新工科大學物理實驗多維度教學模式的探索

陳淑妍，孟 霆，張曉峻，李 平，王曉峰，孫晶華

（哈爾濱工程大學物理與光電工程學院，哈爾濱 150001）

0 引言

教育部“新工科”建設的提出，明確了“三問、三構建”和“5 個更加注重”等教改思路和要求［1-3］。作為進入大學后理工科專業學生接觸的第一門關于實驗方法與技能訓練的基礎實踐課，大學物理實驗是培養學生綜合實驗能力、治學態度、創新意識及提高科學素養的基礎，對新工科建設的人才培養具有重要作用。同時，新工科建設的開展也對物理實驗教學提出了新的要求。但是，目前我國普通高校物理實驗教學仍然存在以下問題：教學方式單一，以教師講授和演示為主，學生更多是機械式重復，枯燥無味且毫無創新性和趣味性，難以培養學生的分析問題解決問題［4］；單一的考核方式，仍然在重復“分分分學生的命根”，很難達到以考促學的目的［5-6］；割裂的實驗內容設置，與專業科研應用交叉聯系少，與當前發展多學科交叉的新工科目標相違背［7］；“單打獨斗”式學習，缺失了團隊精神的培養［8-9］。

針對上述問題，2020 年以來，我校物理實驗中心結合學校新工科人才培養的定位以及新冠疫情防控對實驗教學的需求，積極探索了新工科背景下大學物理實驗多維度教學模式，在教學理念、教學內容，教學質量監控體系等方面進一步改革和提升。

1 多維度教學模式設計與實施

基于我校物理實驗中心“一核雙翼三階”多維實驗教學體系［10-11］，通過實驗內容高階性、創新性、挑戰度（“兩性一度”）的建設，構建了大學物理實驗多維度教學模式，如圖1 所示。

圖1 大學物理實驗課程多維度教學模式結構

物理實驗中心在原有的演示實驗、驗證實驗、綜合實驗、設計實驗等類型基礎上，新增設了高階實驗和創新實驗，構建了三階段六層次的物理實驗教學平臺；在教學方法上，充分利用線上資源，采用多元化教學方法，構成課前、課中、課后的物理實驗研學途徑，拓展了大學物理實驗學習的空間和時間。圍繞物理實驗知識考核、實驗能力考核、實驗素養考核3 個維度考核目標，實施了過程性多維度考核方式，將科創、科技競賽等納入大學物理實驗考核，提升過程性考核的占比，實現了課-賽-研-創的有機融合。

1.1 分層次教學內容

設置了從演示實驗到創新實驗的6 個不同層次實驗類型。通過百余項演示實驗項目供學生實踐體驗，實現第1 階段學生對物理好奇心的喚醒；通過力、電、聲、光、熱等基礎、綜合及設計物理實驗項目，培養學生實驗技能、動手實踐能力、分析問題解決問題能力，實現第2 階段的科學實驗能力的培養；通過增設高階實驗和創新實驗，實現第3 階段的科研素養訓練。其中，高階實驗圍繞學校“三海一核”領域人才培養目標，建設了水下多物理量測量及處理創新平臺，形成船海特色的高階實驗，比如海洋光學系列實驗、水下聲學系列實驗等項目。高階實驗以線下實體實驗為主，輔以虛擬仿真，學生根據實驗要求和實驗器材清單設計實驗方案，教師檢查設計方案后，學生自行完成實驗項目及報告。創新實驗，結合大學物理實驗和專業特點，將科研成果轉化為新型物理實驗項目、設計研制新的物理實驗儀器或實驗方法，每年支持100 組物理創新實驗項目。創新實驗采用項目式教學方式，參考科研項目研究流程，讓學生圍繞具體問題進行項目方案的設計、論證、實施及總結。高階實驗和創新實驗，通過團隊合作，驅動學生在參與過程中循序漸進提升協作解決復雜工程問題的能力，跨學科知識融合能力，培養學生創新思維和探索精神。

1.2 多元化教學方法

充分利用實驗中心的優質線下資源和豐富的線上資源開展線下和線上相結合的教學。一般情況下，大學物理實驗以線下實體教學為主，線上教學為輔；在疫情防控或突發事件的情況下，可以實時進行線上與線下教學切換，靈活調整線上與線下教學課時比例，提升大學物理實驗應對突發情況的能力。

