面向培養卓越工程師的物理課程實驗教學改革與探索

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2025）12-0130-04

Abstract：Experimentsarenotonlyanessential partofphysicscurculum leaing，butalsooneoftheimportant pathways toimprovethequalityofphysicsteachingandcultivatethecomprehensiveliteracyofoutstandingenginers.Physicsteaching groupofSJTUParisEliteInstituteofTechnology（SPEIT）cultivatesstudents‘subjectabilty，engineeingcapabityandscientific spirit，professioalspirit，ysgingteacingontentmprovingexpeimentalassessmntandstrengtenngiologicaluctio. Thisarticlewillpresenthowteachinggroupconductsexperimentalteachingreform，investigateslearningexperienceandeffectof students，andprovidesreferenceandideasforexperimentalteachingofphysicscoursesaimedatcultivatingexcellntegieers.

Keywords： experimental teaching reform；physicscourses；enginering capability；problem oriented； excelent engineers

上海交通大學巴黎卓越工程師學院（以下簡稱中法學院）依托上海交大優勢學科及辦學條件，引進法國工程師培養理念和優質教學資源，致力培養具有國際視野、杰出的工程技術人才和企業界領袖。學院積極探索，形成“基礎通識階段（2.5年） + 工程師專業階段（4年）\"的特色人才培養模式。前2.5年基礎通識階段不分專業，采用“大數學\"和“大物理\"覆蓋數學、物理、化學、計算機科學及機械、通信等應用學科外沿的工科通識教育。之后的工程師專業階段分為機械工程、信息工程、能源與動力工程三個大類進行專業培養。基礎通識階段主要借鑒法國的預科教育，著重強化數、理、化和計算機等基礎學科的學習，在堅固學生工科數理基礎，培養其學科能力（理解、建模、分析、運算和驗算）的同時，關注學生的工程技術能力（應用知識、自主研究、創新、跨學科、團隊協作及交流表達）的逐步形成和提升。

中法學院的所有物理課程均由物理與化學教學組采用團隊教學完成所有教學任務。理論大課平均每周2＼～3次，每次2課時。與其系統配置的實驗課平均每1＼～2周一次，每次2課時，采取20人左右的小班化教學。學生隨機兩兩組合，配有兩名教師，師生配比高，確保每位學生能及時與教師溝通，解決問題。

物理是一門以實驗為基礎的學科。中法學院物理教學團隊始終秉持“以學生為中心，以產出為導向和持續改進\"的OBE（Outcomes-Based Education）教學理念，不斷積極地從內容設計、教學實踐、能力指標和評價體系等各方面來提升物理實驗的教學質量，但仍面臨以下困惑及思考。

學生“實驗習慣\"不佳，哪怕是高年級學生。比如學生能夠按部就班地完成實驗的指定步驟，但對于開放設計型的問題表現出自主探索意識薄弱；課前預習完成度不夠，導致不熟悉實驗，課堂操作低效；不能正確計算實驗結果的不確定度；混淆數值計算中的有效數字；違反實驗室守則，違規操作、在實驗室飲食、實驗結束忘記關閉電源或整理儀器等。

曾經采用間隔性、能力培養為導向的考核：教師根據學生的課堂表現及課后報告給予綜合評價，并針對具體實驗內容制定評價細則。由于考查條目較多且頻次有限，筆者發現對于自覺性不夠、能力不足的學生，實施能力考核時學習壓力過大，無考核時懶散拖沓，課后仍一知半解，實驗效果不甚理想。

物理實驗作為蘊含豐富思政元素的教學環節，不僅能夠幫助學生鞏固理論知識、掌握實驗技能，還能培養學生的科學態度、團隊精神、安全意識和操作規范等多方面的素質。因此，教師應充分重視實驗在課程思政建設中的重要作用，通過優化實驗設置、加強實驗教學管理等方式，挖掘和設計物理實驗中的思政元素。

