新工科背景下的大學(xué)物理實驗教學(xué)方法探索與實踐

摘要：隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的加速推進，新工科建設(shè)對高校的人才培養(yǎng)提出了新要求。大學(xué)物理實驗作為工科專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，應(yīng)積極響應(yīng)新工科建設(shè)的號召，圍繞人才培養(yǎng)目標(biāo)，以學(xué)生為中心，以學(xué)生發(fā)展為本，構(gòu)建新工科背景下的大學(xué)物理實驗教學(xué)方法。本文主要闡述了新工科背景下大學(xué)物理實驗教學(xué)現(xiàn)狀，探討了新工科背景下大學(xué)物理實驗教學(xué)改革方法，從實驗內(nèi)容、教學(xué)模式和考核方法等方面闡述了“大學(xué)物理實驗”課程教學(xué)改革的主要做法。

關(guān)鍵詞：新工科背景；大學(xué)物理；實驗教學(xué)；方法探索；實踐

大學(xué)物理實驗是高等學(xué)校本科專業(yè)基礎(chǔ)課程，是工科類專業(yè)的重要課程，承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的重要任務(wù)，在工科人才培養(yǎng)中發(fā)揮著不可替代的作用。隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的加速推進，世界各國都在積極應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，加快推進“新工科”建設(shè)。新工科是以信息技術(shù)為代表的現(xiàn)代科技與現(xiàn)代工業(yè)深度融合而形成的工程教育新形態(tài)，其核心理念是要面向未來解決真實問題，將工程教育融入大學(xué)教學(xué)全過程。因此，高校在教育教學(xué)中應(yīng)積極響應(yīng)新工科建設(shè)的號召，以學(xué)生為中心，以學(xué)生發(fā)展為本，構(gòu)建新工科背景下大學(xué)物理實驗教學(xué)方法。

一、大學(xué)物理課程教學(xué)現(xiàn)狀

部分學(xué)校“大學(xué)物理實驗”課程設(shè)置為32學(xué)時，開設(shè)的實驗項目有力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和近代物理四個部分。各實驗項目從不同的角度培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究能力和創(chuàng)新意識，實驗內(nèi)容涉及物理學(xué)的基本概念、基本原理、基本方法等，涉及物理理論知識、數(shù)學(xué)知識和計算機應(yīng)用知識等內(nèi)容，涉及科學(xué)研究的基本過程和方法。然而，當(dāng)前大學(xué)物理實驗課程存在著諸多問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，實驗內(nèi)容陳舊。大學(xué)物理實驗項目多由學(xué)生在教師指導(dǎo)下自主選擇，因此在實驗教學(xué)中教師不能主動指導(dǎo)學(xué)生進行實驗內(nèi)容的選擇。第二，教學(xué)模式單一。教學(xué)方法和手段相對傳統(tǒng)和落后，以教師講授為主，學(xué)生被動接受知識。第三，考核方式單一。一般為筆試形式，缺乏對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的考核機制。第四，實驗教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)實應(yīng)用脫節(jié)。教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展前沿、先進生產(chǎn)生活實踐相脫節(jié)；教學(xué)過程與學(xué)生實際動手能力培養(yǎng)脫節(jié)；考核方式與教學(xué)效果評價脫節(jié)。針對以上問題，有必要對大學(xué)物理實驗課程進行教學(xué)改革，以適應(yīng)新工科背景下的人才培養(yǎng)需要。

