大學物理實驗教學模式改革探索與研究

韓汝取 李曉喜 褚艷秋 高國軍 厲淑貞 汪圓香 張亞梅

(江蘇科技大學理學院 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

1 引言

自20世紀70年代改革開放以來，我國經(jīng)濟發(fā)展取得了舉世矚目的成績，尤其是進入21世紀以來，更是一枝獨秀，成為推動全球經(jīng)濟發(fā)展的發(fā)動機.與之相應的是我國的高等教育也同樣取得了長足的進展，獲得了喜人的成績，為經(jīng)濟發(fā)展和社會進步以及國防建設提供了大量高素質(zhì)人才.《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》提出，要著力提高學生勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問題的實踐能力.

大學物理實驗作為高校理工科類大學生必修基礎實驗課程，是大學生進入大學后最早接觸的實驗技能訓練課程，它著重培養(yǎng)學生的實驗技能、科學作風以及綜合分析、發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，對培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和工作作風、提高創(chuàng)新能力等起著十分重要的作用.但隨著高等教育的蓬勃發(fā)展，大學物理實驗課程的發(fā)展卻明顯滯后，尤其是2020年新冠疫情的爆發(fā)，更是讓傳統(tǒng)大學物理實驗教學模式的弊端暴露無遺.與此同時，“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的出現(xiàn)，使得各種教學手段大量涌現(xiàn)，各種教學資源更是雪崩式的發(fā)展.如微課、慕課、云計算技術(shù)、翻轉(zhuǎn)課堂、騰訊課堂等多種教學形式[1～5]，在疫情期間極好地發(fā)揮了對傳統(tǒng)課堂教學的補充與替代作用.盡管傳統(tǒng)的課堂教學模式在教學過程中仍具有至關重要的地位，但多元化的教學模式已經(jīng)顯現(xiàn)出強勁的生命力，并將在后疫情時代發(fā)揮更為重要的作用.因此，如何快速有效地將現(xiàn)代化教學手段與傳統(tǒng)課堂教學模式相結(jié)合，是解決現(xiàn)有教學模式局限性，提高高校教學質(zhì)量，創(chuàng)辦一流本科教育行之有效的方法和途徑.

2 傳統(tǒng)大學物理實驗教學面臨的問題

多年來，大學物理實驗課程的教學模式一直比較單一，而高等教育本身卻在飛速發(fā)展，使得傳統(tǒng)課堂教學模式越來越不適應現(xiàn)代高等教育的需求，其中存在的主要問題有以下幾點.

2.1 實驗教學模式落后 教學效果不佳

1999年后，我國高等教育進入持續(xù)發(fā)展階段，教育規(guī)模急劇膨脹，但與之對應的大學物理實驗教學模式的發(fā)展卻非常緩慢.《全國普通高校本科教育教學質(zhì)量報告(2018年度)》明確指出“部分高校本科教育教學工作尚存在教學模式創(chuàng)新性不足的問題，部分高校慕課、翻轉(zhuǎn)課堂、線上線下混合式教學等新型教學模式應用不足.”這一問題在各高校大學物理實驗教學環(huán)節(jié)中也極為普遍.

目前，在實踐教學環(huán)節(jié)，大部分高校仍然采用傳統(tǒng)教師課堂講授的教學模式.該模式下，實驗指導教師需在黑板上提前列出簡要的實驗原理、實驗數(shù)據(jù)表格及數(shù)據(jù)處理方法等內(nèi)容.課上教師依次介紹實驗目的、原理、測量方法、數(shù)據(jù)處理方法、注意事項等.之后學生根據(jù)教師示范，按部就班地測量實驗數(shù)據(jù)填寫數(shù)據(jù)表格完成實驗內(nèi)容.整個實驗過程，面對陌生的實驗儀器和復雜的實驗原理，學生幾乎只能按照教師的思路完成實驗，缺乏獨立思考的空間，喪失了實踐教學環(huán)節(jié)中發(fā)現(xiàn)問題解決問題的機會.不但沒有達到應有的教學效果和教學目的，還嚴重損害了學生的學習熱情，使得大學物理課程變成了學生普遍不重視、作用有限的“送分”課.