針對上述問題，筆者所在教學組將通過豐富內容、改進設計、優化考核與融入思政一系列的教改，來提高物理實驗的教學質量，培育學生作為未來卓越工程師所應具備的綜合素養。

一物理課程實驗教學的改革思路

中法學院的物理教學組與基礎階段的數學與計算機教學組，正在逐步構建完善以學生綜合能力為產出的“問題導向式”教學模式，促進學生學科能力及綜合工程能力的全面提升。物理課程實驗對應其他院系的大學物理實驗課，設想加強其所采用的PBL（Prob-lem-BasedLearning）教學[1-2]。PBL教學模式是基于現實世界的以學生為中心的教育方式，把傳統的學生被動接受式學習轉變為主動探究式學習的過程。它在課程設置上具有應用PBL教學模式的條件，實際教學中存在的問題又以缺乏主動性為主，而PBL的特點就在于以“問題\"驅動學生自主開展學習活動，將大量碎片化的知識串聯成學科專業知識鏈，在解決問題過程中培養各種能力[4]。

課程考核作為教學過程中的一個重要環節，既能反映學生學習情況，又對學生學習有重要的導向作用。大學物理實驗考核應該貫穿教學過程的始末，在教學環節的整個過程中重視對學生的實驗技能、問題分析與處理能力、創新能力等的考核，科學全面地引導監督學生。實驗操作環節作為實驗教學的重要環節，教師將學生實驗態度、實驗操作技能、實驗問題的解決等方面作為實驗考核的依據。在大學物理實驗教學過程中，應系統全面地對學生知識水平、素質能力、創新精神和行為規范等進行綜合把握，進行科學合理的考核評價。加強對實驗預習效果的檢查，準確把握學生的實驗操作情況，突出實驗報告中結果討論與誤差分析的地位，將學生的日常行為規范納入考核范圍。科學合理的實驗課程考核評價體系能客觀反映學生綜合素質和創新能力，實現教與學的良性反饋，提高實驗教學質量。

思政教育重在課程，其建設是為了更好地達成課程的育人目標和人才培養目標。學生在自主完成實驗過程中，會展現出比理論課程更為豐富的人格特點和行為特征，這給課程思政教育提供了廣闊的舞臺和機會，在大學物理實驗授課過程中密切關注學生實驗情況，及時找準契機對學生進行科學的、嚴謹的治學態度的培養，會起到事半功倍的效果。大學物理實驗授課過程中要把握好每個可以融人思政元素的關鍵點。物理實驗中會涉及一些儀器使用的安全問題，在教學過程中要強調儀器的安全使用，提高學生的安全防護意識和規范操作能力。實驗數據處理與分析是實驗報告的重要內容，實驗數據處理過程不僅要遵循相應的公式和物理知識，而且處理過程要嚴謹細致，根據實驗計算結果與分析可以大致評價學生實驗水平的高低[8]。

二 物理課程實驗教學的改革措施

筆者所在教學團隊通過添加線上線下元素來豐富實驗內容，通過遵循問題導向，將實驗編排成一個解決問題的全過程來改進實驗設計。通過建立全過程的實驗評價體系來增強考核實效。通過強化實驗教學與考核中的思政建設來提升實踐環節的“教書育人”實效。以多元素、遵循問題為導向的科學設計引導學生自主探究，以科學合理的考核機制激勵和督促學生高效完成實驗。本輪物理課程的具體實驗教改措施分為三部分。

第一，基于原有物理實驗指導素材，重新編排實驗內容及設計。課前，將運用LTSpice軟件模擬運算電路作為電學實驗的預習要求，對于其他物理分支學科，設計理論預習部分，引導學生獨立思考，如何實現目標，引出實驗問題。課中，循序漸進地指導學生完成實驗，最后部分要求學生自主設計步驟來實現實驗目標，以此研究問題。課后，要求學生思考如何改進實驗，解析實驗現象、結果等，由此分析問題。將每次實驗安排成一個解決問題的全過程，培養學生應用知識、自主研究、創新、團隊協作、交流表達，以及解決實際問題的綜合實踐能力。

第二，每次實驗設計一張考查評價表，教師當堂記錄學生理論或與軟件模擬的課前預習完成情況，檢查實驗的主要步驟結果，并要求學生填寫重要結果，在實驗課結束后當堂提交。實驗課反復強調安全規范操作和遵守實驗室安全守則，強化安全紀律教育，并將安全意識、操作行為等作為每次實驗固定的考核內容，牢固樹立學生的安全規范理念，強化安全責任擔當。實驗結束后，要求學生關閉設備，斷開電源，整理實驗器材，教師也將記錄在表內。以上作為實驗的課中表現考查。對于要求撰寫報告的實驗，另外重新設計一張綜合能力評價表，結合課后提交的實驗報告給予綜合評分，建立全過程的實驗考核體系。