二、新工科背景下的大學(xué)物理實驗教學(xué)方法應(yīng)用策略

（一）加強實驗課程與理論課程之間的銜接

由于大學(xué)物理實驗課程的開設(shè)是在大一結(jié)束后，學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)主要是為了打好基礎(chǔ)，因此在教學(xué)過程中應(yīng)該避免將大學(xué)物理實驗課程作為知識傳授的工具，而應(yīng)該作為培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題能力的課程。因此，在大學(xué)物理實驗教學(xué)過程中，應(yīng)著重加強實驗課程與理論課程之間的銜接，強化對學(xué)生解決實際問題能力的培養(yǎng)。為此，可以將大學(xué)物理理論知識與實驗課程內(nèi)容進行有效整合，形成一門大學(xué)物理綜合實驗課。當(dāng)講解復(fù)雜的科學(xué)理論或?qū)W科時，往往需要涵蓋廣泛的知識領(lǐng)域，以便全面理解相關(guān)概念和原理。舉例來說，在講解電磁場理論時，我們可以深入探討電磁場的物理原理和實驗方法，這涵蓋了電荷、電場、磁場等基礎(chǔ)概念。同時，我們可以介紹法拉第電磁感應(yīng)實驗、庫侖定律等實驗方法，以便學(xué)生更好地理解和應(yīng)用電磁場理論。當(dāng)涉及力學(xué)時，可以將內(nèi)容劃分為經(jīng)典力學(xué)和近代力學(xué)兩個主要領(lǐng)域。經(jīng)典力學(xué)包括牛頓力學(xué)，探討質(zhì)點的運動、力的作用等基本原理。在這方面，我們可以介紹牛頓三定律、動量守恒定律等。而近代力學(xué)則包括相對論力學(xué)、量子力學(xué)等更復(fù)雜的理論，這些理論描述了微觀粒子的行為。此外，振動和波動是力學(xué)的重要分支，涉及周期性運動TZ3yfGhC388aLEIbWfz6nr+7mNiBbUjlcMk5wzzEfr8=和波的傳播，包括諧振子、波動方程等內(nèi)容。

（二）創(chuàng)新實驗教學(xué)模式，實現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念

在大學(xué)物理實驗教學(xué)中，教師的使命不僅是傳授知識，還要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。為了實現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，需要采用一系列創(chuàng)新實驗教學(xué)模式，創(chuàng)造積極的教育環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主動性。首先，教師可以將學(xué)生放置在一個以問題為中心的教學(xué)環(huán)境中。這意味著在實驗項目的選擇和設(shè)計上，教師應(yīng)該挑選那些能夠引發(fā)學(xué)生思考和研究的問題。例如，可以提出一個具有挑戰(zhàn)性的物理問題，要求學(xué)生在實驗中設(shè)計方法來解決。這樣的問題激發(fā)了學(xué)生的好奇心，促使他們積極參與并尋找答案。其次，鼓勵學(xué)生積極參與討論和合作。在實驗課堂上，學(xué)生可以分成小組，共同探討問題并協(xié)作完成實驗。這樣的團隊合作不僅培養(yǎng)了學(xué)生的合作精神，還加強了彼此之間的學(xué)習(xí)互動，促進了知識的共享和交流。最后，教師應(yīng)該充分利用現(xiàn)代科技和網(wǎng)絡(luò)資源，鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動探索。學(xué)生可以使用互聯(lián)網(wǎng)查找相關(guān)資料，觀看實驗視頻，或者使用模擬軟件來預(yù)測實驗結(jié)果。這不僅提供了額外的學(xué)習(xí)機會，還培養(yǎng)了學(xué)生信息檢索和科學(xué)研究的技能。在實驗過程中，教師的角色是引導(dǎo)學(xué)生獨立思考、分析問題和解決問題。教師可以提供必要的指導(dǎo)和建議，但不是簡單地提供答案。這樣，學(xué)生被激發(fā)出自己尋找解決方案的動力，提高了他們解決問題的實際能力。

（三）教學(xué)模式改革

大學(xué)物理實驗教學(xué)是一種“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式，是新工科建設(shè)背景下對大學(xué)物理實驗教學(xué)的新要求，要培養(yǎng)學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新能力、解決復(fù)雜工程問題的能力。傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要是“教師講授、學(xué)生聽、教師做”，即教師在實驗課中起主導(dǎo)作用，學(xué)生在實驗課中處于被動地位，學(xué)生只需簡單地接受知識，缺乏學(xué)習(xí)主動性和積極性。為了解決傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率，部分學(xué)校對“大學(xué)物理實驗”課程教學(xué)模式進行了改革。具體做法如下：

