新工科建設(shè)背景下大學物理實驗教學改革探討

劉金秀，賀小偉，張景川，楚合營，王 龍，羅華平

（塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆阿拉爾843300）

0 引言

新工科建設(shè)是在“卓越計劃”基礎(chǔ)上提出的一項以“主動布局、設(shè)置和建設(shè)服務國家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)需求、面向未來發(fā)展的工程學科與專業(yè)，培養(yǎng)造就一批具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力、高素質(zhì)的各類交叉復合型卓越工程科技人才”為主要目標的教育改革行動[1-2]。2019年4月29日，教育部“六卓越一拔尖”計劃2.0大會中提出“立足新時代，大力發(fā)展新工科、新農(nóng)科，提升新內(nèi)涵，強化質(zhì)量效果，建設(shè)高水平本科教育[3]”的目標。新工科建設(shè)一方面要求高等教育應該授人以漁，另一方面要求培養(yǎng)綜合創(chuàng)新型人才[4]。當代科技與經(jīng)濟發(fā)展日新月異，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)對高等工程教育提出了新要求，使其面臨著巨大挑戰(zhàn)。

大學物理實驗課程是理工科學生開設(shè)最早的學科基礎(chǔ)課，該課程對加深學生理解和掌握物理概念及規(guī)律、激發(fā)物理學習興趣至關(guān)重要，并且可為后續(xù)科學地開展專業(yè)課程實驗奠定基礎(chǔ)。但由于國內(nèi)部分高校對常規(guī)的實驗教學方法未與時俱進實行改革，大學物理實驗未能很好地發(fā)揮其應有的功能。傳統(tǒng)實驗教學缺乏反映工程技術(shù)和科技領(lǐng)域的新應用、新發(fā)展的實驗項目，學生被動地模仿操作實驗，課堂互動極少，考核評價也存在諸多弊端，教學效果較差，無法達到新工科建設(shè)對大學物理實驗教學提出的新要求，大學物理實驗課程教學改革迫在眉睫[5-6]。

現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展和學生學習方式的改變對傳統(tǒng)實驗教學形成了多方位挑戰(zhàn)，為支撐新工科建設(shè)人才培養(yǎng)的需要，課題組提出從以下四個方面進行大學物理實驗教學改革探索，以期不斷提高大學物理實驗課程教學效果和質(zhì)量，為培養(yǎng)新時代四有拔尖人才奠定基礎(chǔ)。

1 以教材為支撐，豐富教學內(nèi)容

在新工科建設(shè)背景下，大學物理實驗教材在包含實驗基本知識、原理和操作方法的同時，應提供科學探索的研究方法，將物理原理的驗證與應用結(jié)合起來，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和創(chuàng)新精神。以基礎(chǔ)性、層次性、綜合性、新技術(shù)應用性為特點，課題組擬結(jié)合本校實驗室條件、專業(yè)需求并參考國家級優(yōu)秀教材開展大學物理實驗教材的編寫工作。

1.1 重視基礎(chǔ)實驗項目，建設(shè)寬泛的拓展項目

教材遵循《理工科類大學物理實驗科學教學基本要求》這一綱領(lǐng)，并結(jié)合新工科建設(shè)和專業(yè)人才培養(yǎng)目標，以基礎(chǔ)物理實驗項目為重點，增加綜合性、開放性的探索實驗。基礎(chǔ)物理實驗項目包含常見的力學、熱學、聲學、電磁學、光學和近代物理實驗，按從易到難的順序?qū)哟位幣牛冶M量使每個實驗項目也有層次化的要求。充分考慮課程面向?qū)W生的差異性，在基礎(chǔ)實驗項目的基礎(chǔ)上設(shè)置綜合性、開放性的探索實驗，將科學內(nèi)容、研究方法、創(chuàng)新意識有機地融合到物理實驗中，使教材適應農(nóng)機、機械、植保等不同專業(yè)、不同層次的學生學習需求，滿足學生個性化發(fā)展。在綜合性、開放性實驗項目中，只設(shè)定實驗要求和目標，讓學生自主完成設(shè)備組裝、步驟安排和數(shù)據(jù)分析等一系列工作，給予學生較充分的時間、空間自主選擇權(quán)，更好地發(fā)揮學生的主觀能動性，培養(yǎng)學生勇于探索的科研精神。

1.2 與時俱進，充實教材內(nèi)容

當代科學技術(shù)日新月異，教材形式應緊跟時代發(fā)展，為學生提供更加快捷、方便、豐富的教學資源[7]。將傳感器技術(shù)、納米材料、光譜技術(shù)等現(xiàn)代科技成果和物理前沿知識融入實驗項目中，以附錄的形式進行介紹。建立資源鏈接，將優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)資源以視頻、文獻或圖片的形式轉(zhuǎn)化為二維碼嵌入到教材相應章節(jié)，學生通過掃碼即可形象直觀地學習實驗儀器及其使用方法等知識，也可了解相關(guān)實驗項目在實際生活中的應用或推廣，提高教材的廣度和時代性。學生能及時接觸到物理學發(fā)展的前沿知識和技術(shù)，以便豐富學生的背景知識、擴展物理知識面，激發(fā)學生對物理實驗探索的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)造性思維。

