大學物理實驗教學在“工程化”教育理念下的創新性研究*

許永紅，程榮龍，劉曉偉，葛立新

（蚌埠學院數理系，安徽蚌埠 233030）

大學物理實驗教學在“工程化”教育理念下的創新性研究*

許永紅，程榮龍，劉曉偉，葛立新

（蚌埠學院數理系，安徽蚌埠 233030）

該文以蚌埠學院為例，對大學物理實驗教學的一些實踐經驗進行總結，討論了在“工程化”教育理念下加強大學物理實驗教學創新性研究的幾點措施:改進大學物理實驗教學方法，培育創新素質;重視開放性實驗室建設，提供創新資源;開展課外科技競賽活動，培養創新精神;鼓勵學生參與教科研項目，增強創新意識;加強大學物理實驗教材建設，體現創新成果;加強實驗工作隊伍建設，提高創新能力.

“工程化”教育;大學物理實驗;創新

“工程”一詞的含義是指將自然科學的理論應用到工農業生產領域中去而形成的各種學科的總稱，它有兩個要素:一是自然科學的理論，如數學、物理學、化學等基礎科學的原理.二是生產技術，人類將兩者有機地結合，通過利用自然和改造自然，達到為人類服務的目的，如水利工程、航天工程、土木建筑工程等等.所謂的“工程化”教育就是將科學理論、生產技術和教育三位一體化，將大學的學科專業建設產業化、技能培養工程化、素質教育企業化.“工程化”教育不僅要向學生傳授現代化的科技知識，更應該在知識的傳授過程中滲透工程技術的內容，使之體會和掌握工程設計、工程實踐的一般規律和基本分析方法，避免課堂教學脫離實際的傾向.因此，以“工程化”教育為平臺，就是在高等教育中建立合理的“工程化”人才培養模式，以提高“四個能力”為目標，著力培養學生的學習能力、實踐能力、創新能力、就業創業能力，而創造性思維能力是這“四個能力”的基礎和核心，因此培養大學生創造性思維能力是“工程化”人才培養的關鍵之一.

著名諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中教授認為“任何理論沒實驗證明是沒有用的，實驗可以推翻理論，但理論絕對不能推翻實驗”;“自然科學理論不能離開實驗的基礎，特別是物理學，它是從實驗開始的”，因此說，實驗是培養創新人才的重要環節.大學物理實驗是以實踐為主的學科，是高等學校理工科各專業對學生進行科學實驗基本訓練的必修基礎課程，是本科生接受系統實驗方法和實驗技能訓練的開端.它覆蓋面廣，具有豐富的實驗思想、方法、手段，同時能提供綜合性很強的基本實驗技能訓練，更重要的，它還是工程技術的一個重要基礎，這是由于在工程技術領域發展過程中，大多數操作方法與測量都是建立在大學物理實驗操作技術基礎上的，它在培養學生應用和創新能力方面起到了其它實踐類課程不可替代的作用，將為學生終生學習和繼續發展奠定必要的基礎.

因此，大學物理實驗教學怎樣在“工程化”教育理念下培養學生應用數學、科學與工程等知識的能力;進行設計、實驗分析與數據處理的能力;驗證、指導及解決工程問題的能力;應用各種技術和現代工程工具去解決實際問題的能力和創新實驗能力等，更好地發揮該課程創新性和實踐性的特點，對培養學生的專業技能和工程能力具有重要的意義［1］.

筆者以蚌埠學院為例，對大學物理實驗教學的一些實踐經驗進行分析和總結，從六個方面探討了如何在“工程化”教育理念下加強大學物理實驗教學的創新性研究，提高大學生的實驗技能和創新能力.

1 改進大學物理實驗教學方法，培育創新素質

大學物理實驗教學為了適應“工程化”教育教學的要求，培養學生的創新素質、創新意識和創新能力，就需要適時改進大學物理實驗課程教學方法.首先，實驗項目的設置要遵循大學物理實驗課程的系統性、科學性、實用性的原則，構建“基本技能、綜合培訓、設計創新”三個不同層次的實驗教學體系.其次，不同層次的實驗內容遵循不同的教學目標及要求:基礎性實驗以基本技能訓練為主，結合適合于各專業的普及型實驗培養學生科學實驗方法、能力和素養;綜合實驗是綜合應用多種方法和技術的實驗.此類實驗的目的是鞏固學生在基礎性實驗階段的學習成果，進一步開闊學生的眼界和思路，提高學生對實驗方法和實用技術的綜合運用能力;設計性實驗和研究性實驗源于課本但又高于課本，是由學生自己設計方案并基本獨立完成全過程的實驗，或學生以個體和團隊的形式，圍繞基礎物理實驗的課題，以科研方式進行的實驗，激發學生的潛能，形成專業的基本素質和基本技能，培育創新素質.

