近代物理實(shí)驗(yàn)的工程內(nèi)涵教學(xué)探索實(shí)踐*

李澤朋 譚紅革 張連順 楊 雄 杜明潤(rùn)(中國(guó)民航大學(xué)理學(xué)院 天津 300300)

當(dāng)前新工科教育理念提出當(dāng)前工科教育主動(dòng)適應(yīng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以及近年開(kāi)展的CDIO工程教育均以提高學(xué)生創(chuàng)新能力、工程能力為首要目的，是當(dāng)前工科專業(yè)人才培養(yǎng)倡導(dǎo)的教育理念.新工科理念及工程內(nèi)涵教育模式倡導(dǎo)將創(chuàng)新意識(shí)、工程師素養(yǎng)等與學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)結(jié)合，納入理論和實(shí)踐課程教學(xué)過(guò)程；在開(kāi)展專業(yè)基礎(chǔ)教育的同時(shí)，加強(qiáng)工程實(shí)踐內(nèi)涵，強(qiáng)調(diào)綜合創(chuàng)新能力，建立更先進(jìn)的教學(xué)方法體系，使教學(xué)模式與專業(yè)人才能力培養(yǎng)目標(biāo)契合.

“近代物理實(shí)驗(yàn)”是一門(mén)綜合性實(shí)驗(yàn)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)方法課程，材料物理專業(yè)人才培養(yǎng)體系中開(kāi)設(shè)此課程.課程選取物理學(xué)發(fā)展史中主要的實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，有助于材料物理專業(yè)學(xué)生了解如何用實(shí)驗(yàn)手段研究材料物理現(xiàn)象與規(guī)律，加深學(xué)生對(duì)材料物理概念及理論理解，并認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)在材料物理學(xué)發(fā)展中的地位和作用.目前該課程常采用的傳統(tǒng)教學(xué)方法是教師講解原理，演示實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作，學(xué)生根據(jù)講解、演示進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)[1,2].傳統(tǒng)教學(xué)模式在一定程度上限制了學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，不利于激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考的興趣和培養(yǎng)其創(chuàng)新、實(shí)踐精神[1,3].考慮到學(xué)生創(chuàng)新能力、工程意識(shí)和實(shí)踐能力培養(yǎng)是新工科理念及工程內(nèi)涵下實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要任務(wù)[4～7]，因此，在近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開(kāi)展了“項(xiàng)目”式教學(xué)方法探索實(shí)踐，期望更有利于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探索精神、創(chuàng)新能力、工程意識(shí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神等，實(shí)現(xiàn)新工科理念及工程實(shí)踐能力培養(yǎng)，提高專業(yè)人才培養(yǎng)水平[8～11].

1 項(xiàng)目式教學(xué)法實(shí)踐

在近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，改變純驗(yàn)證模式[12～15]，采用“項(xiàng)目”式教學(xué)法，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)視為類(lèi)似“項(xiàng)目”執(zhí)行過(guò)程，學(xué)生小組為實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展的主體，教師負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)執(zhí)行過(guò)程的引導(dǎo)、監(jiān)督、考核角色，進(jìn)行工程內(nèi)涵下的教學(xué)方法實(shí)踐.

結(jié)合不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，按難度和掌握要求不同將實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)型、提高(開(kāi)放研究)型兩類(lèi)，分別采用不同項(xiàng)目式方法，其實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)(設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā))過(guò)程，教學(xué)實(shí)施、考核均在工程內(nèi)涵背景下進(jìn)行，體現(xiàn)學(xué)生主動(dòng)、合作、創(chuàng)新等特色.

1.1 基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)法

基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)如真空鍍膜、塞曼效應(yīng)、核磁共振等，要求觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，了解實(shí)驗(yàn)原理，學(xué)會(huì)定性、定量分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，理解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算.以塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)為例，此類(lèi)實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目式教學(xué)過(guò)程按如下步驟進(jìn)行.

(1)預(yù)習(xí).課程教學(xué)實(shí)施一周前教師與學(xué)生見(jiàn)面，組建學(xué)生分組，學(xué)生閱讀教材和相關(guān)實(shí)驗(yàn)參考書(shū)，了解塞曼效應(yīng)現(xiàn)象原理、應(yīng)用(計(jì)算電子荷質(zhì)比)、實(shí)驗(yàn)儀器.通過(guò)預(yù)習(xí)，小組成員理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、原理、實(shí)驗(yàn)方法等.

(3)教學(xué)效果考核.學(xué)生小組經(jīng)討論確定操作水平，匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、分工完成情況，之后教師對(duì)小組實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)成員的實(shí)驗(yàn)參與、完成度等進(jìn)行評(píng)價(jià).

1.2 提高型實(shí)驗(yàn)教學(xué)法

提高型實(shí)驗(yàn)如光學(xué)平臺(tái)、光柵光譜、棱鏡攝譜儀、X射線衍射實(shí)驗(yàn)等，要求在基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上舉一反三，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)型內(nèi)容，掌握設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并獲取實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、進(jìn)行原理驗(yàn)證的能力.以光柵攝譜儀實(shí)驗(yàn)為例，希望學(xué)生利用反射光柵、汞燈、透鏡、讀數(shù)顯微鏡以及其他光學(xué)輔助配件等，自主搭建光路、觀察光柵衍射現(xiàn)象(光強(qiáng))、測(cè)量第一級(jí)主極大各顏色光位置、計(jì)算各成分光波長(zhǎng).

