大學物理實驗教學探究

裴松鵬，張曉婉

（六盤水師范學院 貴州 六盤水 553004）

物理學作為自然學科的基礎，具有研究范圍廣、應用性強等特點，在物理化學、生物物理等交叉領域應用都很廣泛。大學期間對理工科非物理專業學生的物理教學，通常包括大學物理和大學物理實驗兩門公共基礎必修課程，兩門課程都具有教學內容廣、授課學生多、覆蓋學校各個理工科專業的特點。物理實驗課程主要包括實驗操作和實驗數據處理兩大部分，實驗項目覆蓋力學、熱學、電學、光學和近代物理。大學物理實驗作為學生進入系統性實踐操作課程的開端，是一門將理論知識與探究過程緊密聯系的課程，也是一門培養應用型人才的必修課。與側重于理論學習的大學物理課程相比，大學物理實驗課程主要培養學生基本的科學實驗技能和科學素養，要求學生掌握測量誤差相關的基礎知識、會對實驗數據進行正確處理、掌握各類基本物理量的測量方法、正確使用基礎實驗儀器，重點培養學生理論聯系實際的能力、分析問題與積極研究的精神、嚴謹的科學態度和創新意識。

1 大學物理實驗課程教學現狀

大學物理實驗屬于物理教學過程中的重要組成部分，不局限于解題技巧和應試能力的培養，但實驗內容枯燥、授課方式單一、實驗課時不足，導致很多學生不重視該課程。該課程通常與大學物理理論課同時開設，會出現“理論學習與實驗進度不匹配”這一現象，導致學生獨立完成實驗具有一定的難度。若學生在課前不對理論知識、實驗操作和數據處理等內容進行充分有效的預習，在時間和空間都有限的實驗課堂上，只依靠“教師教，學生學”的傳統灌輸式教學模式，對實驗內容無拓展、無關聯、無猜想和無探究地進行實驗，學生會覺得實驗課程枯燥，甚至無用。即使有的學生能夠在教師演示實驗后完成相關實驗的操作和數據記錄，但大多也是依葫蘆畫瓢，缺乏自主學習和獨立思考，對實驗理解不透徹，課后提交的實驗報告中實驗數據的處理也是缺乏邏輯的；而有的學生學習思維固化，嚴重缺乏實踐動手能力，難以獨立完成實驗。如此，很難實現大學物理實驗課程的教學目標。

大學物理實驗通常是由數個涵蓋不同內容的單個實驗組成，單個實驗的考核分為以下幾部分：課前預習階段的課程音視頻觀看情況、預習小測、實驗操作、實驗報告。其中，實驗操作主要考查學生是否能單獨完成實驗，其次是實驗數據是否正確；實驗報告通常都是學生課后完成，教師在批改過程中只能根據實驗報告每部分的完成情況進行評分，歸結下來在一定程度上是對學生的學習態度進行評分。僅憑實驗數據和實驗報告，不能完整地呈現學生的學習情況，教師打分時難免會有失公平，這種“重結果、輕過程”的評價方式也會打擊學生的積極性。此外，實驗操作和實驗報告部分的評價，都過于關注實驗數據的好壞，不符合大學物理實驗課程的教學目標，甚至會誘導部分學生因想獲取高分而篡改實驗數據。單個實驗分別是在不同的實驗室進行，由不同的教師負責，而大學物理實驗課程的綜合成績是由單個實驗成績求平均得到，不同教師的評價標準不統一，評價結果也有所差異。

教學過程融入思想政治教育（簡稱“思政教育”）是非常重要的，思政教育是落實立德樹人根本任務的關鍵，在教育過程中發揮著不可替代的作用[1]。在黨中央和教育部的號召下，教師應在大學物理實驗課程中加強思政教育。但做好思政教育還存在一些問題，如大學物理實驗課程時間緊，教師會更注重把有限的時間花在講解實驗原理和實驗操作上，確保學生能夠順利完成實驗；大學物理實驗內容覆蓋面廣，課程思政教育的建設工作任務重，需要不斷挖掘、積累和完善思政素材，這對授課教師團隊的思政水平和教學技能都提出了挑戰；且思政元素、案例和融入方式與教學內容是緊密相連的，不能大而泛，需要從實驗本身出發，與實驗發展歷程、社會熱點及專業前沿技術等緊密聯系，這樣才能吸引學生的注意力。只有足夠豐富的思政素材和精心設計好的教學環節，才能將思政教育潤物細無聲地融入教學過程。

