工科物理實驗教材建設研究

［摘 要］新工科建設需要注重更新教學內容和教學理念，以培養符合時代要求的工程技術人才。大學物理實驗課程是培養學生工程實踐能力的啟蒙課程之一，加強大學物理實驗課程的建設對培養全面發展的人才具有重要意義。物理實驗教材是物理實驗課程實踐的重要依據。文章從體現產教融合理念、加強信息技術應用、拓展學生創新思維、培養學生道德情操等方面探索開發符合新工科人才培養理念的物理實驗教材， 以更好地發揮大學物理實驗課程在培養符合時代需求的工程技術人才方面的作用。

［關鍵詞］工科；物理實驗；教材；產教融合；信息化；工程技術人才

［中圖分類號］ G642.423 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）13-0012-04

“新工科”這一概念誕生于2016年，其內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才[1]。新工科建設要求工程教育要不斷更新教學內容和課程體系以適應產業與技術的發展，不斷提高課程趣味性、學業挑戰度。高校應推進產學合作、產教融合、科教協同，構建新工科人才能力體系，培養大批具有較高行業背景知識和工程實踐能力水平、能夠適應行業發展需求的應用型和技術技能型人才，為我國產業發展和參與國際競爭提供智力和人才支持[2-4]。

大學物理實驗是高等學校理工科專業學生的一門重要的必修基礎課程，是大學生接受系統實驗方法和實驗技能訓練的開端[5]。通過學習大學物理實驗課程，學生能初步掌握科學實驗的知識和方法，形成認真嚴謹的科學態度和實事求是的科學作風，為今后的專業學習和進一步深造打下堅實的基礎。因此，作為培養學生工程實踐能力的啟蒙課程之一，大學物理實驗課程的建設對培養全面發展的工程技術人才具有重要意義[6]。大學物理實驗課程的教學內容設置應在不降低基礎理論、基本技能要求的前提下，及時將基礎知識與新產業、新技術、新教學理念相結合，以更好地發揮大學物理實驗課程在培養符合時代需求的工程技術人才方面的作用。

課程是教材存在的合法性根據，教材是課程實施的重要依據[7]。完成教材內容的傳授是課程實施的重要任務，也是達成課程目標的主要途徑。教材建設是教學內容更新的重要方面，根據新工科建設的理念進行物理實驗教材的編寫能更好地發揮大學物理實驗課程在培養工程技術人才方面的作用。常州工學院（以下簡稱我校）作為應用型本科建設高校，始終堅持面向基層、服務地方的辦學定位，致力于培養切合地方經濟社會發展需要的應用型人才，對適用于培養工程技術人才的物理實驗教材的開發與建設有迫切的需要。基于此，本文主要從體現產教融合理念、加強信息技術應用、拓展學生創新思維、培養學生道德情操等方面進行探索，開展工科物理實驗教材建設研究[8]。

一、加強理論應用介紹，體現產教融合理念

應用型本科高校的教學應以培養具有較強社會適應能力和競爭能力的高素質應用型人才為目標。實際上，利用學校與企業不同的教育資源和環境，在高等學校中采用產教融合、校企合作的機制來培養應用型人才，在世界范圍內已經取得了突出的成效。目前，我國在“產教融合、校企合作”方面已積累了多年實踐經驗。在全球科技競爭與新一輪產業變革的背景下，國家產教融合建設也被賦予了新的使命，其內涵和外延不斷擴大，已經上升為推進產業與教育協同發展的國家戰略。

大學物理實驗作為高等院校理工科專業的一門必修基礎課，其基本原理、基本規律在理工科各專業的學習、實踐中有廣泛的應用。將物理實驗教學與生產實際密切結合，突出物理理論的實際應用，不但可以提高理工科學生的學習興趣，還可以助力學校在人才培養過程中實施產教融合。作為大學物理實驗課程教學過程中的基本工具，物理實驗教材需要體現這些原理、規律的實用價值，才能更好地激發學生學習的動力，為各專業在培養人才的過程中實施產教融合奠定良好的基礎[9]。