同時，隨著5G技術(shù)的廣泛普及，我國社會正全面大踏步地進入信息化時代，傳統(tǒng)的教師課堂授課形式“板書+PPT+有限多媒體”的容量有限、效果有限，平面化(二維)教學模式的局限性越發(fā)凸顯，而新冠疫情的突然爆發(fā)更是將這些問題充分暴露了出來.

2.2 運行模式違背先易后難與循序漸進的教學原則

大學物理實驗課程內(nèi)容是由若干個相對獨立的實驗項目組成，涉及力學、熱學、電磁學、光學及近代物理等眾多內(nèi)容.大部分高校安排大學物理理論課程與大學物理實驗課程同步授課(少部分高校不同步)，通過理論與實踐之間的聯(lián)系，促進學生對知識的掌握，并培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神、動手能力和解決問題的實踐能力.但在開放運行的模式下，受實驗場地、儀器數(shù)量及教學時間的限制，學生只能根據(jù)個人時間近乎隨機地安排實驗項目，造成理論課程與實踐環(huán)節(jié)之間脫節(jié)，打亂了原有實驗內(nèi)容安排先易后難、循序漸進的教學原則，破壞了教學內(nèi)容設置的有序性和目的性.

同時，無序的實驗次序也給學生的課前預習帶來很大困難，導致大部分學生放棄課前預習，進而完全依賴實驗指導教師課堂講授來完成實驗，使學生在有限的教學時間內(nèi)，對所學知識難以有效地吸收理解，形成學生囫圇吞棗、應付了事的學習心理，進一步夯實了大學物理實驗課程是一門“送分”課的地位.

2.3 教師教學任務繁重 教學質(zhì)量不高

大學物理實驗課程是高校理工科各專業(yè)的必修課程，學生基數(shù)龐大，教師的實踐教學任務繁重.由于凌亂的學習次序，造成學生對知識缺乏完備系統(tǒng)性地學習，進而不能有效完成課前預習任務.為此，教師不得不花費大量的時間和精力用以介紹實驗背景、原理及儀器等基礎性內(nèi)容.而單一的教學手段又難于有效解釋復雜的實際問題，使學生常常在教師講解結(jié)束后仍然是一頭霧水，面對儀器無從下手.一些原本應由學生獨立完成的實驗儀器使用及測試工作，也需要在教師示范指導后方能完成.從始至終教師無奈地選擇填鴨式教學方式，而學生則完全處于被動的學習狀態(tài)，進而失去了主動學習的能力，同時也背離了“以學生為中心”的教學理念.整個教學過程，教師進行著大量重復勞動卻難以取得較好的教學效果.這表明既有教學模式已經(jīng)不能適應現(xiàn)代教學需求，反而弱化了課程在現(xiàn)代教學體系內(nèi)應發(fā)揮的作用.

3 大學物理實驗教學改革辦法

隨著高校教學改革的深入，原有大學物理實驗教學模式已經(jīng)明顯滯后于新時期高等教育對該課程的要求，因此急需改革其教學模式，使之適應現(xiàn)代教學的需求，成為能夠促進培養(yǎng)學生“創(chuàng)新精神和善于解決問題的實踐能力”的“有用”的課.“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的發(fā)展，線上與線下混合式教學模式的出現(xiàn)，以及虛擬仿真技術(shù)的開發(fā)，為上述問題的解決提供了行之有效的方法和途徑[6].

3.1 教學內(nèi)容改革

圍繞以“學生為中心”教育理念的貫徹，為促進學生自主學習能力的提高，大學物理實驗課程學時已經(jīng)相應縮減.因此，必須有針對性地調(diào)整原有教學內(nèi)容，改革原有的教學模式，使其教學效果不因?qū)W時減少而降低，甚至能有所提高.在調(diào)整教學內(nèi)容時，根據(jù)實驗類型將原大學物理實驗中基礎型實驗全部移出，以虛擬仿真實驗的形式供學生線上自主學習，實踐教學則只保留綜合型實驗，并相應增加設計研究型實驗內(nèi)容，實現(xiàn)實驗教學線上線下分流.