1.整合實驗項目，重新編排實驗順序

針對不同層次的學(xué)生，設(shè)計了不同的實驗項目，每個實驗項目都是一個完整的實驗系統(tǒng)。例如：在“大學(xué)物理測量技術(shù)”課程中設(shè)計了五個獨立的測量項目：（1）平面鏡成像；（2）阿貝定律；（3）測力與測力傳感器；（4）速度測量；（5）角度測量。在每個項目中，首先給出測量目的和要求，然后通過學(xué)生預(yù)習(xí)資料了解儀器的操作方法和注意事項。學(xué)生通過預(yù)習(xí)資料掌握本項目需要使用的儀器原理和使用方法，并與預(yù)習(xí)資料對照，完成基本操作練習(xí)。之后，教師講解該項目需要測量什么內(nèi)容、采用什么樣的方法和原理測量數(shù)據(jù)等內(nèi)容，并給出具體實驗步驟和注意事項，最后將實驗操作部分交給學(xué)生獨立完成。學(xué)生通過操作可以提高對實驗儀器的熟悉程度、對實驗原理和方法的理解程度，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)物理實驗知識的興趣。

2.優(yōu)化教學(xué)方式，線上線下相結(jié)合

在“大學(xué)物理實驗”課程教學(xué)過程中，針對不同層次學(xué)生設(shè)置了不同的教學(xué)方式。對于基礎(chǔ)較好、掌握了基本操作方法和儀器使用方法并且有一定興趣的學(xué)生采取“線下+線上”教學(xué)模式；對于基礎(chǔ)較差、對實驗原理和儀器不熟悉或者沒有興趣的學(xué)生采用“線下+線上”教學(xué)模式；對于特別優(yōu)秀和有較大興趣的學(xué)生采取“線下+線上”教學(xué)模式。

3.改革成績考核方法

為了調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量，改變以往按照實驗報告進行成績考核方式。在成績評定過程中考慮了以下因素：（1）認(rèn)真做好預(yù)習(xí)工作；（2）對儀器操作熟練程度較高；（3）有一定實踐經(jīng)驗；（4）學(xué)習(xí)態(tài)度端正；（5）對實驗現(xiàn)象進行分析總結(jié)。成績評定方法采用百分制加差等分制。

4.改進教學(xué)評價體系

新工科背景下大學(xué)物理實驗教學(xué)評價體系應(yīng)包括三個方面：（1）學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度；（2）對儀器操作熟練程度；（3）對實驗現(xiàn)象進行分析總結(jié)。根據(jù)以上三方面情況，采取不同的評價標(biāo)準(zhǔn)進行成績評定。例如：對于學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度方面，教師可以將學(xué)生在預(yù)習(xí)和預(yù)習(xí)報告中填寫的情況作為評定成績的參考指標(biāo)；對于學(xué)生對儀器操作熟練程度方面，教師可以將學(xué)生在實驗操作中填寫的情況作為評定成績的參考指標(biāo)；對于學(xué)生對實驗現(xiàn)象進行分析總結(jié)方面，可以將教師在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)并提出問題作為評定成績的參考指標(biāo)。

