新工科背景下文科物理實驗“翻轉課堂”探討

摘 要：在新工科背景下，如何重新進行物理學與物理實驗課的教學設計，助力創新、創造、創業的“三創”型人才培養？又如何在有限的培養時間內平衡物理工程教育的時效性與體系性的矛盾，取得較優化的復合人才培養效果？我們通過一門文科物理實驗課程進行了探索：學生需要掌握電子測量與傳感器領域的技術技能，并通過設計傳感器的應用場景進行“翻轉課堂”的教學。該課程是對大學物理實驗課進行知識結構優化，降低選課門檻，簡化理論模型，拓展實用功能的改革。

關鍵詞：新工科;翻轉課堂;文科物理實驗

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.20.093

物理學是一門實驗科學，同時也是自然科學和現代工程技術的基礎。對于任何專業，物理與物理實驗課都是一門培養和提高學生科學素質、科學思維方法和科學研究能力的重要基礎課。為適應國家今后發展新興產業的需求，我校對如何培養“三創”型人才提出了具體的要求。“三創”即創新、創造、創業，具體包括三個目標：具有創新意識和適應創新要求的能力;具有創造思維和開展創造性活動的能力，具有創業精神和實現創業的能力。為達到這個目標，我校要求學生要完成“三個一”的任務，即修讀一門創業課程，完成一份創業調研報告，撰寫一份創業計劃書。因此在新工科背景下，如何重新進行物理學科的教學設計，助力“三創”型人才培養，成為了我們的一項重要課題。

由于文科學生物理基礎相對薄弱，也沒有先修大學物理課程，因此在基于分層次物理實驗教學而開設“文科物理實驗”課程時，大部分高校會在演示物理實驗的內容中選擇具有趣味性的內容來開展教學。這樣能激發文科學生學習科學、完成實驗的興趣，并幫助他們建立學習自然科學的信心。然而對于工科院校而言，我們認為這樣的課程內容過于局限在現象上，與工程技術的現實脫節，并不能為學生在后續學習中的“三創”任務打下實質性基礎。

1 新工科背景下的文科物理實驗需求與探索

為推動工程教育改革創新，2017年2月18日，教育部在復旦大學召開了高等工程教育發展戰略研討會，共同探討了新工科的內涵特征、新工科建設與發展的路徑。我們關注到“共識”中體現國家對新興工程人才的迫切需求：“總結繼承工程教育改革發展的成功經驗，深化工程人才培養改革，發揮自身與行業產業緊密聯系的優勢，面向當前和未來產業發展急需，主動優化學科專業布局，促進現有工科的交叉復合、工科與其他學科的交叉融合，積極發展新興工科，拓展工科專業的內涵和建設重點，構建創新價值鏈，打造工程學科專業的升級版，大力培養工程科技創新和產業創新人才，服務產業轉型升級。”

考慮到在經管外語體藝等文科專業的物理類選修課程中融入先進的工程學科實用性的成果，既有助于擴展新興工科應用領域，也利于復合人才培養目的。然而技術發展一日千里，科學體系的建立卻并非在一朝一夕。如何在有限的時間周期內平衡物理工程教育的時效性與體系性的矛盾，取得較優化的人才培養效果？

新工科建設“天大行動”中提到2020年直接面向新經濟的新興工科專業比例達到50%以上，其中物聯網應用、人工智能、虛擬現實等新技術與智能制造、集成電路、空天海洋等新新工科產業均與物理學與電子信息技術的交叉復合密不可分。因此如何更新教學內容和課程體系，打通“最后一學里”;以及如何改革教學方法和考核方式，形成以學習者為中心的工程教育模式將成為新工科背景下物理實驗課程改革的重中之重。

我們認為在新工科背景下開設的文科物理實驗課，一方面要優化知識結構，降低選課門檻，簡化理論模型，拓展實用功能，讓學生學有所用;另一方面又要能結合本校實際，面向未來產業發展趨勢，形成具有本校特色的課程;同時還應打破專業大類限制，通過不同知識背景學生的思維碰撞與互助協作達到復合創新型人才培養的目的。能實現這些功能的課程，也可以為學生在后續“三創”學習環節完成創業調研報告和創業計劃書等任務提供支持。