基于“工程化”教育教學的要求，蚌埠學院大學物理實驗教學內容在遵循教學大綱和總課時不變的情況下，根據各專業的不同要求，在保證基礎實驗內容的前提下，優化實驗項目，在內容上適當減少一些傳統的驗證性實驗，增加較新的綜合性、設計性和研究性的實驗內容，同時設置了仿真實驗以及實驗數據處理系統等等，并利用現代多媒體技術等先進手段改進傳統的教學方法，提高教學質量.

例如:利用小型多媒體投影儀，對于操作性強的實驗儀器（如分光計、顯微鏡、示波器等），將儀器的調節部位、調節步驟通過投影放大，使學生有清晰直觀的感覺:利用仿真實驗把實驗設備、教學內容、教師指導和學生操作有機地融合為一體，通過對實驗環境的模擬，加強學生對實驗的物理思想和方法、儀器的結構及原理的理解，拓寬范圍，開拓視野，打破課堂的限制，使實驗課在空間和時間上得到延伸;利用學生在實驗過程中的誤差分析及誤差計算，引導學生思考如何改進課本上的實驗方法，并利用實驗室現有條件自制教學儀器附件，指導學生利用MATLAB解決物理實驗中的具體問題等等，彌補傳統實驗教學的不足.

通過實驗方法的不斷改進，使大學物理實驗教學緊跟時代、科技的發展，增強實用性，既提高了科技含量，又激發了學生學習的興趣，培育了學生創新素質，增強了學生的理解和應用能力，為使學生能夠盡早地成為優秀的工程技術人才打下堅實的基礎.

2 加強開放性實驗室建設，提供創新資源

開放性實驗室建設是高等學校實驗教學改革措施之一，對培養和提高學生綜合素質、創新能力具有重要意義.1993年聯合國教科文組織成立了“國際21世紀教育委員會”，提出“學會求知、學會做事、學會共處、學會做人”是未來教育的四大基礎支柱，這些要求在高等學校開放實驗室的建設中能得到很好的體現.

蚌埠學院大學物理實驗中心高度重視開放實驗室的建設，安排了一批責任心強，熱心于開放實驗室工作的任課教師擔任實驗室的管理和指導工作，為開放性實驗室建設工作提供了保障，實驗室里能做的任何實驗研究項目，只要經過批準和預約，實驗室負責人都會精心安排好時間、地點、人員及儀器設施，保障實驗的順利實施.學生在開放實驗室中自愿組成實驗小組，從實驗內容方案的制定，具體操作的分工與協作，預期問題的解決，所用知識的獲取，一直到實驗報告的完成等等，都體現了培養學生協作精神和創新意識等綜合能力［2］.

例如，同學們在開放實驗中利用PASCO物理實驗系統，通過不同組件的搭配進行一些新的實驗設計，并利用光電等傳感器進行數據采集，同時進行過程程序控制和數據自動化處理等，這些實驗內容很好地處理了大學物理實驗和光電信息等其它工科專業實驗的結合問題，既做到了因材施教，又培養了學生的“工程化”能力.

3 開展課外科技競賽活動，提高創新意識

課外科技競賽活動是高等學校在“工程化”背景下培養大學生創新精神，增強大學生綜合素質的一條行之有效的途徑，不僅是對基礎教學體系的拓展，更是對“工程化”教育教學的進一步深化.蚌埠學院把開展課外科技競賽活動納入大學生創新實踐平臺的主體，建立了一整套的競賽活動評價機制、激勵機制和獎勵機制.各系結合自己的專業特點定期舉行各類學科競賽活動，層層選拔優秀學生參加院級競賽和省級競賽，對于每個競賽活動，學校相關部門都會根據實際需要給予專項支持，對獲獎學生的指導教師給予適當的物質獎勵，并在年終單位考核、個人考核和職稱評審時給予加分，以此激勵教師積極主動地利用課余時間有針對性地指導學生參加各項科技創新活動，并對學生進行系統的理論與技能培訓，舉辦賽前集中輔導等等.在學校的大力支持和老師的精心指導下，同學們積極思考、刻苦鉆研、互相幫助、集思廣益，師生共同營造了一個有利于激發學生創新意識、培養學生創新能力的良好氛圍.通過各項課外科技競賽活動的開展，提高了大學生的綜合實驗能力、思維能力、應用能力和創新能力，并在各級各類競賽中取得了優異的成績.