（四）考核方法改革

為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實踐能力，我們在考核方式上進行了改革。傳統(tǒng)的考核方式是期末閉卷考試，主要考查學(xué)生對實驗原理和基本操作的掌握情況，存在考核內(nèi)容單一、主觀評分不客觀等問題，很難全面地評價學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。新工科背景下的大學(xué)物理實驗考核應(yīng)該從學(xué)生實驗方案的設(shè)計能力、實驗技能的掌握程度、實驗操作的規(guī)范性和實驗結(jié)果分析與總結(jié)等多個方面進行全面考查。在“大學(xué)物理實驗”課程中，我們主要采取了以下考核方式：（1）考勤占10%；（2）學(xué)生實驗報告占40%；（3）教師閱卷占20%；（4）平時成績占10%。新工科背景下的大學(xué)物理實驗考核方法充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心和全面發(fā)展的教育理念，更加關(guān)注學(xué)生綜合素質(zhì)和實踐能力的培養(yǎng)。在平時成績方面，要求學(xué)生按時完成預(yù)習(xí)報告，并在教師講解完整個實驗流程后，就某一項實驗內(nèi)容進行操作練習(xí)，達(dá)到熟練掌握該部分內(nèi)容的目的。同時，每項實驗都要提交一份完整的實驗報告。教師在批改學(xué)生的作業(yè)時，不僅要批改實驗方案設(shè)計是否合理、操作是否規(guī)范，還要針對每個學(xué)生的實際情況給予適當(dāng)指導(dǎo)。此外，部分學(xué)生在儀器使用、數(shù)據(jù)處理、計算過程等方面存在困難或者問題時，教師要積極鼓勵并耐心解答。通過這種方式可以有效地提高學(xué)生對所學(xué)知識的理解和掌握程度，調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性和主動性。

在期末考試成績方面，主要采取筆試與機試相結(jié)合的方式進行。其中筆試占40%，機試占60%。在考試內(nèi)容方面，教師結(jié)合學(xué)生的具體情況制定出不同難度、不同層次、不同類型的考試題目，如簡單題、中等題、復(fù)雜題等。例如“大學(xué)物理實驗”課程中“示波器示波方式”這一考點要求學(xué)生對示波器進行測量及處理后，得出波形圖和峰值信號等信息；又如“測力系統(tǒng)位移—時間關(guān)系曲線”這一考點要求學(xué)生對測力系統(tǒng)進行測力和測程等基本操作后測量出各測力值及相應(yīng)位移；又如“測量物體密度”這一考點要求學(xué)生在此基礎(chǔ)上對物體密度進行測量。此外還有些考點要求學(xué)生根據(jù)自己的理解進行作答。總體上看，筆試題目難度適中、綜合性較強。

（五）構(gòu)建新的實驗教學(xué)體系

新工科建設(shè)對大學(xué)物理實驗提出了新的要求，因此，新的物理實驗教學(xué)體系應(yīng)以“基礎(chǔ)、綜合、應(yīng)用”為主線，構(gòu)建三層次四模塊的教學(xué)模式。

1.基礎(chǔ)實驗

該模塊包含基本實驗技能訓(xùn)練和基本物理概念的掌握兩個方面。基礎(chǔ)實驗主要培養(yǎng)學(xué)生正確的思維方法和實驗技能，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、動手操作等能力。

2.綜合實驗

該模塊主要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力，涉及大學(xué)物理實驗中的多個相關(guān)內(nèi)容。綜合實驗不僅要培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力，還要培養(yǎng)其分析問題和解決問題的能力，同時也要注重培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力。在此階段，可將大學(xué)物理實驗課程與計算機、數(shù)學(xué)、物理等相關(guān)課程進行有機融合，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)等能力。

3.應(yīng)用實驗

該模塊主要是為后續(xù)應(yīng)用物理專業(yè)課程作鋪墊。應(yīng)用物理專業(yè)課程既有基礎(chǔ)理論知識又有實踐技能，通過應(yīng)用物理專業(yè)課程可以有效地將大學(xué)物理實驗中所學(xué)到的基礎(chǔ)理論知識應(yīng)用于實際工作中。例如，在大學(xué)物理實驗課程中，通過測量分析一系列典型的光學(xué)測量儀器（如激光測距儀），可以了解其基本原理、操作方法和使用注意事項等。