教師將實(shí)驗(yàn)完成要求設(shè)置為開(kāi)放式，學(xué)生完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)要求后，利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備及配件，提出設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(例如將激光光源、分束鏡、棱鏡等加入到光路，參與調(diào)試、檢測(cè)等)探索新設(shè)計(jì)方案，提出預(yù)計(jì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或結(jié)果；教師參與并評(píng)判設(shè)計(jì)方案可執(zhí)行后，學(xué)生自主開(kāi)展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是否符合設(shè)計(jì)方案；完成設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)后，記錄、整理、計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，教師和學(xué)生一起檢查實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)方案的匹配度.

提高型實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)考核設(shè)計(jì)方案、實(shí)施過(guò)程及實(shí)驗(yàn)效果.小組成員集體評(píng)定分工、操作完成度、結(jié)果合理性，并匯報(bào)任務(wù)的完成情況；之后教師對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、現(xiàn)象、結(jié)果、設(shè)計(jì)方案等進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)成員參與度、任務(wù)完成度進(jìn)行評(píng)價(jià)，給出各成員的考核成績(jī).

2 項(xiàng)目式教學(xué)法效果

對(duì)基于新工科及工程內(nèi)涵的“項(xiàng)目”式教學(xué)實(shí)踐效果及學(xué)生自我評(píng)價(jià)的工程能力進(jìn)行了調(diào)查，經(jīng)過(guò)連續(xù)兩學(xué)期教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生填寫(xiě)問(wèn)卷后反饋給課程組，調(diào)查問(wèn)卷包含課堂授課效果、工程內(nèi)涵能力兩部分.課堂授課效果問(wèn)卷主要統(tǒng)計(jì)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、操作、結(jié)果的理解及掌握度，以及對(duì)“項(xiàng)目”式授課方法的認(rèn)可度等方面；工程內(nèi)涵能力問(wèn)卷(表2)主要統(tǒng)計(jì)學(xué)生自我評(píng)判的主動(dòng)性、團(tuán)結(jié)/協(xié)作能力、探索/思考能力、動(dòng)手能力、總結(jié)能力、交流能力、協(xié)作能力等方面.

兩學(xué)期共涉及上課人數(shù)120人次，分發(fā)調(diào)查問(wèn)卷120份，收回有效問(wèn)卷112份，問(wèn)卷結(jié)果如表1和表2所示.

表1 課堂授課效果問(wèn)卷結(jié)果

表2 工程內(nèi)涵相關(guān)能力問(wèn)卷結(jié)果

由表1可知，就教學(xué)效果而言，學(xué)生一致認(rèn)為掌握程度均得到提高，平均每項(xiàng)認(rèn)可人數(shù)能提高20%以上，且學(xué)生對(duì)該“項(xiàng)目”式教學(xué)法接受度較高.由表2可知，學(xué)生大多認(rèn)為“項(xiàng)目”式教學(xué)過(guò)程中工程能力得到鍛煉，其中主動(dòng)、協(xié)作、交流能力等提高較多，認(rèn)可設(shè)計(jì)能力得到鍛煉的學(xué)生增加最多，增加近95%.從總體看，采用“項(xiàng)目”式教學(xué)方法，近代物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)效果沒(méi)有降低，有較大提高；同時(shí)學(xué)生的工程能力也得到鍛煉.

從任課教師角度看，“項(xiàng)目”式教學(xué)方法過(guò)程中，95%以上項(xiàng)目小組都能順利完成；而且授課結(jié)束后，每次至少有50%的學(xué)生遲遲不愿離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室，仍與任課教師，或與同學(xué)相互討論實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)儀器等，這與之前采用傳統(tǒng)授課模式結(jié)束后最多有2～3人(6%左右)繼續(xù)討論形成鮮明對(duì)比，這充分說(shuō)明，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣、參與度等得到大幅提高.

3 結(jié)論

基于新工科理念及工程教育內(nèi)涵，近代物理實(shí)驗(yàn)課程授課過(guò)程中采用“項(xiàng)目”式教學(xué)法開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探索、創(chuàng)新意識(shí)、工程意識(shí)、團(tuán)結(jié)協(xié)作等相關(guān)能力.通過(guò)教師實(shí)踐，學(xué)生一致認(rèn)為實(shí)驗(yàn)原理、操作、數(shù)據(jù)處理等掌握程度均得到提高，且學(xué)生對(duì)“項(xiàng)目”式授課方式接受度較高，相關(guān)工程能力得到鍛煉，主動(dòng)、協(xié)作、交流、設(shè)計(jì)能力等鍛煉較多. “項(xiàng)目”式教學(xué)探索實(shí)踐為實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)展新工科理念及工程教育內(nèi)涵下的新教學(xué)方式探索提供啟示，為當(dāng)前工科專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革提供新思路.