第三，遵循“教學評一體化”原則，筆者將思政教育以“溶鹽于水”的形式融入實驗教學的同時，也將對應的思政元素納人實驗考核。課前通過學生自主學習、理論證明與計算、自主軟件模擬來讓學生學會數學思維與方法，培養其探索精神。課中通過學生隨機兩兩合作完成操作、數據處理與分析、自主設計步驟來培養其工程師職業規范、嚴謹的科學態度、學術誠信、團隊協作、探索與創新精神。課后通過學生合作撰寫報告、思考實驗結果和改進來培養其團隊協作、探索與創新精神。

此處以一次實驗課為例來具體闡述教改措施，為大一下學期大學基礎物理的實驗3：惠斯通電橋。

課前預習：理論推導，證明惠斯通電橋的相關電路分析結果，推導電橋平衡時的四個電阻之間的關系。軟件模擬，實現惠斯通電橋，驗證電橋平衡時與非平衡時的電流大小。改變不同的電阻值，驗證惠斯通電橋的平衡條件。

課中操作：測量線圈的電阻，步驟一使用萬用表的電阻表直接測量250圈線圈的電阻，并計算其測量的不確定度；步驟二使用惠斯通電橋來測量電阻，包括選擇合適的電阻，實現電路，測量電阻并計算其不確定度。比較用兩個步驟得出的結果，并用不確定度來作評論。步驟三測量電阻的變化，標定電橋。選擇合適的電阻，實現帶有一可變熱敏電阻（可變電阻箱）的電橋。使用萬用表的電流表將電橋平衡，測量記錄此時的電阻并計算其不確定度。使用電壓表，改變電阻箱的大小，記錄其對應的電壓值。通過作圖擬合和計算得出熱敏電阻的靈敏度，推出可測量溫度的最小變化。

課后報告：要求實驗合作的兩位學生以小組為單位撰寫、提交報告，報告內容包括理論推導與模擬結果；實驗結果及其不確定度；回答實驗指南的所有問題。筆者重新設計一張綜合能力評價表，包括針對課前預習、課中操作、課后報告，與融入的思政元素，結合課上使用的考查評價表，給予學生綜合評價。并于批改后，連同報告將綜合能力評價表反饋給學生。

三物理實驗教改實踐的調研與思考

針對上述在中法學院基礎階段物理課程中開展的實驗教改實踐，筆者就其實施效果做了一次無記名問卷調查。調查對象為學院在讀的本科一、二年級學生，收到問卷共計142份。其中95份大一問卷（占比66.9% ），47份大二問卷（占比 33.1% ）。

調查一提問學生哪些物理實驗中的環節有助于學習物理。 51.4% 的學生選擇實驗前預習， 79.6% 選擇實驗設備的操作， 71.8% 選擇實驗數據的收集與分析，29.6% 選擇實驗報告的撰寫， 66.9% 選擇與同學或與教師討論。可見，大部分學生是認可設備操作、數據收集與分析的。選擇預習與報告撰寫的學生數相對較少，教師需思考如何讓學生認識到課前預習與撰寫報告對于學習物理的重要性，提高實驗積極性與參與度。如通過提供報告示例，給予學生指導，尤其是大一學生。

調查二是學生傾向實驗類型的結果。 73.9% 的學生喜歡驗證性實驗， 61.3% 喜歡探究性實驗， 35.2% 喜歡設計性實驗。由此，教師需探究學生相對排斥設計性實驗的原因，并采取相應的對策，激發學生的設計興趣和動力，培養創新能力。設計性實驗通常要求學生具備一定的基礎知識與實驗技能，若難度過高，學生可能會感到挫敗。教師要根據學生的實際情況，合理編排設計性實驗的難度、內容與比例，并提供必要的提示和引導。

調查三提問學生認為理論預習對實驗過程理解和操作的幫助程度。 74% 的學生認為幫助大， 22.5% 認為一般， 3.5% 認為幫助小。絕大部分學生還是認可理論預習的重要性的，其不僅能幫助學生明確實驗目的、提高實驗效率，還能培養應用知識等能力。

調查四是學生就自主使用LTSpice軟件作為電學實驗模擬預習的反饋感想。其中，過半數學生 （52.8% ））認為其是有幫助的。 58.5% 的學生認為能有助提前熟悉實驗步驟和操作流程，提高預習效果； 62% 認為能預測實驗結果，在實際實驗時更加得心應手； 54.9% 認為能通過調整電路參數來觀察不同的實驗結果，更好地理解電路工作原理； 33.1% 認為能提升自主學習能力和探索精神。可見，項目創新增設電學模擬預習部分是達到預期教改效果的。