2 課堂的教學變革

2.1 改革教學方式

與局限于講授為主的理論課相比，實驗課有著更強的探索性和更多的實踐機會，更能激發學生的學習興趣，鍛煉學生的動手能力和觀察能力，在學習過程中應該著重關注學生基本實驗技能和科學實驗能力的培養。大學物理實驗課具備一定的嚴謹性和系統性，在新時代教育的背景下還需要兼顧開放性和創新性[2]。但是，剛從高中進入大學的低年級學生，還較為依賴傳統的灌輸式學習方式，面對具有一定挑戰性的獨立動手探究性實驗課，存在一定的緊張或恐懼情緒，且缺乏自主學習意識和動手實踐能力，故培養學生養成“課前學、課中思和課后用”的學習習慣能有效激發學生學習興趣和培養情感價值認同感。教學過程中強調以學生為主體、教師為主導，增強學生與教師之間的溝通，學生與學生之間的交流，是實現教學目標的重要舉措。

課前，首先教師對本次課的教學目標和教學對象進行充分分析，精心準備教學設計，通過學習通等平臺發布教學動畫、教學視頻、知識點框架、實驗重難點、預習小測并布置相關歷史資料查閱收集的任務，讓學生對相關的物理基礎知識、實驗儀器的使用方法、數據處理方法和實驗背景等內容進行初步學習。其次，學生登錄個人賬號，進入虛擬仿真實驗，對實驗流程和實驗操作進一步學習。最后，學生以教材、教師提供的資料為基礎，結合虛擬仿真實驗的收獲和疑問，查閱相關資料和文獻，完成課前預習PPT的制作。

課中，隨機抽取一組同學使用課前預習PPT進行本次實驗的預習匯報，包括實驗目的、實驗原理、實驗儀器、實驗步驟和實驗數據處理等內容；匯報結束后，其他小組同學舉手提問；針對匯報組未完善或解決不了的問題，可以請其他小組同學進行補充說明或展開專題討論。教師作為教學活動的策劃者，在整個匯報和討論過程中，隨時關注教學活動的進行情況，在學生討論內容跑偏或討論陷入僵局的時候，及時拋出問題加以引導，鍛煉學生自主思考能力的同時，也能加強學生的溝通表達能力。通過學生與學生之間的討論，教師能及時掌握學生的預習情況并調整教學計劃，形成教學共同體。匯報討論結束后，教師進行鼓勵式點評和總結，對學生理解不清的實驗原理與研究方法、未提到的注意事項與生產案例進行講解或補充，如在“測量重力加速度”這個實驗中引入“重力探礦”應用這個案例，能拓寬學生視野，激發學生學習熱情。

課后，建立QQ 群等課后線上交流群，方便師生溝通、學生交流，以及不同專業學生組建團隊進行專題研究或參與學科競賽。對于大學物理實驗，僅課堂上的時間是完全不夠學生進行自主探索和創新能力培養的，學生可以在課堂完成線下實驗后，再進入虛擬仿真實驗平臺進一步探究；大學物理實驗中心可以設定實驗開放日，由教學團隊的教師輪流值班，讓想對實驗進一步探索的學生在課后也能進入實驗室進行自主探索；或者，當實驗室有一批實驗儀器損壞時，也可以在群里發布消息，吸引對實驗儀器有興趣的同學前來探究及觀摩維修。除此之外，還能以教促賽、以賽促教，積極組織學生參加大學生物理實驗競賽、全國大學生物理學術競賽等學科競賽，在鍛煉學生的實踐能力、發掘學生創造潛能的同時，還能激發學生的創新思維，如“三線擺測量物體轉動慣量”這個實驗中，可以針對如擺角大小、擺線長度、擺線材質等變量對實驗結果的影響展開專題研究，使實驗項目化，以此進一步提高學生的科學素養。