基于上述思考，在現有的物理實驗教學基礎上，我們開展了一系列的教學探索與實踐，其中最主要的是開設面向本校工商管理、外語、體育專業學生的獨立實驗通選課《科學實驗訓練（電子測量）》。我們以該門課程為載體，通過對原有物理教學實驗室資源的整合，通過對授課過程的分段評估，對來自不同專業學生自主學習的引導，初步實現了低門檻的物理實驗分層次教學，也達到對復合創新人才培養的目標。

2 《科學實驗訓練（電子測量）》的組織與實施

《科學實驗訓練（電子測量）》于2014年9月開始面向我校五山校區文科類學生選課，計2學分，32學時，包含實驗課（計24學時）與開放實驗室的“翻轉課堂”環節（計8學時）兩部分。歷年開設規模在每班10-20人之間。我校物理教學實驗中心開辟一間教學實驗室按一人一臺/套配置實驗儀器。該課程的任務是使文科學生在大量的實驗實踐中快速掌握電子測量領域的技術技能;同時，通過“翻轉課堂”的教學方式讓學生在解決小型產品開發問題的假設中進行自主探索，并對所學知識進行綜合運用;教學過程中著重培養學生嚴謹的科學實驗態度和分析問題解決問題的能力，課程設計如圖1所示。

該門課程的第一階段，教師會使用自編講義教學，重點在實用電子測量方法的講授與大量規范化的測量實驗練習。課程首先按電類實驗室的安全準入要求，講授實驗室供電與消防安全知識;然后，集中講授計算機數據分析與處理、常用儀器儀表使用、測量測試方法、常用傳感器、集成運算放大器、數據采集、虛擬儀器儀表等內容。該階段內容講授為24學時，需學生在實驗室一人一臺/套獨立完成實驗記錄與撰寫報告，實驗完成情況得分按60%計入學期總評。

在課程的第二階段，教師設計若干個與傳感器應用相關的研究性、探索性的開放實驗題目，讓參與課程的學生通過2-3人組隊完成。“翻轉課堂”的教學方式就是在該階段開展。學生在該階段不但要運用第一階段所學知識，選用至少一個傳感器進行開發和調試;還需要查找資料選用合適的儀器設備制定實驗方案;進一步需要構思一個傳感器的應用場景并進行可行性探索;最后還要按組完成一份聯名報告和一份PPT參加課程答辯。第二階段的完成情況按40%計入學期總評。

《科學實驗訓練（電子測量）》就是通過第一階段的分散獨立練習和第二階段的項目化的小組協作訓練，使學生學會思考問題、解決問題并最終完成自己的作品，學有所用。

3 “翻轉課堂”教學設計

“翻轉課堂”的學習方法，強調以學生為中心的自主學習授課方式，引導學生在課前主動學習、思考問題，教師在課中則集中精力為學生解決問題，學生課后還需要對知識點進行總結與評價。該環節設計8學時。

我校是一所理工類綜合性研究性大學，理工類學生有較強的理工科實踐學習背景，然而經、管、外、體、藝等學生因專業原因，甚少機會接觸理工類實驗室，學校的工科背景并不能讓他們獲益。我們對《科學實驗訓練（電子測量）》課程的“翻轉課堂”設計，就是從已有的物理實驗教學基礎中，提煉規范化的科研訓練素材重新進行教學組織：即以電子測量產品的開發為學習線索、結合傳感器知識進行綜合運用、面向現實應用場景進行創新教育。

具體要求選課學生分組確定所要使用的傳感器，班內每組之間不重復;然后運用第一階段的學習內容，制定測試和開發方案，并在教師指導下進行方案修改與完善;隨后在實驗室進行該方案的執行與調試;最后小組需要提交一份包含元器件工作特性測試、電學量輸出轉換原理、元器件測量結果的呈現方式、作品的拓展應用等要點的實驗報告。雖然運用“翻轉課堂”的學習環節只計8學時，但實際上實驗室面向全體選課學生隨時開放，學生在實驗室中進行實驗的時間遠超出8學時。課程最后設立公開答辯，由任課教師團隊與學生代表共同評價計分，答辯結果按40%計入學期總評。