（1）多平臺融合的線上教學。疫情防控常態化背景下，大學物理實驗課程教學難以保證持續性地線下進行，大學物理實驗中心積極探索線上教學新載體新教法，創新線上教學內容、教學平臺，切實提升學生的獲得感。團隊采用“QQ 群+虛擬仿真平臺+雨課堂+智慧樹/中心網站+微信公眾號”等多種平臺融合的教學模式多維度重塑大學物理實驗課程，解決組織學生、信息發布、在線學習資源獲取、在線實時答疑、在線授課、在線考核等問題，對演示實驗、基礎實驗、自主DIY實驗、高階實驗等不同層次實驗內容實施在線教學，使學生在家在寢也能“動手”做實驗，圖2 所示為多平臺融合教學方案。

圖2 多平臺融合教學方案

首先，課前通過QQ 群、雨課堂、智慧樹和物理實驗中心網站發布課前授課通知和預習信息，學生登錄智慧樹和哈爾濱工程大學物理實驗中心網站即可獲取學習資料包（包括課件、視頻、微課等教學資源）進行預習，引導學生自學，讓學生帶著問題進課堂；課中，教師采用雨課堂在線直播方式授課，采用彈幕、提問等方式積極與學生的互動，吸引學生注意力，課后通過智慧樹問答討論區、QQ群在線實時答疑；基于虛擬仿真平臺開展虛擬仿真實驗預習、操作與考核，通過智慧樹實現演示實驗、自主DIY 實驗的報告在線批閱；為拓寬學生的知識視野，提高學生對物理實驗的興趣，通過微信公眾號推送趣味實驗、前沿科學實驗。

（2）線上線下混合式教學。物理實驗中心最早于2016 年開始混合式實驗教學模式的初步嘗試，錄制了“大學物理實驗”慕課，在學校實驗中心平臺上線，用于學生課前在線預習，2018 年實驗中心團隊又升級了“大學物理實驗”慕課，在東西部高校課程聯盟上線，采用二維碼的形式嵌入到實驗教材當中，方便學生預習。2022 年春季學期，實驗中心與科大奧銳公司聯合開發了大學物理實驗虛擬仿真實驗項目，并已應用于實驗教學中。利用線上資源實現對學生預習考核，延拓學生的學習時間和空間。

線上線下混合式教學，學生在課前可以通過科大奧銳虛擬仿真平臺上的實驗預習系統和仿真實驗V4.0進行相關實驗項目的預習，實現對學生預習的過程性考核。線下課堂教學引入“O-AMAS 有效教學”模式［12-13］，以學習結果為導向，根據不同實驗的重點、難點和問題點，在課堂上抽查提問、項目小設計、游戲互動等形式激活學生的多種感官，通過教師不斷給予有效反饋調動學生的積極性，讓課堂活躍起來，讓枯燥干巴的物理實驗變得“好玩兒”起來，讓“要學生學”變成“學生主動學”，實現向以學生中心課堂教學方式的轉變。學生在線下實驗完成之后，可以通過智慧樹、QQ群等線上平臺進行實驗討論和升華。正常情況下，以線下教學為主，占總課時的85%。在發生疫情和突發事件，暫時無法進行線下課程教學情況時，這個占比會進行相應調整，調整為線上實驗教學為主，疫情防控允許之后再開放線下的優質實驗資源，學生進入實驗室操作實驗儀器，進一步提升學生實驗儀器操作的技能，通過多元學習方式引導學生建立物理思維“悟物窮理”。

1.3 過程性多維度考核方式

考核是檢驗大學物理實驗教學目標達成度的重要手段。目前高校物理實驗課程對學生的考核大多采用3 或3 +1 的方式。期末考試，多數高校采用筆試的方式，也有高校采用實驗操作考試的方式，前者很難檢驗實驗過程的操作調節，后者具有一定偶然性［14-15］，公平性欠佳［16-18］。面向新工科人才培養的新需求，大學物理實驗中心提出并實施了過程性多維度考核方式，既為拔尖學生成長提供了快速通道，也為不能適應的學生提供“退路”，順應不同學生的個性化發展，達到以考促學的目的。

過程性多維度考核，針對課程特點及培養目標，把物理實驗考核分成3 個維度，即：物理實驗知識考核、實驗能力考核、實驗素養考核。物理實驗知識考核，包括基本實驗方法及實驗技能等；實驗能力考核指貫穿整個實驗過程中行為表現的考核，包括自主預習能力、動手實踐能力，創新能力，自主探究能力以及總結能力等；實驗素養考核是對學生在整個實驗過程的主動性、責任心、團隊精神、公德意識等主觀因素的考查。圍繞這3 個維度的考核，采用3 +1 +N的方式，通過線上線下結合，形成過程性多維度考核方式。3 +1 +N，即平時考核（預習考核、實驗操作、實驗報告）+期末考核+科創、科技競賽，考核成績按照各項考核的不同權重，合成一份最終成績。其中，平時考核和科創（競賽）為過程性考核，也是促學測評。