2.2 完善考核標準

大學物理實驗是一門對學生進行基礎科學實驗訓練的實踐課程，通過對學生進行系統的實驗方法和實驗技能訓練，為其后續學習專業實踐類課程打下堅實的基礎。過程性考核是大學物理實驗課程考核中最重要的一個環節，在實驗操作評分過程中，以檢查實驗數據為載體，與學生進行溝通和提問，能實現對學生學習能力、動手能力、學習態度和團隊協作能力的全方位考查。首先，學生在進行實驗或實驗結束后對照自我評價表進行逐項自查，自我評價內容包括實驗原理的掌握情況、核心實驗操作的完成情況以及實驗的收獲情況。其次，學生完成自我評價后，再去找教師檢查實驗數據和提問交流，教師可以就以下幾方面進行提問。①實驗數據方面，隨機選擇一組實驗數據，問學生這組數據的意義、使用的測量方法和其在后續數據處理中的作用。②實驗內容方面，針對不同情況的學生，對“測量重力加速度”實驗，可以選用不同的談話內容：對于實驗數據滿分，且時間相對富余的學生，可以問一些拓展性的問題，如“你所了解的測量重力加速度的方法有哪些？”拓展學生的思維；對于實驗數據良好，時間正好夠用的學生，可以問一些基本的問題，如“本實驗測量重力加速度的方法是什么？該方法測量重力加速度的原理是什么？”加強學生的自我認同和學科自信；對于實驗數據不理想或實驗時間不夠用的學生，可以問一些簡單的問題，如“你在測量重力加速度這個實驗中的實驗思路是怎么樣的？”以增強學生的信心。③實驗總結方面，請學生進行自我總結，內容包括實驗過程中的收獲、實驗操作中的注意事項、實驗中遇到的一些小故障及自己的處理方法，如實驗儀器的顯示器不能正常顯示、光電門采集不到下圓盤通過的時間。④實驗反饋方面，收集學生對教學模式、實驗內容、實驗儀器、實驗環境等的反饋意見，利于對后續課程及時調整和完善。

故將大學物理實驗課程的考核調整為預習、實驗過程和實驗報告三個階段進行：預習包括在學習通發布的任務點學習、相關資料查閱收集、預習小測、課堂匯報及參與提問討論這四部分內容，可以分別占總成績的2%、2%、6%和15%；實驗過程包括實驗操作和實驗數據的測量與記錄、與老師的溝通和問答環節兩部分內容，可以分別占總成績的20%和30%；實驗報告包括書寫的格式、計算分析情況和總結，分別占總成績的10%、10%和5%。負責單個實驗的老師們應該加強溝通與交流，在學期開始前，根據自己所負責實驗的教學目標，制定學生自我評價表和學生成績考核標準，向學生公布。只有有計劃、多角度和全方位地對學生進行多元化考核，才能高質量地實現教學目標和培養目標。

2.3 建設課程思政

2.3.1 教師思政

加強師德修養是自我完善的需求，是教師使命的訴求，更是時代發展的要求。作為新時代的高校教師，擁有過硬的思想政治素養是基本要求，還要具備獻身科學研究、追求科學真理、循序科學規律和樂于用優秀品質感染學生等特點。只有這樣，才能真正做到為人師表，才能真正做好思政教育工作。在教學前，認真備課，完善教學設計；在教學過程中，認真聽學生的匯報和討論，耐心聽學生表達自己的想法，站在學生的角度思考問題；教學結束后，及時批改報告、發布教學評價、收集教學反饋、總結教學經驗并完善教學資料庫。

2.3.2 教材思政

教材是課程的核心，是開展課程教學的基礎，也是學生進行系統學習所依，是學生和教師在整個教學過程持續閱讀的文本，對學生的學習和觀念的形成具有深刻影響。豐富教材內容能開闊學生視野，也能提升學生的學習興趣，如在大學物理實驗教材中設置實驗背景簡介、科學家趣味小故事、實驗與生活、實驗與科技前沿等專欄，附二維碼鏈接到課程資料庫。針對地方高校，部分學生的物理基礎較差，可以每年收集學生在理論部分理解遇到的困難，以及提出的反饋意見對教材進行修訂和完善，在實驗原理、數據處理部分寫得更詳盡一些，增強教材的邏輯性，幫助學生理解；對于基礎較好的學生，可以設置供學生選做的挑戰專欄；對于不同專業的學生，可以設置專業拓展專欄，加強基礎學習與以后專業知識學習的聯系；對于有條件的高校，還可開設“小實驗與你身邊的大應用”等專欄，把實驗與本校或當地有特色的專項科研團隊和實驗室相關聯，激發學生的熱情和自豪感。