基于此，課程組針對每一個基礎性、綜合性物理實驗，精選其實驗原理、方法的實際應用作為大學物理實驗課的引言，介紹物理實驗原理在各個領域的應用，體現物理理論在產業中的價值，克服了傳統物理實驗教材只注重基礎理論驗證、不聯系產業發展的缺點。比如，在“剛體轉動慣量的測定”實驗內容前添加引言：“當人造衛星在軌道中運行時，高精度的姿態控制是衛星高質量完成工作的保障，而高精度姿態控制需要精確掌握衛星的轉動慣量信息。太空溫差的變化會導致衛星機械構造的微小形變，從而改變衛星的轉動慣量。因此，地面人員在衛星發射前要通過模擬太空環境進行仿真計算或實驗測量等方式獲得衛星的轉動慣量信息，為衛星的設計與控制提供必要的數據。”通過引入這樣與生產實際相結合的內容，可以讓學生直觀地了解物理實驗的原理、方法與高科技產業的聯系，從理念上幫助學生認識學校學習與企業生產之間的緊密關系，發揮大學物理實驗課程在產教融合中的作用。

二、利用信息技術，開展“虛”“實”互補的教學改革

在傳統大學物理實驗課程學習中，不少學生課前預習是以教材為主，在預習時對實驗儀器的了解僅限于圖片和文字描述，而學生真正進入實驗室后，還是需要花大量時間對照教材了解實驗儀器，這就導致在課堂中，學生沒有足夠的時間對實驗過程進行深入研究與思考。

隨著互聯網和現代信息技術的發展，教育信息化逐漸成為現代教育改革的主要內容之一。教育信息化要求在教育過程中較全面地運用以計算機、多媒體、大數據、人工智能和網絡通信為基礎的現代信息技術，促進教育改革，從而適應信息化社會提出的新要求，對深化教育改革、實施素質教育具有重大的意義。教育信息化是時代潮流，將大學物理實驗課程的學習與網絡信息、仿真技術、人工智能等有機融合是大學物理實驗教學研究的必然發展方向[10]。

在大學物理實驗教材的編寫中，為把大學物理實驗教學與教育信息化相結合、激發學生的學習興趣、提高學生的學習效率，課程組重點采取了以下措施：第一，設置關于仿真實驗的內容，突出網絡在學生自主學習、個性化學習方面的作用，延伸學生學習的時間和空間。在物理實驗仿真系統中設置實驗預習和實驗仿真模塊，使學生可以通過仿真系統中的實驗預習模塊，克服傳統實驗預習中難以理解實驗原理、無法獲得對實驗環境的直觀認識的缺點。實驗仿真模塊克服了傳統實驗室開放的時間和空間限制，使學生可以在任意時間進行實驗操作。在仿真系統中，課程組還設置了課堂教學外的選做實驗，拓展學生的學習范圍。第二，鼓勵學生運用不同數據處理軟件處理實驗數據，拓展學習的廣度和深度，使學生掌握更多的技能，以便之后更好地進行專業課學習和社會實踐。如在“物體的密度測定”實驗后，添加附錄“運用Excel軟件進行數據處理”，詳盡介紹了用Excel軟件完成該實驗數據處理、進行不確定計算的方法和步驟。學生可以參照該附錄進行實踐，增強自己運用Excel軟件進行數據處理的能力。第三，增設電子學習材料。課程組在教材中附上了實驗操作微視頻的二維碼。學生通過掃描二維碼，可以提前觀看教師錄制好的實驗操作視頻，預習實驗，熟悉實驗儀器，為在課堂中順利開展實驗做好準備工作。學生還可以通過教師提供的電子版文字材料，了解實驗原理在更多領域的應用。