線上實驗主要包括常規(guī)儀器的使用及基礎實驗等內(nèi)容，涉及教學內(nèi)容淺顯，借助虛擬仿真技術(shù)，結(jié)合教師制作的相關教學資源，學生自習即可掌握.同時線上教學也便于學生反復學習，以及隨時隨地學習，可充分利用學生的碎片化時間，提高其學習效率，并有助于培養(yǎng)其自主學習能力.通過線上學習，還可使學生了解實驗流程及實驗室規(guī)章，為后續(xù)進入實驗室做準備.為保證線上學習效果，可設置相應的考核機制，檢驗學生對該部分實驗內(nèi)容(儀器)的學習情況，取得良好以上成績后方可進入實踐課程部分內(nèi)容的學習.

通過線上線下結(jié)合，可大大縮減實驗教師在實驗室規(guī)范及基礎實驗內(nèi)容上分配的時間，使課堂講授更加精煉，有針對性地解決實驗中的疑難問題，提升教學效率，提高教學效果，并為師生交流提供更多機會，有助于“啟發(fā)式”教學的開展.線上線下相結(jié)合的學習方式也有效解決了課時壓縮對大學物理實驗課程造成的不利影響，并使實踐教學部分內(nèi)容的安排更具有針對性和專業(yè)性，克服了原有開放模式帶來的無序性，利于學生知識的積累，并可促進實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，充分提高學生知識、能力、素質(zhì)的有機融合，對培養(yǎng)學生解決復雜問題的綜合能力起到了有力的促進作用.

比如“示波器的原理與應用”實驗.示波器在電工電子研究中具有廣泛的應用，是大學物理實驗中一項基本的實驗內(nèi)容，但示波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜、操作繁復，依靠傳統(tǒng)的教學模式很難達到理想的教學效果.要鍛煉學生對該儀器的使用能力，必須通過多次反復練習才可以實現(xiàn).若沿用傳統(tǒng)的課堂教學模式，不但占用教學資源，教學效果也非常有限，同時也不利于后續(xù)“聲速測量”“光的偏振性研究”等實驗的開展.通過線上教學，學生在進入實驗室之前即可完成對示波器工作原理的理解并通過線上反復練習能較熟練掌握示波器的操作，可極大地優(yōu)化教學環(huán)節(jié)、提高教學效率.

3.2 教學方法改革

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)深入廣泛發(fā)展，學生可廣泛查閱傳統(tǒng)教學資源(如書籍、PPT文件等)，現(xiàn)代化技術(shù)手段更能夠?qū)⒔虒W內(nèi)容、教學過程進行多維度廣角度地分解，以MOOC、微課、翻轉(zhuǎn)課堂、騰訊課堂等形式呈現(xiàn)在學習者面前，解決了原有課堂教學方法只能通過“板書+PPT+有限多媒體”這種容量有限、效果有限、平面化(二維)教學模式的局限性，使教學過程真正地豐富起來，立體起來.同時，各種教學資源放在網(wǎng)上供學生開放使用，也有助于學生利用碎片化時間自主學習，實現(xiàn)隨時隨地學習(四維).使學生真正根據(jù)個人需求自主安排學習內(nèi)容，極大地提高學生對學習過程的參與度和積極性.促進教學過程由教師“教授”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙龑А?，并最終向?qū)W生要“學習”的轉(zhuǎn)變.有助于培養(yǎng)學生的學習自主性，激發(fā)學習熱情，提高學習效率，優(yōu)化教學效果.通過教學過程由二維向四維推廣，有效推進教學內(nèi)容從基礎型實驗向綜合設計型實驗的過渡，既保證了課程的基礎性、廣泛性，又提高了課程的質(zhì)量與教學效果.

3.3 教學資源建設

為適應上述教學模式的轉(zhuǎn)變與推廣，需要積極加強相應教學資源的廣泛建設，引進優(yōu)質(zhì)教育資源，改善教學環(huán)境，構(gòu)建新型學習方式，實現(xiàn)在線學習、移動學習、翻轉(zhuǎn)課堂和混合式學習，促進以課堂學習為主向多種學習方式的轉(zhuǎn)變.為豐富教學內(nèi)容，促進學生對知識的掌握和貫通，還可通過微信公眾號等形式制作或轉(zhuǎn)載一些相關理論的背景內(nèi)容、科普知識、前沿成果、實際應用等，豐富學生的知識體系，開闊學生眼界，激發(fā)學習熱情和求是創(chuàng)新的欲望，促進學生能力的全方位培養(yǎng).

