大學(xué)物理實驗分層次教學(xué)模式的探索與實踐

王世燕 袁順東 張亞萍

(中國石油大學(xué)(華東)理學(xué)院,山東 青島 266580)

大學(xué)物理實驗分層次教學(xué)模式的探索與實踐

王世燕 袁順東 張亞萍

(中國石油大學(xué)(華東)理學(xué)院,山東 青島 266580)

為促進大學(xué)物理實驗在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力及創(chuàng)新能力等方面的作用,本文對大學(xué)物理實驗的分層次教學(xué)模式進行了探索和實踐。以分光計實驗為例，在深入挖掘?qū)嶒瀮?nèi)涵的基礎(chǔ)上對實驗內(nèi)容進行了模塊劃分，具體包含基礎(chǔ)模塊、專業(yè)模塊及創(chuàng)新模塊3個部分，結(jié)合學(xué)生專業(yè)及個人能力進行分層次教學(xué)，將自主學(xué)習(xí)的方式貫穿于整個實驗過程。經(jīng)實踐證明，針對具體實驗項目實施分層次教學(xué)有利于激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，滿足不同專業(yè)、不同層次學(xué)生對實驗?zāi)芰蛣?chuàng)新能力培養(yǎng)的需求,有助于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

分層次教學(xué)；分光計；創(chuàng)新能力

高等教育以創(chuàng)新教育為核心,以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力為基本價值取向,是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的教育[1]。大學(xué)物理實驗是教育部確立的大學(xué)理工科專業(yè)6門基礎(chǔ)必修課之一，是學(xué)生進入大學(xué)階段后接觸的第一門基礎(chǔ)性實驗課程。在培養(yǎng)新型人才的過程中，物理實驗教學(xué)不僅是學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識和基本技能的重要方式，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑。

然而近幾年來，大學(xué)物理實驗教學(xué)正面臨著嚴(yán)峻的考驗：首先，由于高等學(xué)校招生規(guī)模的不斷擴大，生源的知識水平參差不齊；其次，出于種種原因，大學(xué)物理實驗教學(xué)學(xué)時不斷地被壓縮，這迫使對有些重要的基本概念和基本規(guī)律只能直接傳授給學(xué)生，至于其如何產(chǎn)生、如何引入等啟發(fā)性內(nèi)容缺乏時間介紹；第三，素質(zhì)教育對大學(xué)物理實驗教學(xué)提出了更新更高的要求，一個好的實驗項目除自身所具有豐富的實驗內(nèi)涵外，還應(yīng)對學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力起到良好的指導(dǎo)作用[2]。因此，改革實驗教學(xué)模式、合理設(shè)計教學(xué)體系十分必要。

1 大學(xué)物理實驗分層次教學(xué)的意義

近年來，隨著大學(xué)物理實驗教學(xué)的長足發(fā)展，分層次實驗教學(xué)已獲得普遍共識并被許多高校所采用。分層次教學(xué)包含兩個層面的內(nèi)涵，一方面依據(jù)實驗項目的難易程度進行整合劃分，包括基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、設(shè)計與研究性實驗[3,4]等。其中基礎(chǔ)性實驗教學(xué)重點在于加深學(xué)生對理論知識的掌握，培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗技能,包括實驗態(tài)度、操作方法等；綜合設(shè)計性實驗側(cè)重于強化專業(yè)操作技能，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識分析和解決實際問題的能力，進而提升實驗興趣和創(chuàng)新意識；設(shè)計與研究性實驗旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和科研精神。另一方面，對某一實驗項目按照由淺入深、循序漸進的教學(xué)方式進行通識教育和精英培訓(xùn)也是分層次教學(xué)的體現(xiàn)。 例如周小巖[5]等對太陽能電池精品實驗項目構(gòu)建了3個階段培養(yǎng)體系,按照循序漸進的方式設(shè)計教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式,將學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有序地貫穿于整個精品實驗過程。盛力[6]等通過增加實驗元素、提升實驗形式等方式對傳統(tǒng)的水處理實驗項目“混凝實驗”進行了分層次教學(xué)嘗試，這些成功的教案都為物理實驗教學(xué)提供了借鑒和經(jīng)驗。

2 立足培養(yǎng)目標(biāo)，針對具體實驗項目實施分層次教學(xué)

