面向新工科的大學物理實驗教學改革探索

趙玉連 郭俊旺 李艷聰

（天津農學院 天津 300384）

2017 年2 月，綜合性高校工程教育發展戰略研討會在復旦大學召開，“新工科”概念被正式提出，以新工科為背景的高等工程教育改革迅速開展。工科專業課程中，大學物理實驗是工科專業的基礎課，學生通過學習該課程，不僅可以加深對大學物理理論內容的理解，掌握基本實驗方法、實驗技能，更為重要的是提高學生解決實際問題的能力和科學研究能力。為了適應新工科發展的需求，本文對本校大學物理實驗教學中存在的問題進行了分析，并對教學改革措施進行了討論。

1 大學物理實驗教學中存在的問題

（1）學生對大學物理實驗課興趣不高。由于大學物理實驗課安排在一年級，一年級學生基礎課程較多，物理學科本身學習難度大，需要投入大量的時間和精力去學習。學生精力有限，課程難度大，因此對于物理實驗的學習缺乏興趣。雖然布置預習作業，但是很少有學生主動預習實驗，實驗課做實驗前，雖然老師講解實驗，由于時間限制，不會介紹太詳細。學生實驗準備不足，容易出錯，實驗進度慢，影響了實驗教學效果。

（2）教學方式缺乏創新。在目前各高校實驗教學過程中，教學過程一般是：教師講解實驗原理和儀器的使用步驟；教師演示實驗；學生做實驗，教師指導；學生處理實驗數據和撰寫實驗報告。在此過程中，學生被動地學習知識，按部就班地按照設定的要求操作，學生一般不需要自己根據實驗要求設計實驗方法和選擇實驗儀器。學生按照老師安排好的內容操作，記錄數據，完成實驗，整個實驗過程學生沒有思考實驗的方法，實驗的步驟，是否可以改進，這樣學生對實驗課興趣不高，收獲并不大。

（3）教學條件落后。近幾年，高校學生人數迅速增加，教學規模不斷擴大。對于大學物理實驗來說，實驗班級和人數較多，教學安排非常集中，實驗儀器設備在短時間內頻繁使用，個別儀器設備出現問題不能及時維修。實驗儀器能否正常使用影響著實驗的操作過程和學習效果。學生操作有問題的儀器時，會遇到更多的困難，也影響了實驗結論，從而影響教學效果。

2 大學物理實驗教學改進措施

2.1 讓學生認識到大學物理實驗的重要性

在農業院校，大學物理及大學物理實驗課課時不多，常常不被重視。教學過程中，教師應使學生認識到物理學是自然科學的基礎，通過學習大學物理，工科學生能學習到專業課必備的基礎知識，通過學習大學物理實驗，學生能夠掌握基本的實驗方法和技巧，會使用常用儀器，掌握實驗基本操作技術，具有自主實驗能力，而且通過綜合性和設計性實驗，能提高學生分析與解決實際問題的能力，創新能力等新工科人才要需要具備的能力。讓學生認識到大學物理實驗這門課的重要性，學生在上課過程中才會更主動地學習。

2.2 將傳統的教學方式與現代教育技術相結合

將現代教育技術運用到大學物理實驗教學當中，教學方式不斷改進，推動了大學物理實驗教學的發展。教師可以通過線上線下相結合的方式教學。教師將實驗課程的相關材料，包括實驗的視頻，通過網絡提前發給學生，在課前讓學生獨立自主地預習，了解實驗的背景,對實驗目的、實驗原理、儀器的使用方法和注意事項等進行初步了解，并自行設計記錄數據的表格。這樣，實驗課上教師對實驗講解和演示實驗的時間明顯縮短，能留出更多的時間讓學生進行實驗操作。而且，學生對實驗原理進行了預習，在課上更容易理解相關知識，實驗操作更順利，更主動思考。例如：萬用表的使用這一實驗，學生通過課前預習，了解萬用表的使用方法，在課堂上教師無須再講解。對于難度較大的實驗，例如：示波器的原理與使用，在學生預習后，教師只講解重點內容即可，不必像傳統教學對每個功能都一一介紹，學生還可以在操作時查看資料，既節省了教學時間，又突出了重點內容。

在課堂講解時，不僅可以使用PPT，還可以使用CCD 技術，把不易觀察到的實驗現象展現在屏幕上，學生看起來更直觀。例如：牛頓環實驗，使用CCD 技術讓學生在屏幕上觀察牛頓環的調節，讀數，學生更易于理解。學生在操作時，錯誤明顯減少。