如在歷年的“高教社杯全國大學生數學建模競賽”中獲得過全國本科組一等獎、安徽賽區一等獎等多項獎項;在近兩年舉辦的“安徽省大學生物理實驗競賽”中，學院選送的參賽同學全部獲獎，這個成績在全省同類高校中名列前茅，成績的取得受益于蚌埠學院對“工程化”教育教學的高度重視.

4 鼓勵學生參與教科研項目，培養創新精神

教師鼓勵學生參與教科研項目，并把它結合到實驗教學中，是培養學生的實踐能力、工程意識和創新精神的重要途徑之一.其中一些較簡單的內容可以交給學生在實驗室里獨立地完成，一些復雜的綜合性的內容可以在教師的指導下組成小組，利用實驗室已有的儀器與設備，通過圖書館、網絡等多種途徑查閱相關的資料，獨立設計實驗方案，提高他們獲取知識的能力，使學生從實驗的設計方案、操作過程、數據處理到實驗報告等各個環節得到一次全面的綜合性的訓練，并結合實驗結果撰寫論文［3］.

這樣做不但有利于教師自身的專業研究和提高其教學質量與效果，而且有利于激發學生的學習興趣，提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，提高學生的團隊合作精神、交流和溝通能力、正確的文字表述能力、創新精神等等，為培養學生的“工程化”應用創新能力奠定了良好基礎.

蚌埠學院數理系11級光信息科學與技術專業的學生尤祥、王金周和陳佳暐同學組成小組，參與了教師的蚌埠學院教研項目“‘工程化’教育背景下的大學物理實驗教學改革與實踐（Jylz1205）”，他們在教師的指導下，利用課余時間在開放實驗室中潛心鉆研，反復進行實驗，進行不同直徑的鋼球在甘油中下落過程中運動規律的研究，同時，利用MATLAB軟件對不同直徑的鋼球在液體中的運動速度、加速度、加速運動的距離等物理量進行了計算和擬合，并結合實驗結果分析撰寫了《基于MATLAB在小球在粘滯液體中下落運動的研究》的論文.此文將實驗與MATLAB軟件擬合相結合，比較系統地研究了實驗室中小球在粘滯性的流體中的運動規律，結果表明:小球的直徑很大程度上影響了粘滯系數公式的合理選擇.該課題研究結果對“用落球法測液體粘滯系數”這一大學物理實驗必修內容的教學有一定的啟示作用.

5 加強大學物理實驗教材建設，體現創新成果

教材是體現教學理念、教學內容和教學要求的知識載體，是進行教學的基本工具，也是深入教學改革、提高教學質量、體現教學內容的基本保證.自編教材作為教材的一個重要組成部分，則更能體現一個學校的辦學活力與特色.因此，做好教材建設工作，尤其是自己編著高質量的教材，越來越受到高校領導的重視，許多高校都在實踐中取得了較好的成績.

蚌埠學院數理系在學校的大力支持下，充分利用已有的資源，在鞏固和發展現有成果的基礎上，對課程體系進行改革和探索，進一步加強教學與科研的結合，開辟大學物理實驗教學的新模式，突出培養學生理論聯系實際的綜合應用能力.經過多年的課程建設、教學改革和實驗室建設，數理系教師在2010年集體編寫并由安徽大學出版了教材《大學物理實驗教程》（第一版）.該教材是在自編試用多年的《大學物理實驗講義》基礎上進行改編而成的.教材出版使用三年以來，在教育教學過程中取得較好的人才培養效益，為培養“應用型”人才打下了良好的基礎，并在2012年獲蚌埠學院教學成果獎.

為了進一步凝結和體現學科建設與課程建設成果，根據科學技術發展、學科發展和教學改革的需要，促進教學內容與課程體系改革，使教學內容更加符合蚌埠學院實驗室建設和“工程化”教育教學需要，確保高質量教材進課堂，數理系教師結合新一輪人才培養方案，在總結教材使用、建設經驗的基礎上對《大學物理實驗教程》（第一版）進行改編和修訂，并編寫了與該教材配套的多媒體課件，在2013年出版了《大學物理實驗教程》（第二版）.該教材內容更加完善、豐富，突出重點、凸現特色，體現了“工程化”、“應用型”的教育教學理念，反映了人才培養模式和教學改革最新趨勢，具有全、新、實的特點，啟發性和應用性更強，增強了學生“工程化”思想和“工程化”能力的訓練.同時，在教材的編寫和使用過程中，數理系通過以老帶新，在師資隊伍建設、實驗教學、實驗室建設等方面都取得了一系列可喜的成績，培養和鍛煉了一支穩定的、高素質的實驗工作隊伍.