2012年，中國石油大學(xué)(華東)在廣泛開展校內(nèi)外調(diào)研和系統(tǒng)總結(jié)辦學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出“三三三”本科教育培養(yǎng)體系，即辦學(xué)定位的三型(精英型教育、特色型教育、研究型教育)、培養(yǎng)目標(biāo)的三化(全面化成長、個性化成長、最大化成長)、教學(xué)方式的三性(學(xué)習(xí)性教學(xué)、研究型學(xué)習(xí)、開放性交流)[7]。在該思想的指導(dǎo)下，我校物理實驗中心(以下簡稱“中心”)在系列課程建設(shè)、教學(xué)模式優(yōu)化及考核機制等方面作出了積極的探索和實踐[8-11]。作為課程建設(shè)的重要組成部分，分光計實驗教學(xué)一直受到“中心”的高度重視，為促進創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，“中心”對分光計的分層次教學(xué)模式進行了探索與實踐。

分光計實驗的授課對象是全校理工科學(xué)生，受專業(yè)影響，學(xué)生的知識層次有所差異且授課學(xué)時也不同，其中工科“大學(xué)物理實驗”授課時間為3個學(xué)時，理科“普通物理實驗”及實驗班“基礎(chǔ)物理實驗”授課時間均為4個學(xué)時。原實驗項目未采用分專業(yè)授課，其教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法區(qū)分不大，學(xué)生往往機械地照搬書本內(nèi)容，并未對實驗有更深入的思考，不利于學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。鑒于此，教學(xué)團隊將分光計實驗項目劃分為3個教學(xué)模塊。第一模塊為衍射光柵光譜特性研究；第二模塊為光的色散特性研究；第三模塊為設(shè)計實驗,針對不同專業(yè)的學(xué)生采用不同的教學(xué)模塊，如圖1所示。

圖1 分光計實驗教學(xué)體系示意圖

2.1 夯實基礎(chǔ)，培養(yǎng)基本實驗技能

基礎(chǔ)物理實驗內(nèi)容是研究型教學(xué)的載體，包含2個層次的基本任務(wù): 首先是使學(xué)生掌握基本的科學(xué)實驗技能 (包括思想、方法及規(guī)范)及常規(guī)儀器的使用；其次是通過多次獨立完成實驗的鍛煉, 逐步提高學(xué)生分析問題與解決問題的能力,進而提高其創(chuàng)新能力[12]。

模塊1為基礎(chǔ)實驗內(nèi)容，主要針對工科專業(yè)學(xué)生開展，重點在基礎(chǔ)知識的掌握和基本技能的培養(yǎng)。在基本實驗方法訓(xùn)練中，掌握用實驗開展問題研究的思路和方法。該部分內(nèi)容主要采用教師講解的方式，通過增加衍射光柵、擴充實驗光源等方法開闊學(xué)生視野，豐富實驗內(nèi)容，如圖2所示為不同規(guī)格的光柵衍射圖像，可以明顯地看到衍射條紋的疏密變化。實驗過程中首先要求直觀地觀察衍射圖像，然后掌握理論進行相關(guān)計算。培養(yǎng)方案如圖3所示。

圖2 不同常數(shù)光柵衍射圖像

圖3 衍射光柵光譜特性研究培養(yǎng)方案示意圖

模塊2對光路的調(diào)節(jié)要求較高，數(shù)據(jù)處理相對繁瑣，主要針對理科及實驗班學(xué)生開展。實驗授課采用教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的教學(xué)方法，重點在強化實驗理論和操作技能上，調(diào)動學(xué)生的主動性與實驗興趣，比如學(xué)生在研究三棱鏡的色散光譜時會考慮到單一光源及復(fù)色光源的區(qū)別，用實驗方法驗證了同一種材料對不同波長的光折射率不相同的結(jié)論，培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、綜合實驗?zāi)芰Α?shù)據(jù)處理及圖像分析能力等。培養(yǎng)方案具體要求如圖4所示。

圖4 光的色散特性研究培養(yǎng)方案示意圖

2.2 拓展實驗設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新技能

實驗內(nèi)容的改革創(chuàng)新是激發(fā)學(xué)生實驗興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑[13,14]。該過程主要以研究課題的形式訓(xùn)練學(xué)生的綜合能力，包括課題的可行性分析、自主設(shè)計、儀器改進等，全面培養(yǎng)學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰Α?/p>