通過網絡技術進行“虛”“實”互補的教學改革，為提高線下課堂教學效率及更好地培養學生動手實踐能力提供了支持，使學生的學習能動性得到了一定程度的提高。同時，學生遇到問題也能通過網絡及時與教師進行溝通，這就有效地解決了學生與教師的交流局限于課堂的問題。

三、拓展學生思維，鼓勵課后實踐創新

創新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發達的不竭動力。創新思維是科學創造的前提和動力，是知識創新的源頭。當代大學生需要堅持創新、勇于創新，以迎接未來的科學技術挑戰。作為高等院校理工科學生的一門基礎實踐課程，大學物理實驗需要充分發揮其在培養學生創新實踐能力方面的作用，從學生學習的各個環節挖掘有利于培養學生創新意識、創新能力的內容，讓具有不同能力的學生都能獲得創新的成就感。作為大學物理實驗課程內容重要載體的物理實驗教材，除了為學生學習實驗理論及實驗操作提供指導，還要為學生課后進行實踐創新提供思路，鼓勵學生進行調查研究、動手實踐。

在物理實驗教材編寫中，課程組在每個基礎性、綜合性實驗后設置“探索與研究”板塊，這個板塊中的內容都是經過精心挑選的，所選內容都與該實驗的原理聯系緊密。這個板塊的教學方式不限，可以是調查研究，讓學生通過查閱資料或市場調查，發現實驗原理在各個領域的應用；也可以是課后實踐制作，讓學生通過動手實踐，完成一個反映實驗原理的小制作；還可以是科普宣傳，讓學生通過社區活動或其他形式，用實驗原理解釋生活中的現象或應用，或者讓學生以志愿者的身份在本校演示實驗室對外開放時，用實驗的方式科普物理理論在生產實際中的應用。如在“剛體轉動慣量的測定”實驗后，課程組添加了“探索與研究”板塊，其內容如下：“轉動慣量的測量在汽車、精密機械零部件、電機、導彈與衛星等的設計與制造上都有重要應用。請查閱市場上專用的轉動慣量測量儀器的相關資料，分析其原理，設計測量任意形狀的物體繞一固定軸轉動的轉動慣量的試驗方案。”

物理實驗教材中“探索與研究”板塊的設置，激發了學生的創新意識，挖掘了學生動手實踐的潛力，為學生參加各級各類創新活動與競賽打下了良好的基礎，改變了部分工科專業學生認為學習物理實驗對之后的專業學習幫助不大的看法，特別是部分學生通過參加競賽既鍛煉了自己又有一定的獎項收獲（如在2022年第八屆全國大學生物理實驗競賽中，我校參賽作品共獲一等獎1項、二等獎1項以及三等獎2項），帶動了更多的學生參與物理實驗的實踐創新活動。物理實驗教學過程對學生實踐創新能力的培養，可以更好地助力高校培養工程科技創新和產業創新人才。

四、強化立德樹人理念，培養學生高尚情操

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調，要“使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應”[11]。2019年發布的《教育部關于深化本科教育教學改革 全面提高人才培養質量的意見》中提出，要把思想政治教育貫穿人才培養全過程；堅持把立德樹人成效作為檢驗高校一切工作的根本標準，用習近平新時代中國特色社會主義思想鑄魂育人，加快構建高校思想政治工作體系，推動形成“三全育人”工作格局；把課程思政建設作為落實立德樹人根本任務的關鍵環節，堅持知識傳授與價值引領相統一、顯性教育與隱性教育相統一，充分發掘各類課程和教學方式中蘊含的思想政治教育資源[12]。