以“示波器的原理與應用”實驗為例，在介紹示波管原理時，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細、工作原理復雜，傳統(tǒng)課堂教學要么簡單介紹、要么略過不提，常使學生不知所云、困惑不解，但又疑無可疑、問無可問，只能匆匆略過達不到相應的教學效果.為更好解決上述問題，可以制作“微課”將教師講解、PPT展示、抽象原理模擬、實際儀器演示等內(nèi)容有機結(jié)合，便于學生自主反復學習；借助虛擬仿真技術(shù)制作“示波器虛擬仿真實驗”，供學生線上練習掌握該儀器的使用，為進入實驗室打好基礎.通過上述方法可將疑難知識點提煉處理，實現(xiàn)知識點的碎片化分解，并將實際儀器無法展示的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容展現(xiàn)在學生面前，使學生近距離地面對問題，教學效果直觀清晰.此外，演示(模擬)示波器在信號捕捉分析處理、超聲檢測等不同場景下的應用，既拓寬學生的視野，又激發(fā)學生濃厚的探索欲望.

各種教學資源的應用，將極大地改善傳統(tǒng)課堂教學的局限性，并加大學生對教學過程的參與程度，有利于“探究式”“討論式”和“項目式”等教學方式的開展，從而推動對以“學生為中心”教育理念的深入貫徹.目前，通過“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)絕大多數(shù)實驗資源的建設，而大量優(yōu)質(zhì)教學資源的建設必將推動微課、慕課、云計算技術(shù)、翻轉(zhuǎn)課堂、騰訊課堂等教學形式的廣泛采用，促進教學改革的深入開展.

3.4 考核方式改革

由于教學模式改變，原有評定學生實驗成績的模式不再適用.新的教學模式下，教學的主體由教師轉(zhuǎn)向?qū)W生，為更加合理地評判學生的學習效果和學習參與度，可適當增加學生自主學習部分成績的比例，并通過在線平臺予以考核，建議該部分成績占總成績的比例以30%為宜.實踐環(huán)節(jié)反映學生的實際動手能力，以及分析解決問題的能力，對培養(yǎng)學生的實踐能力、分析解決問題的能力具有至關重要的作用，建議該部分成績占總成績的比例以40%為宜.以往實驗報告占總成績的比例基本為50%，在新的教學模式下，提升了學生自主學習在課程中的作用，因此可適當降低實驗報告在總成績中的比例.但實驗數(shù)據(jù)處理能力的培養(yǎng)和提高、實驗結(jié)果的綜合分析和表述能力的培養(yǎng)仍然是實驗課程的重要培養(yǎng)目標，建議該部分成績占總成績的比例以30%為宜.開設大學物理實驗的目的，是以物理實驗為載體，鞏固物理實驗的基本理論和知識的學習，進行實驗設計能力以及實踐探索精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng).因此，可結(jié)合學生在實踐環(huán)節(jié)中表現(xiàn)出來的實際能力，如提出合理實驗方案、優(yōu)化實驗環(huán)節(jié)、解決疑難問題等表現(xiàn)，適當提高學生成績的評定等級.

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)大學物理實驗教學面臨的問題，我們在教學實踐中通過教學內(nèi)容、教學方法、考核方式的改革以及教學資源建設等一系列措施的實施，充分調(diào)動了學生學習大學物理實驗課程的積極性，提高了教學效果，對培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力起到了積極的促進作用.

教學改革是一項長期而艱巨的任務，通過師生的共同努力.實現(xiàn)將現(xiàn)代化教學模式和傳統(tǒng)課堂教學模式的有機結(jié)合，提高大學物理實驗教學質(zhì)量，通過互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，逐步推動大學物理實驗課堂教學改革，努力提高課程的整體質(zhì)量和教學水平，著力提升人才培養(yǎng)能力，使大學物理實驗成為真正能夠?qū)W生核心素養(yǎng)提升、專業(yè)能力發(fā)展產(chǎn)生重大影響的“有用的”課程.