通過模塊1、2的訓(xùn)練，選拔具有較高實驗操作能力的學(xué)生進入模塊3的創(chuàng)新訓(xùn)練中，如圖5所示。該部分內(nèi)容由指導(dǎo)教師以研究型課題的方式提出實驗設(shè)計的內(nèi)容。實驗過程中學(xué)生以2～3人為一個研究小組，從研究課題的可行性分析、到實驗光路的搭建、實驗儀器的設(shè)計以及實驗結(jié)果的分析均以小組討論的方式進行。在討論的過程中，激發(fā)學(xué)生積極思考、主動學(xué)習(xí)的能力，同時鍛煉和提升學(xué)生的創(chuàng)新意識。例如在研究光的偏振特性過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)利用光纖實驗中的光電轉(zhuǎn)換器通過功率計可以準(zhǔn)確地找到反射光線的最弱位置；在液晶光柵衍射特性的研究中，學(xué)生將分光計運用到液晶光柵衍射角的測量中，使原來對于液晶光柵尺寸的估算變得科學(xué)準(zhǔn)確，這既提高了實驗儀器的利用率，又加強了各實驗間的相互聯(lián)系；在液體折射率測量的過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)使用長方形液體容器無法觀測到折射光線，進而通過理論計算設(shè)計出合適的容器進行實驗，最后得到了滿意的實驗結(jié)果，如圖6所示。

圖5 分光計設(shè)計性實驗示意圖

圖6 利用分光計測量透明液體的折射率

2.3 實驗考核模式

實驗考核辦法是學(xué)生實驗的指揮棒，正確合理的考核辦法能在規(guī)范學(xué)生實驗過程、激發(fā)學(xué)生實驗興趣、提高學(xué)生實驗?zāi)芰Φ确矫姘l(fā)揮重要作用[15]。根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)的不同，實驗考核采用多元化的考核體系。工科專業(yè)學(xué)生主要采用三段式考核模式,其中預(yù)習(xí)報告占20%,課堂操作占40%,實驗報告40%。 預(yù)習(xí)和課堂操作成績直接由任課教師在教學(xué)過程中給出，其中課堂操作成績包括實驗儀器的規(guī)范調(diào)整、實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確測量等。實驗報告要求在一周內(nèi)提交，內(nèi)容包含實驗數(shù)據(jù)的整理和結(jié)果分析。理科專業(yè)學(xué)生要求以創(chuàng)新大作業(yè)的方式提交課程論文，包含實驗過程、實驗問題的討論、實驗心得體會和PPT答辯。研究型課題的考核包含文獻調(diào)研、開題、實驗過程、結(jié)果分析和PPT答辯。答辯評委由教授、任課教師、指導(dǎo)教師等組成，在這一過程中學(xué)生的科研思維得到鍛煉，有利于人才的后續(xù)培養(yǎng)。

3 結(jié)語

本文對分光計實驗的分層次教學(xué)進行了探索和實踐。根據(jù)學(xué)生專業(yè)采用不同的培養(yǎng)目標(biāo)，同時以研究課題的形式培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合實驗?zāi)芰ΑＴ摻虒W(xué)模式自運行以來已取得不錯的教學(xué)效果，基于該項目已指導(dǎo)學(xué)生發(fā)表論文數(shù)篇[16,17]，且項目的部分成果在2015年度山東省物理科技創(chuàng)新大賽上獲得一等獎。由此可見，深挖實驗內(nèi)涵，提升教學(xué)方式是實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗項目培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑。

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EXPLORATION AND PRACTICE OF HIERARCHICAL TEACHING MODE IN COLLEGE PHYSICS EXPERIMENT

Wang Shiyan Yuan Shundong Zhang Yaping

(College of Science, China University of Petroleum, Qingdao Shandong 266580)

In order to promote the function of college physics experiment in cultivating students’ practical ability and innovation ability, the hierarchical teaching mode in college physics experiment is explored and practiced. Taken the spectrometer experiment as an example, by excavating the contents inside, the experiment contents are divided into three modules, including basic module、professional module and innovation module. These modules are taught to students according to their majors and personal ability, and the autonomous learning method is carried throughout the whole process. Practice has proved that the hierarchical teaching mode for specific experiment is helpful to excite the students’ interest in experiments, satisfy the training requirements of experimental and creative abilities for students with different levers and specialties, and it is helpful to cultivate innovative talents.

hierarchical teaching; spectrometer; innovation ability

2016-09-01

山東省自然科學(xué)基金(J1510114)；教育部大學(xué)物理課程教指委立項教學(xué)研究項目(DWJZW201603hd)中國石油大學(xué)(華東)精品實驗教學(xué)項目(JS201608)；中國石油大學(xué)(華東)重點教改項目(JYA201616)。

王世燕，女，實驗師，主要從事大學(xué)物理實驗管理及教學(xué)科研工作,wangshiyan@upc.edu.cn。

王世燕，袁順東，張亞萍. 大學(xué)物理實驗分層次教學(xué)模式的探索與實踐[J]. 物理與工程，2017，27(2)：47-50,55.