有41名來自本校工商管理、外語、運動訓練等文科專業的本科一、二年級學生選修了課程，選課學生專業背景多樣化，知識基礎也不均衡。在這種條件下開展工科特色極強的電子測量與傳感器應用的實踐教學具有相當的挑戰性。而在老師的耐心啟發與細心指導下，學生普遍對能夠完成自己的作品感到興奮和鼓舞，而且最終課程作品極具創意：有利用熱敏電阻、光敏電阻開發的各類報警裝置，利用熱釋電元件開發的非接觸溫度測量裝置，利用壓電陶瓷開發的振感開關，利用紅外探頭復制遙控器按鍵的數字編碼等;也有運用霍爾傳感器開發的自行車碼表，利用光纖彎曲損耗開發的位移傳感裝置等。

經過這個環節的學習，學生深切感受到科研成果的來之不易、體會到科研人員的艱苦，有學生在課程報告中就感悟到：“雖然小組成員都是屬于偏文科的學科，但是通過這門課程，我們學到初步的電子測量的知識，也了解到了關于實驗安全、用電安全等非常實用的知識，受益匪淺。同時在實驗課上，培養了我們更加嚴謹、開闊的思維，還有嘗試到從不相信自己能完成，到一步步探險尋查最終成功的樂趣！”

4 教學效果與評價

參與課程講授的老師，全部來自大學物理實驗技術團隊。《科學實驗訓練（電子測量）》由于具有與《大學物理實驗》等課程優勢互補的特點：首先提供選課學生零基礎的準入門檻;其次專注于電子測量與傳感器領域規范的科研訓練目標;最終以實用作品的開發為導向，提供學生由淺入深、項目化、團隊化的學習體驗，特色鮮明。因此參與課程的教師，會有新鮮的教授體驗，而后又可以反饋于大學物理實驗課程，實現不同課程間資源的良性互動;我校物理教學實驗中心也通過教學主題的切換，促使物理教學實驗室從單一基礎實驗教學功能逐漸向多樣化、靈活化的特色方向發展。

《科學實驗訓練（電子測量）》課程開展的難點，在于如何在短時間內讓文科學生通過課程的學習，掌握工程技能、形成工科思維、并初步達到“三創”的要求。我們希望選課學生既學習到實用技能，同時也能了解測量測試類產品開發的過程，了解電類實驗室的日常運作，最終也希望他們能成長為復合型的創新人才。從實施效果來看，所有選課學生均能較好地掌握課程第一階段獨立練習環節需要掌握的知識與技能，因此在第二階段才能夠完整地參與一個測量測試作品的制作與調試過程。就最終提交的作品來看，兼具實用性與趣味性，對文科學生而言，難能可貴。由于該課程注重過程評價，并且對兩個教學階段的評價方式也有區別，因此能夠較客觀地反映學生的學習情況。同時，學生對該類型實驗課的參與感、認同感也明顯增強。課程結束后，通過華南理工大學教學管理系統反饋的選課學生對該門獨立實驗通選課的評教得分為4.727分（滿分5分）。

在我校2018年的教學質量抽查中，檢查組對該門課程的質量評價評語為：“教師仔細的設計并采用多科方式方法對學生進行電子測量的實操練習，培養，考核，考試方法多樣，批閱詳細嚴格……”最終質量評價總分為92分（總體抽查課程平均分為85.58，標準差為4.94）。

5 結束語

為配合我校在新工科背景下的“三創”人才培養要求，我們從2014年開始開設了一門面向文科學生的物理實驗類課程《科學實驗訓練（電子測量）》。該門課程需要學生在32個學時之內掌握電子測量與傳感器領域的技術技能，并通過設計傳感器的應用場景進行“翻轉課堂”的教學。課程讓選課學生掌握了相應的工程技能、形成了工科思維、并初步達到“三創”的要求。

這種探索下，我們也獲得了有益的啟發。文科物理實驗課相比較理工類的物理實驗教學體系，是小型而靈活的課程，對其進行調整相對容易。而人才培養體系的建立，是一個日積月累的過程。在新工科背景下，需要在有限的高校人才培養時間周期內平衡物理工程教育的時效性與體系性的矛盾，取得較優化的人才培養效果，就必須依靠各方力量投入更多精力重構現有教學內容和課程體系，改革教學方法和考核方式，以項目為導向形成以學習者為中心的新型工程教育模式。

參考文獻

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