工程意識、工程實踐能力培養有機結合。課程的改革創新可以使理科基礎實驗課程為工程技術類專業課程的學習提供有效支撐，為卓越工程師人才的創新能力培養提供有力保障。

參 考 文 獻

[1] 教育部國資委聯合召開卓越工程師培養工作推進會[DB/

OL] http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/moe_

1485/202209/t20220927_665483.html

[2] 北航中法工程師學院成立[J].北京航空航天大學學報，

2005（7）：734

Establishment of Sino-French Engineer School in Beihang

University [J].Journal of Beijing University of Aeronautics

and Astronautics， 2005（7）：734（in Chinese）

[3] 劉佳，徐平，陳子瑜，等.諾莫圖法在薄透鏡和球面鏡成像分

析中的應用[J].大學物理，2010（6）：5-8.

LIU J， XU P， CHEN Z Y， et al. Application of Nomorgragh

in the imaging analysis of the thin lens and spherical

mirror [J]. College Physics，2010（6）：5-8.（in Chinese）

[4] Classes préparatoires aux grandes écoles ： Filière scientifique

MPSI [EB/OL]. https：//prepas.org/index.php？ document=

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