《大學物理實驗教程》（第二版）在2013年被評為安徽省高等教育“十二五”省級規劃教材，它是蚌埠學院數理系教師多年來課程建設和教學改革研究成果的體現，是集體智慧的結晶，是“工程化”教育教學改革的成果.

6 加強實驗工作隊伍建設，提高創新能力

實驗工作隊伍建設是決定能否培養出“工程化”應用型人才的重要原因之一.目前，高等學校專業教師隊伍中大多數教師是博士、碩士畢業，學歷較高，有較深的科研根基，但普遍缺乏工程實踐經歷.因此，要鼓勵教師到企業去實踐鍛煉，每年安排部分教師到企業實習和參與企業實際工程項目或研發項目，以獲得比較豐富的工程實踐經歷，加強“雙師型”教師的培養，提高工程實踐能力和指導創新性較強的實驗項目的能力，研究和設計具有創新性的實驗供學生選擇.例如在實驗中，怎樣將光譜儀引入創新性設計實驗教學之中，引導學生在了解光譜儀的原理，熟悉其操作，并能熟練使用光譜儀進行測試的基礎上進行光譜分析等［4］.

由于創新性教育改革是各高校的共同要求，因此，加強校際之間的合作與交流是快捷獲取先進教育理念的重要渠道，對于創新能力建設具有重要作用.這里不僅包括實驗教師之間的交流，也包括實驗室管理人員之間的交流，可以采取走出去和請進來的方式，通過訪問學者、參加學術會議、合作研究、評估經驗交流、開放課題等各種方式，建立緊密的協作關系，汲取創新性的教學理念.以實驗室為“工程化”教學平臺，以“面向工程、項目驅動、能力培養、全面發展”的教育理念，形成“教與學緊密結合、理論與實踐緊密結合、學校與企業緊密結合，全面素質教育”的教育模式，充分利用產學研項目研究過程更貼近實際工程項目的特點，把以課堂傳授知識為主的學校教育與直接獲取實際經驗、實踐能力為主的生產、科研實踐有機地結合起來，提升學生的動手能力與創新能力.建設一支具有豐富實踐經驗的教師隊伍，推動“工程化”教育在實驗教學中的深入開展.

在“工程化”教育理念下全面推進應用型、創新型教育改革，已成為理工科高等教育的主流.大學物理實驗是實踐性較強的課程，加強物理實驗教學的創新性研究，對培養實踐能力強、素質高的創新性、應用型人才具有十分重要的意義［5］.

［1］許永紅，等.“工程化”教育背景下大學物理實驗課程建設的思考［J］.赤峰學院學報（自然科學版），2012（12）:10 －11.

［2］許永紅，等.開放性實驗室建設中提升大學生綜合素質的思考［J］.產業與科技論壇，2013（24）:203.

［3］鄧小清，楊昌虎.創新人才培養模式下大學物理實驗教學的改革實驗［J］.實踐教學，2013（19）:143－144.

［4］李素文，鞠曙光，岳明.深化大學物理實驗中的創新教育［J］.大學物理實驗，2013，26（2）:108 －109.

［5］張曉蘭.CDIO理念下的大學物理實驗與創新［J］.河南科技，2013（3）:205－206.

Innovative Research of University Physics Experiment Teaching under"Engineering"Educational Ideas

XU Yong －hong，CHENG Rong －long，LIU Xiao －wei，GE Li－ xin
（Department of Mathematics and Physics，Bengbu College，Bengbu，Anhui 233030，China）

In this paper，taking Bengbu College as an example，some practical experience of university physics experiment teaching were summarized，based on the"engineering"teaching ideas，several innovative measures on how to strengthen the university physics experiment teaching were discussed:Improving university physics experiment teaching method，cultivating innovative quality;Attaching importance to the open laboratory construction，providing innovative resources;Carrying out extracurricular science and technology competitions，training the innovative spirit;Encouraging the students to participate in teaching and scientific research projects，strengthening innovation consciousness;Strengthening the construction of teaching materials of university physics experiment，reflecting innovation results;Strengthening the construction of experimental work team，improving the innovation ability.

“engineering”education;university physics experiment;innovation

G420

A

1008－7974（2014）03－0059－04

2014－03－05

許永紅（1961－），女，江蘇興化人，副教授.

安徽省教研項目“基于應用型人才培養的地方高校《大學物理》課程教學改革與評價研究”（項目編號2013jyxm246）;蚌埠學院教研項目“工程化”教育背景下的大學物理實驗教學改革與實踐（JYLZ1205）;大學物理實驗教學質量標準研究（2013jyxm03）;大學物理課程教學質量評價標準的研究與探索（2013jyxm05）.

（責任編輯:王前）