2.3.3 課程思政

在設計實驗課程時，可以從不同環節，如課前預習環節、課堂講解環節、實驗操作過程、實驗數據檢查過程和課后階段融入思政元素，從不安全的實驗操作、不細心的實驗數據處理和不規范的實驗報告等細節出發，不斷挖掘思政案例，完善思政案例庫。

課前預習環節：對于實驗內容相關的發展歷程及有趣故事，可以在學習通以“實驗趣味小視頻”的形式進行系列播放；對于一些有紀念意義的實驗儀器，可以通過多媒體進行展示；對于與法拉第等科學家相關的實驗（如“法拉第磁光效應實驗”），也可以布置學生在預習階段，查閱該科學家對物理學的主要貢獻，而在引入重力加速度測量這個實驗的時候，可以列舉著名地球物理學家黃大年的先進事跡，介紹他的愛國情懷、敬業精神，以及淡泊名利、甘于奉獻的高尚情操；對于實驗設置的目的和意義，可以布置學生，聯系該實驗在生活生產過程的相關應用，對比國內外的應用情況，進行介紹[3]。積極聯系科技熱點，激發學生的學習熱情，明確學習目標，開闊學生視野，鍛煉學生理論聯系實際的能力。

課堂講解環節：介紹實驗原理時，以小組的形式進行匯報和提問，能鍛煉學生勤于思考和善于協作的能力；對于一些在早期存在爭議的實驗，如“邁克爾遜干涉實驗”，介紹邁克爾遜和莫雷團結協作并否定質疑物理權威概念的事例，培養學生實事求是的科學精神。啟發學生提問和猜想，如對“三線擺測量物體轉動慣量的實驗”，可在實驗講解的過程中，向學生提問：質量相同的圓環和圓柱所測得的轉動慣量是相同的嗎？圓柱的轉動慣量隨著擺放位置越靠近空盤中心是越大還是越小呢？

實驗操作及實驗數據檢查過程：引導學生積極思考，認真實驗。教師也要細致觀察，耐心指導，并靜下心來聽學生對所測結果的分析和想法，不能一味譴責學生，不能打擊學生的積極性和信心。對“單擺法測量重力加速度實驗”，有可能學生測得的重力加速度與理論值不一致，此時應鼓勵學生跳出固定思維，勇于用辯證的眼光看待問題，大膽質疑，要返回實驗，從多方面尋找及分析導致誤差的原因，而不是忙于修改數據，掩飾結果；在“三線擺測量物體轉動慣量的實驗”中，需要分別對長度和時間進行5 次重復的測量，有的學生主觀認為重復測量是沒有意義的，故只測量一次，剩余四次數據完全重復第一次測量值，或稍做修改。在課堂上，教師應該加強監督，及時指出并糾正學生的錯誤想法，杜絕此類現象發生，培養學生一絲不茍、實事求是的科學態度。

課后階段：大學物理實驗課程思政的影響不僅局限于課程教學過程中，還能讓學生養成善于觀察、勤于思考、勇于發問、樂于探索的好習慣，潛移默化地影響學生，讓他們終身受益。鼓勵對物理實驗感興趣的學生報名參加物理實驗競賽，引導學生積極主動學習。

3 結語

隨著時代的進步、科技的發展，學生接受新事物的渠道和能力都在不斷增加和提高，但是對于大學物理實驗這種較為傳統的課程，教學內容隨著時代變化每天不一樣是不可能的，只有不斷探索—實踐—探索教學的手段和方法，吸引學生的注意力，培養學生的興趣；細化評價過程，激發學生探究精神；從教師思政、教材思政和課程思政等方面入手，深度融入思想政治教育，才能滿足新時代大學物理實驗課程的人才培養需求。