新工科背景下大學物理實驗創新教學的探索與實踐

王紅梅 鄒 艷 栗 軍 劉漢平 王春玲 楊海蓮 張秀梅

德州學院物理與電子信息學院 山東德州 253023

新工科(Emerging Engineering Education，3E)這一概念是2016年提出的，教育部在組織專家深入研討后，于2017年正式提出要加快建設和發展新工科，新工科提出的核心背景是“新經濟”的發展，新經濟(以新技術、新業態、新產業為特點)的蓬勃發展，必然要求高等學校培養的工程科技人才具備更高的創新創業能力和交叉融合能力。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》的第22條非常鮮明地指出了新建本科院校發展方向，鼓勵各高校辦出特色，走產學合作之路和大力培養應用型、復合型、技能型、創新型人才[1,2]。只有具備現代實踐能力的人才才有可能成為創新型人才[3]。大學物理實驗是為理工科各專業學生開設的必修實驗課程，針對大學物理實驗教學如何培養學生創新能力進行了研究和實踐，提出了構建新工科背景下應用型本科院校大學物理實驗創新教學的基本教學理念，提出了具體的創新措施，并在教學中進行了實踐，取得了一定的成效。

1 “1+2+3”的實驗創新教學理念

新型應用型本科高校應該以“學以致用，用以促學”為人才培養理念[2]。我校的人才培養定位為培養創新性應用型人才。我院堅持“以學生為中心”的互動模式，變“指導實驗教學”為“合作實驗教學”，改變傳統以教師為主的教學模式，通過讓學生參與實驗的設計、安排和實施，激發他們做實驗的熱情，從而變被動接受為主動參與，有利于培養學生的創新意識和主動學習意識。在教學的各個環節注重培養學生的實踐動手能力、知識應用能力和自學能力，培養實基礎、強實踐、求創新的創新性應用型人才。

2 實驗教學創新的對策

2.1 高度重視大學物理實驗教學

人才培養是高校的根本使命和核心任務，我校的人才培養目標是培養“實基礎、強實踐、求創新、高素養、寬視野、重責任”的創新性應用型人才。因此我校非常重視實踐教學，確保經費投入，切實保障教學，在實驗設備上加大投資，淘汰了一大批過時、廢棄的實驗儀器。我院物聯網工程專業獲批山東省重點專業(培育)建設項目，得到省教育廳1000萬的建設資金，學校也1:1配套撥付資金來進行專業建設，學校要求在實踐教學方面的投入不低于總資金的50%，堅持“好鋼用在刀刃上”，堅持教學投入優先原則，保障了大學物理實驗創新教學的順利開展。

2.2 構建新的實驗教學體系

科學合理的實驗教學體系能夠有效地培養學生動手能力、知識應用能力和自學能力。在構建實驗教學體系時，注重以下原則。

2.2.1 注重基礎性

學生認知活動具有不同層次，實驗教學應該遵從認知規律[4]，在修訂實驗教學內容時首先應該強調大學物理實驗的基礎性，突出物理實驗的特點，在力、熱、電、光、原子五個領域選擇經典的、基礎性強的實驗項目，這些實驗在實驗教學中占的比重是40%。在這部分實驗項目中要進行嚴格的“三基”(基本理論、基本方法、基本技能)系統訓練，培養學生具有良好的科學實驗素質[5]。通過該部分內容的教學，一方面，讓學生掌握基本的實驗操作技巧，提高動手動腦能力；另一方面，與理論教學內容相輔相成，有助于理論教學內容的理解。

2.2.2 注重專業的特點和學科的交叉性

我院承擔全校20多個不同專業的大學物理實驗教學，每一個專業都有自己的學科特點。在傳統的大學物理實驗教學中，不論什么專業，只要學分相同，實驗項目都完全一樣，因此教師為了滿足所有專業的要求，選擇的實驗都是比較簡單、自主操作性較差的實驗，這樣教學的后果導致教學內容與學生的專業特點脫離，缺乏針對性，學生做實驗沒有積極性，敷衍應付情況比較普遍，嚴重影響了教學質量。因此在實驗教學內容改革的過程中，經過充分調研，與不同專業的負責人座談，了解不同專業的需求，制訂有針對性的實驗教學內容。在實驗教學內容上注重學科交叉性，“新工科”中“新”包含三方面含義，即新興、新型和新生。新工科有5個特征：引領性、交融性、創新性、跨界性和發展性[6]，其中交融性這個特征也反映了多個學科的交叉、融合、滲透或拓展。因此在實驗項目的設計中加入了學科交叉項目，例如，對于生物技術專業，開設一些與生物相關的實驗，如交變電場對過氧化物酶活性影響、人體重心測量與分析等，學科交叉的實驗項目在實驗教學中占的比重是20%。通過該部分實驗內容的教學，一方面，讓學生明確大學物理及實驗的重要性，提高學生學習的積極性，另一方面，實驗內容與專業內容相關，有助于對專業知識的學習，除此之外還有助于培養學生的學科交叉意識。