4.創(chuàng)新實驗

該模塊是為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力而設(shè)置的。在大學(xué)物理實驗課程中，可開設(shè)一些創(chuàng)新性實驗項目，鼓勵學(xué)生積極參與相關(guān)領(lǐng)域的研究活動，以激發(fā)學(xué)生的科研熱情和科研興趣。例如，在大學(xué)物理實驗課程中開設(shè)“激光干涉測量與傅里葉變換”等創(chuàng)新性實驗項目；在大學(xué)物理實驗課程中開設(shè)“利用平面鏡反射測量鏡面反射系數(shù)”“利用凸透鏡對物體進行聚焦”等創(chuàng)新性實驗項目；在大學(xué)物理實驗課程中開設(shè)“利用平板電腦測量物體的厚度”“利用電容傳感器測量電路輸入阻抗”等創(chuàng)新性實驗項目。通過這些創(chuàng)新性項目的開展，學(xué)生能夠更好地了解學(xué)科前沿知識和學(xué)科發(fā)展動態(tài)，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。

（六）實驗教學(xué)與社會實踐相結(jié)合

社會實踐是大學(xué)生接觸社會、了解國情、增長才干、奉獻青春的重要途徑，也是大學(xué)生綜合素質(zhì)教育的重要內(nèi)容。在大學(xué)物理實驗課中加入社會實踐活動，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識的同時，有機會接觸和了解社會，增強學(xué)生的社會責(zé)任感，提高其實踐能力。如通過“綠色照明”的社會實踐，讓學(xué)生了解照明光源在實際生活中的應(yīng)用，以及人們在日常生活中是如何使用照明光源的；通過“科學(xué)研究”的社會實踐，讓學(xué)生了解科學(xué)研究過程中如何確定測量參數(shù)、如何記錄測量數(shù)據(jù)以及如何計算測量結(jié)果；通過“職業(yè)生涯規(guī)劃”的社會實踐，讓學(xué)生了解如何通過自己的努力進入職業(yè)生涯發(fā)展階段，并為以后更好地適應(yīng)工作崗位做好準(zhǔn)備。

結(jié)語

新工科建設(shè)要求高校必須要轉(zhuǎn)變教育思想和教育理念，把培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力作為人才培養(yǎng)的目標(biāo)。在具體實踐中，教師通過重構(gòu)課程內(nèi)容體系、探索新型實驗教學(xué)模式、改革考核方式等方面進行改革探索，取得了較好的效果。“三融合四結(jié)合”的教學(xué)模式和“兩融合四結(jié)合”的考核方式可以更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生實驗技能和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，對培養(yǎng)符合新工科建設(shè)要求、適應(yīng)新時代發(fā)展需要的創(chuàng)新型人才具有一定參考價值。

參考文獻：

［1］秦玉嬌，李勤玉.新工科背景下大學(xué)物理實驗課程教學(xué)改革與探索［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2022（19）：9294.

［2］徐瑛，王思涵，李海軍，等.基于新工科背景下大學(xué)物理實驗課程的改革探討［J］.大學(xué)物理實驗，2021，34（02）：126128.

［3］付林杰，王獻立，許坤，等.關(guān)于新工科背景下大學(xué)物理實驗課程教學(xué)改革的思索［J］.科技風(fēng)，2020（12）：4344.

［4］翟淑琴，李秀平.新工科建設(shè)背景下大學(xué)物理實驗教學(xué)探索［J］.教育理論與實踐，2020，40（03）：5658.

基金資助：2021年河北省教育廳科技處自籌經(jīng)費項目“ⅡⅥ族半導(dǎo)體量子點的第一性原理研究”（ZC2021006）

作者簡介：趙玉娜（1981—），女，漢族，河北邯鄲人，碩士，副教授，研究方向：大學(xué)物理。

*通訊作者：馬俊剛（1982—），男，漢族，河北邯鄲人，本科，高級實驗師，研究方向：大學(xué)物理實驗。