2.3 多種教學模式相結合

傳統教學模式，教師對各個環節都一一詳細講解，學生只需按照步驟逐步操作，如果遇到問題或困難，學生向老師或其他同學求助，老師或同學會提示或協助完成，很少的學生能獨立思考并解決困難。學生實驗的目標就是順利做完實驗，得到預先設計好的合理結果。經過這樣的實驗過程，大部分學生對實驗失去了興趣。要改變這種狀況，物理實驗教學模式就要進行改革，不同實驗項目采用不同教學方式。在當前各高校物理實驗內容設置上，驗證性實驗占大部分，綜合性、設計性實驗較少。驗證性實驗要求學生掌握基本實驗方法和技能，如：長度測量，示波器使用、萬用表使用等，其次要求學生能掌握基本實驗方法，如平衡法、示蹤法、圖形法等。設計性實驗則要求學生根據實驗要求，自己查找資料、設計實驗方法、選擇實驗器材、設計實驗步驟并獨立完成實驗。

我們針對現有的實驗項目，不同類型的實驗采取不同的教學模式。為了讓學生掌握基本實驗技能，打下良好的實驗基礎，驗證性實驗采用傳統教學模式。如：長度測量。綜合性、設計性實驗，兩至四人一組，設置實驗目標，讓學生自行討論，分工協作，目的是培養學生獨立思考、實際操作、團隊協作的能力。

2.4 創新實驗內容

通過學習國內外大學的改革經驗，我們對現有物理實驗教學內容進行了優化和創新。在內容設置上減少和改造驗證性實驗，充實了綜合性實驗，設計性實驗。例如：德國一些大學的實驗課，對實驗提出問題和要求，學生自主設計實驗方法、選擇實驗儀器并組裝，再測量數據。其中，測量透鏡焦距的實驗是基礎的測量實驗，我們通常讓學生按實驗要求和實驗內容一步一步完成透鏡焦距的測量，學生的積極性不高。而德國的大學讓學生自己組裝望遠鏡或顯微鏡，用組裝的儀器再進行觀察和測量，學生的興趣很高，實驗過程鍛煉了學生的實踐能力、創新能力。我們借鑒這些先進的教學方法，根據現有的儀器設備，對實驗內容進行改進。測量透鏡焦距的實驗，實驗目標不變，要求有所增加，給學生若干焦距的透鏡，學生根據提供的元件，自己選擇透鏡組合進行實驗，并總結如何選取透鏡才能使實驗順利完成而且測量精度高。學生分組討論，分工操作。學生學習興趣明顯提高，不僅加深了對測量透鏡焦距原理的理解，也提高了學生的協作能力、創新能力。

天津大學采取了多學科交叉的方式改革物理實驗教學，他們在現有實驗基礎上進行改造，尋找物理與工科的交叉點，開發出多學科融合的實驗。實驗操作時，各專業學生組成團隊，根據各自專業優勢進行分工協作。培養了學生跨學科研究的能力，為新工科人才培養提供了經驗。我們根據現有實驗條件，將開發更多的綜合性、與各專業結合的實驗內容，以適應新工科人才培養的需要。

2.5 改進課程考核方式

近年來，我校大學物理實驗課程一直采用傳統的考核方式，即平時成績+期末考試成績。期末考試采取筆試形式，并且所占比重較大，而平時成績的區分度并不大。采取這種考核方式，學生成績主要由期末考試決定，期末考試側重考察學生的基礎知識，學生的操作能力，分析解決問題的能力及創新能力不能得到有效考查。在這樣的考核方式下，有些學生為了獲得更高的分數，把精力放在如何記住基本知識，如何做各種題目。有些學生在課堂上操作熟練，認真，積極主動解決問題，但在成績上沒有多少差異，損傷了部分學生學習的積極性，大部分學生只是按老師的要求做完實驗，得到數據，課堂效果并不理想。為了全面考查學生的實驗能力，我們對物理實驗的考核方式進行了調整，提高了平時成績的比重，平時成績也不僅僅是實驗報告的成績，改為課前預習、課上操作、課后寫實驗報告等整個學習過程都進行評價。要求學生課前對實驗進行預習，并寫出實驗報告的預習部分。課堂上，教師對學生的表現詳細記錄，作為平時成績的重要依據，課后學生完成實驗報告。教師根據學生預習、課上操作、課后的表現綜合給出平時成績。期末考試則根據不同專業的要求，采取實驗操作、撰寫課程總結、筆試等多種方式進行考查。通過改進課程考核方式，學生學習更加積極、主動，動手能力、解決問題的能力明顯提高。

3 結束語

大學物理實驗是工科學生的必修課程，通過大學物理實驗課程的學習，可以培養學生的科研和創新能力，新工科建設對大學物理實驗教學提出了新的挑戰和要求，我們從教學方法、教學模式，實驗內容、考核方式等多方面進行了改革，將為新工科人才培養發揮重要作用。