不同實驗類型采用不同的考核方法，比如聲速測量、彈性模量測定這類基礎實驗項目采用線上預習考核與線下考核混合式考核方法，引力波實驗這種前沿物理實驗采用線上考核方法，演示實驗采用線下考核，科創、科技競賽以線下考核為主。無論線上還是線下考核，皆圍繞“知識—能力—素養”3 個維度進行。其中，科創、科技競賽的考核，更強調創新與探究的能力考核，通過立項答辯、中期檢查、結題檢查，實驗競賽培訓等方式進行，實時診斷學情，增加創新訓練的覆蓋面，提高創新性和挑戰度實驗項目的比例，以激發學生的創新動力為目標。

每學期初擬定考核方案，告知學生。比如2022 年度春秋兩學期我們采用平時成績（預習、操作、實驗報告）占60%，期末考試成績占40%，演示實驗設計報告成績前5%的同學可以參加答辯，答辯成績優秀者最終總成績加分，并推薦“物理儀器創新設計”專題立項，或推薦參加物理實驗類競賽選拔；完成一項高階實驗和創新實驗可以替代兩項選做實驗項目；參加科創、競賽的學生，依據其表現額外予以加分獎勵。平時成績的占比依據不同實驗特點會有所調整，比如2022 年春秋兩個學期開設的線上虛擬仿真實驗項目，實驗預習占比30%、仿真操作占比30%、實驗報告占比40%，而高階實驗和創新實驗，則采用4∶3∶3的占比。圖3 是2022 年度大學物理實驗中心施行的過程性多維度考核方案。

圖3 過程性多維度考核方案

2 多維度教學實施效果及學生反饋

大學物理實驗課程實施多維度教學模式以來，同學們對大學物理實驗課程評價滿意度達到95%以上，課程目標達成度達到0.84 以上。線上實驗，同學們互助互學，學生評價良好；線下課堂開展了豐富多彩“好玩兒”的小活動，比如我講你問他答、分組討論等，活躍了課堂氛圍，激活了課堂。圖4 所示為實施多維度物理實驗教學模式之前（2019 年）與之后（2022 年）秋季學期參與課程學習的學生物理實驗考核結果分布圖，其中2022 年有28 人因通過物理儀器創新實驗立項而獲得考核優秀。考核結果表明：多維度物理實驗教學模式有效地降低了不及格率，點燃了學生們對物理實驗課程的熱情，達到了以考促學的基本目標；同時，優秀率也一定程度降低，表明分層次教學、多維度過程性考核，提升了物理實驗教學的“兩性一度”，讓優秀更“貨真價實”。

圖4 2019與2022年物理實驗多維度考核結果

此外，全面增強了學生科創比賽競爭力。物理實驗教學中心聯合校團委組織并實施了大學生“物理儀器創新設計”專題立項，每年吸引上百名同學參與。2022 年，共有108 人參加物理儀器創新實驗立項選拔，占總人數的3%。開展的“物理演示儀器創新設計大賽”“全國大學生物理實驗競賽預選賽”“全國大學生物理學術競賽預選賽”，為同學們提供了展示科技創新成果的平臺。近年來，學生參加全國大學生物理實驗競賽，取得了優異的成績，2021 年教學賽獲得一等獎1 項、二等獎2 項，2022 年創新賽獲得二等獎3項、三等獎1 項。

為促進教學持續改進，2022 年秋季學期末對參加大學物理實驗的同學進行了物理實驗多維度教學效果調查問卷，735 名學生進行了反饋。同學們對目前物理實驗提出了一些建議或意見，表達了他們的收獲和體會。根據提條歸納出頻率最高的4 條，如圖5 所示，表明多維度教學取得良好效果，問題主要集中在繼續深化多維度考核、豐富線上線下混合式教學手段，提升學生科學實驗能力與實驗效率。

圖5 物理實驗多維度教學效果問卷反饋統計

3 結語

大學物理實驗課程采用多維度教學模式，減小了后疫情時代突發事件對實踐實驗類課程的沖擊和影響，為工科物理實驗教學改革提供一種新范式，有效支撐哈爾濱工程大學新工科改革。考核結果和學生反饋表明，該教學模式使學生逐漸從傳統教學的配角中擺脫出來，成為課堂真正的主人翁，讓大學物理實驗教學“活”起來，激發學生的科創動力，增強學生創新探索意識提升。今后，大學物理實驗課程將進一步加大科創、競賽在過程考核中的占比，持續改進線上線下混合式教學以及線下課堂教學，提升大學物理實驗課程目標的達成度。