在應用型本科高校中，大學物理實驗作為理工科專業的必修基礎課，具有覆蓋學生學科專業多、面向學生范圍廣的特點。物理實驗教學內容中所蘊含的觀點、方法、科學精神等，對學生形成科學的思維方法及辯證唯物主義的歷史觀點有潛移默化的作用。因此，作為大學物理實驗課程重要工具的物理實驗教材應注重引導學生用正確的立場、觀點和方法分析問題，使學生把學習、觀察、實踐與思考緊密結合起來，在學習中養成歷史思維、辯證思維、系統思維和創新思維。為此，在編寫物理實驗教材時，課程組在每一個實驗后添加了“中國科技成就”板塊，介紹中華人民共和國自成立以來在科學技術領域所取得的重大成果，使學生深刻理解科技強國的重大意義，激發學生的科技創新熱情，培養學生的愛國主義情懷。如在“透鏡焦距的測定”實驗后，教材對當前世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡“中國天眼”進行了介紹。位于貴州省的“中國天眼”，于2016年啟動使用，它使得科學家有能力發現更多未知星體、未知宇宙現象、未知宇宙規律。學生通過了解南仁東率領團隊用22年建成世界最大的射電望遠鏡、讓我國射電天文學的研究躋身世界前列的事跡，可以深刻感受到科學家的愛國精神，感悟到科學研究需要持之以恒的奮斗精神。

物理實驗教材需不斷更新內容和形式，以更切合時代的發展，并滿足不同層次學生的發展需求。在物理實驗教材中融入思政元素，有助于培養具有科學思維方法及辯證唯物主義歷史觀的工程技術人才。

五、結語

“復旦共識”[2]“天大行動”[3]和“北京指南”[4]提出工程教育要培養新興工程科技人才，探索實施工程教育人才培養的“新模式”，打造具有國際競爭力的工程教育“新平臺”，建立完善中國特色工程教育的“新體系”，助力我國從工程教育大國走向工程教育強國。大學物理實驗課程是培養學生工程實踐能力的啟蒙課程之一，加強大學物理實驗課程的建設對培養全面發展的人才具有重要意義。物理實驗教材是物理實驗課程實施的重要依據。本文從體現產教融合理念、加強信息技術應用、拓展學生創新思維、培養學生道德情操等方面探索開發符合新工科人才培養理念的物理實驗教材，以更好地發揮大學物理實驗課程在培養符合時代需求的工程技術人才方面的作用。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2] “新工科”建設復旦共識[J]. 高等工程教育研究，2017（1）：10-11.

[3］ “新工科”建設行動路線（“天大行動”） [J]. 高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

[4］ 新工科建設指南（“北京指南”） [J].高等工程教育研究，2017（4）：20-21.

[5］ 教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會，物理基礎課程教學指導分委員會.理工科類大學物理課程教學基本要求、理工科類大學物理實驗課程教學基本要求：2010年版［M］.北京：高等教育出版社，2011.

[6］ 李星月. 論高校物理實驗及其教育意義[J]. 科技風，2021（16）：21-22.

[7］ 李雨竹.淺議課程與教材的內在聯系[J].中國教師，2021（10）：15-17.

[8］ 陳榮軍，王剛，金雪塵.工科物理實驗[M].上海：上海交通大學出版社， 2021.

[9］ 侯新穎，李建. 產教融合視域下高校應用型人才培養策略創新[J]. 江蘇商論， 2022（10）：123-127.

[10］ 劉子龍， 李艷祥， 張瀟， 等. 基于“互聯網+”大學物理實驗智慧課堂的探索與實踐[J]. 大學物理實驗，2022，35（3）： 150-153.

[11］ 習近平：把思想政治工作貫穿教育教學全過程 開創我國高等教育事業發展新局面[EB/OL]. （2016-12-09）[2022-11-12]. http：//cpc.people.com.cn/n1/2016/1209/c64094-28936173.html.

[12］ 教育部.教育部關于深化本科教育教學改革 全面提高人才培養質量的意見[EB/OL]. （2019-10-12）[2022-11-12].https：//www.gov.cn/xinwen/2019-10/12/content_5438706.htm.

［責任編輯：周侯辰］