2.2.3 注重創新性

實驗教學體系的創新對培養學生的創新精神和創新能力非常重要。首先，根據“以學生為本、培養創新能力、提高素質”的人才培養要求，通過“校內與校外結合、自主與創新結合、理論與實踐結合”，對培養學生創新能力作用不大的基礎性實驗和驗證性為主的實驗項目進行刪除或修改，增加一些有代表性、體現現代實驗技術應用價值的創新實驗內容，增加綜合設計實驗和研究型實驗的比例[7]。其次，探索將實驗教學與科研活動相結合，教師根據自己的研究項目，把其中能夠和實驗相聯系的部分設計成課程實驗，以項目研究帶動教學的模式，將研究成果和研究思維融入實驗教學中，該部分實驗項目的教學既是對學生基礎理論和實驗技能的強化培養，也是提高學生綜合素質的重要措施，同時讓學生提前接觸科研訓練，培養科研興趣，有助于創新思維的培養。大學物理實驗項目共60個，分為基本型、交叉型、綜合設計型和研究創新型4種類型。其中綜合設計型的實驗項目24個，在實驗教學中占的比重是40%；交叉型6個，在實驗教學中占的比重是10%；研究型3個，在實驗教學中占的比重是5%。

2.3 實驗教學與社會實踐相結合

根據“新工科建設”與發展的內涵特征，需要培養大批新興工程科技人才，通過專業教學計劃的修訂，突出強化實踐教學地位[8]。我校建立了校內及校外的“4+4+5”實踐教學平臺，校內實驗、實踐訓練與校外實踐訓練相結合，通過社會實踐活動的開展，使學生走入社會，并從社會中挖掘新的實驗素材，共同培養學生的創新實踐能力，具體如圖1所示。

圖1 大實踐教學平臺

構建“4+4+5”實踐教學體系，即4類實驗教學體系(基本型、交叉型、綜合設計型和研究創新型)、4個實踐能力訓練環節(專業實習、工業見習、課程設計和畢業設計)和5個平臺(實驗教學平臺、大學生科技文化競賽培訓平臺、發明創造平臺、科研訓練創新平臺、社會實踐創新平臺)。其中工業見習、社會實踐創新平臺屬于校外的實踐教學平臺，其他部分屬于校內實踐教學平臺。大實踐教學平臺的建設和使用，拓展了學生視野，豐富了學生閱歷，有助于培養學生獨立思考能力、創新創業能力、協作精神和社會擔當能力。

2.4 強化支撐點 加強師資隊伍建設

教師是立教之本，興教之源。隨著“新工科建設”的提出，教師隊伍建設必須考慮學校類型和新工科專業特點[9]，這就要求要建立適應新形勢發展需要的高校實驗技術隊伍[10]。近年來，我校吸引高層次人才加入專職實驗教師隊伍，目前大學物理實驗指導教師10人，高級職稱的教師占80%，其中博士4人、碩士3人、學士3人，4名博士教師都是在近三年內補充到實驗教師隊伍中的。同時，學校實施“天衢英才”等人才建設工程，引進“企業高技能人才”指導實驗教學。為引導并激勵廣大實驗技術人員積極投入創新性應用型實驗技術研究，提升實驗室建設與服務地方工作水平，根據《德州學院實驗技術項目立項及成果獎勵辦法(試行)》(德院政字〔2009〕32號)和《德州學院自制實驗儀器設備管理辦法(試行)》(德院政字〔2011〕41號)的文件精神，每年都要開展實驗技術和自制儀器設備項目立項，給予一定的資金支持。將外部激勵與內在動力結合起來，通過恰當的外部激勵機制，如物質的或非物質的獎勵、職稱的晉升、社會聲望的提高等激發教師追求發展的內在熱情[11]。

2.5 創新的實踐考核方法

“實驗報告定終身”的考核方法不利于培養學生的創新能力，德州學院出臺了《德州學院實踐課程考核辦法》，實踐考核方法分為兩大部分，課內實驗考核和課外實踐訓練考核，圍繞學生的知識、能力和素質進行考核。計劃內的實驗課程考核成績由三部分組成：操作成績30%；實驗報告成績40%；期末實驗考試成績30%。課外實踐訓練考核分兩個部分，一個是計劃外開放實驗的考核，另一個是創新技能的考核。學生參加開放實驗撰寫的論文、專利以及大學生競賽獲得的獎項，根據德州學院出臺的《德州學院創新學分和技能學分認定辦法(暫行)》獲得相應的創新學分，可以代替其他選修課的學分。考核方式由單一考核變為多樣化的考核，才能對學生的創新能力和動手能力進行全方位的考核，考核方法更科學，學生在多樣性考核方法的激勵下，可根據自己的興趣愛好取得相應的學分，有利于發揮學生的特長，從而進一步促進學生創新能力的培養和綜合素質的全面提升[12,13]。

3 建設成果與成效

新工科的提出及建設，給大學物理實驗教學的改革提供了新的思路和途徑，經過研究和實踐，形成了“1+2+3”的實驗創新教學理念、制訂了“4+4+5”的實踐教學體系、建設了校內校外相結合的大實踐教學平臺，改革了實驗考核方法，有效地培養了學生的創新能力，得到上級部門和社會的廣泛認可，教學成果“面向‘新工科建設’的大學物理‘一體四翼’教學體系的構建與實踐”2018年獲山東省教學成果二等獎，近三年獲批與大學物理知識相關的大學生創新創業訓練項目15項，學生在大學生科技文化競賽中獲得省級以上獎勵300余項；實驗教師隊伍的教學和研究能力也得到提升；出版大學物理實驗教材2本；在探索和應用過程中也獲得了一些高級別的教研課題。大學物理實驗教學，是理工科學生進入大學后的第一門實驗課程，因此實驗教學的成敗關系到學生后續的學習，在“新工科建設”的背景下，要以學生發展為中心，以提高人才培養質量為目標，系統設計，統籌規劃，加強對外交流與合作，進一步加大實驗教學的改革力度，為培養具有競爭力的新工科創新型人才做出應有的貢獻。