調查五是學生就每堂實驗課填寫提交考查評價表的反饋體會。 76.1% 的學生認為能督促完成實驗的每個部分（預習、操作、分析等）； 57% 認為能引導養成記錄保存、思考分析實驗結果的習慣； 34.5% 認為能督促遵守實驗室安全及操作守則； 57% 認為能提高對實驗課程的重視度與參與度。由此，項目創新采用考查記錄表作為實驗主要考核形式能達到設定教改目的。但認可督促遵守實驗室安全及操作守則的學生人數未過半數，今后教師還需加強學生的安全意識教育，如可通過明確守則內容、強調實驗室安全的重要性、設置獎懲機制等。

調查六是學生就物理實驗能達成學習效果的反饋。 72.5% 的學生認為能加深對理論知識的理解和掌握； 76.8% 認為能提高實驗技能和實踐動手能力； 50% 認為能增強學習興趣和動力； 60.6% 認為能提高團隊合作與交流表達能力； 49.3% 認為能培養科學思維和科學素養。

調查七要求受訪學生就物理實驗的內容編排與設計進行打分，1分至5分。5分為“你覺得實驗內容合理，與課程緊密相關”，1分為“你覺得物理實驗內容不合理，與課程毫無相干”。大一均分4.3分，大二均分4.4分。

調查八要求受訪學生就物理實驗的實踐課堂（課堂氛圍、實驗操作、指導討論等）進行打分，1分至5分。5分為“你覺得實驗課體驗很好”，1分為“你覺得實驗課體驗很差”。大一及大二均分皆為4.3分。

調查九要求受訪學生就物理實驗的總體開展情況及教學效果進行打分，1分至5分。5分為“你覺得物理實驗的總體教學效果很好，你很受益”，1分為“你覺得物理實驗的總體教學效果很差，你沒收獲”。大一均分4.2分，大二均分4.3分。

綜合上述打分，學生對本輪物理課程實驗的設計、編排和實施是認可和給予好評的。

四 結束語

實踐是理論的基礎。物理學是一門以實驗為基礎的自然科學。通過實驗教學，學生可以親手操作實驗器材，觀察實驗現象，從而更深入地理解概念和原理；學生要用所學知識來分析問題、記錄數據、設計方案和分析結果等，從而鍛煉動手能力，培養解決實際問題的綜合能力與創新思維能力；學生需要遵循科學方法，保持嚴謹的科學態度。由此，實驗在物理教學中具有舉足輕重的地位，它能夠將枯燥、抽象的知識生動化、具體化，激發學生的學習興趣和積極性。同時，實驗也是人才培養過程中不可或缺的一環，對于提高學生的綜合能力、培養他們的科學精神和創新意識具有重要意義。

中法學院基礎階段的實驗教學是每門物理課程的重要組成部分。筆者與教學團隊通過豐富內容、改進設計、優化考核與融入思政，提高物理課程的實驗教學質量。將每次實驗內容都設計成一個解決問題的全過程。課前通過理論與軟件模擬作為預習，引出問題，課中通過循序漸進的實驗操作來研究問題，課后通過思考評價實驗結果與步驟、撰寫實驗報告來分析問題。結合每次實驗的考查評價表和若干次綜合能力評價表建立全過程的實驗考核體系。教師根據學生的課前預習、課堂操作和課后報告給予綜合評價，并針對具體實驗內容制定評價細則，做到“因材施考”。遵循“教學評一體化\"原則，將思政教育以“溶鹽于水\"融人實驗教學的同時，也將對應的思政元素納人實驗考核。通過實驗教學來讓學生學會科學方法，從而培養他們的科學精神和職業精神。

筆者及團隊將持續鉆研改進物理實驗教學，設想挖掘線上資源，如虛擬仿真平臺、在線實驗實訓等。新冠感染疫情期間，為保障線上教學，特別是實驗課程的線上教學質量，面向全國高校開放了全部優質在線課程和虛擬仿真實驗教學資源。探索線下元素，比如口袋實驗儀器，豐盈實驗資源。“口袋實驗\"教學方式不是簡單的實驗設備小型化，而是理論與實踐充分結合，以提高學生實踐能力為核心的一種教學方式，它逐漸在高校中流行[]。

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