2 以信息技術(shù)為載體，開展教學改革

為適應新形勢下新工科建設(shè)對人才培養(yǎng)的需求，近年來塔里木大學加快了物理實驗場地建設(shè)和實驗儀器更新，課題組也結(jié)合信息技術(shù)不斷調(diào)整教學方法和教學手段，使大學物理實驗教學從原來只注重知識的傳授轉(zhuǎn)變到學生能力和素質(zhì)培養(yǎng)的目標上來。

2.1 利用信息平臺，構(gòu)建“線上+線下”教學模式

在現(xiàn)代化高等教育中，信息化教學模式和互動式教學手段優(yōu)勢明顯，突破了傳統(tǒng)教學在時間、空間上的限制，將學習的主動權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學生，有利于構(gòu)建“以學生為中心”的主動、探究式學習模式，提高學生分析、解決問題的能力。

大學物理實驗模塊化明顯，制作微課方便，課題組借助“學習通”平臺開展大學物理實驗翻轉(zhuǎn)課堂教學（圖1），采用“線上+線下”相結(jié)合的授課模式，實現(xiàn)課前知識傳遞、課上知識內(nèi)化和課后知識鞏固。學生可以隨時在線上做好充分的預習，將更多時間投入到實驗操作和探究環(huán)節(jié)，也有足夠的時間進行“線上+線下”的師生、生生互動討論。

圖1 大學物理實驗“線上+線下”翻轉(zhuǎn)課堂教學模式

2.2 有效利用信息技術(shù)，多方位提升教學效果

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展為教學改革提供了技術(shù)支持[8]，在大學物理實驗教學中應有效利用信息技術(shù)整合多用途的信息平臺，不斷拓展大學物理實驗課程的信息化教學空間。如利用信息技術(shù)開展虛擬實驗建設(shè)，彌補因?qū)嶒炇覘l件設(shè)備缺乏致使部分實驗無法開展的弊端；再如進行實驗儀器數(shù)字化教學、開展數(shù)字化教材建設(shè)[9]，便于學生通過計算機或者手機及時觀看實驗演示視頻、學習相關(guān)實驗知識。

在大學物理實驗教學中充分利用微信、QQ等交流工具，根據(jù)不同的專業(yè)和課程建立不同的微信群和QQ群，通過群發(fā)布學習任務、分享資料、交流問題，也便于及時補充相關(guān)實驗知識，有效協(xié)助開展物理實驗教學，提高學習效率，優(yōu)化教學效果。

3 以課程建設(shè)為契機，開設(shè)實驗選修課

3.1 在《大學物理實驗》課程之前開設(shè)選修課

由于農(nóng)機、計算機、動醫(yī)等各專業(yè)學生物理基礎(chǔ)知識參差不齊，而且物理實驗教材中增添了新的實驗項目，應綜合各實際情況，課題組將專門開設(shè)大學物理實驗的公共選修課程《大學物理實驗方法與技術(shù)》，讓基礎(chǔ)薄弱的同學能夠預先了解和學習物理實驗儀器和基本理論知識，提前掌握實驗儀器的操作方法。

3.2 在《大學物理實驗》課程之后開設(shè)選修課

目前理工科學生的物理實驗課時在減少，為了鞏固實踐能力，課題組將專門開設(shè)大學物理實驗的后續(xù)選修課程《大學物理實驗拓展》。組建選修課教師團隊，團隊教師需不斷提高理論和業(yè)務水平、提升自身創(chuàng)新能力，在課程教學中分享各自在物理領(lǐng)域有關(guān)的科研進展，介紹歷屆大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的成果案例，激發(fā)學生的創(chuàng)新熱情，鼓勵學生組建創(chuàng)新團隊并積極申報大創(chuàng)項目。通過后續(xù)選修課的教學實現(xiàn)師生教學相長，同時提升教師和學生的實踐探究能力，促進農(nóng)機、機械、動醫(yī)、食品科學、化工、生物科學、計算機等專業(yè)教育的發(fā)展。

4 以過程考核為重點，優(yōu)化評價方式

4.1 加強實驗過程考核，調(diào)動學生的學習積極性

基礎(chǔ)物理實驗教學是集預習、操作、數(shù)據(jù)分析、實驗報告等環(huán)節(jié)為一體的過程教學，對單一環(huán)節(jié)和整體過程的考核比對實驗結(jié)果的考核更重要[10]。首先，從預習環(huán)節(jié)的考核著手，通過學生在線上提交的預習報告給出一部分預習成績，再根據(jù)線下課堂開始前學生對實驗原理、操作等課前知識的掌握程度給出另一部分預習成績；其次，注重實驗操作環(huán)節(jié)的考核，不僅關(guān)注學生操作實驗的具體情況，而且隨時進行提問、開展互動交流，根據(jù)學生在實驗環(huán)節(jié)的整體表現(xiàn)給出考核成績；最后，結(jié)合實驗報告的完整性及數(shù)據(jù)分析的合理性給出基礎(chǔ)物理實驗的評定成績。過程考核能更客觀地反映學生對實驗的掌握程度，有利于調(diào)動學生的學習積極性。

4.2 實行多元化考核，引導學生開展個性化學習

在基礎(chǔ)實驗項目過程考核的基礎(chǔ)上實行多元化考核。要求學生以小組形式分別完成一個綜合性實驗和一個開放性探索實驗，完成實驗后需分別提交一份包括實驗設(shè)計、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理及實驗問題的綜合報告，并進行現(xiàn)場答辯，根據(jù)答辯情況給出評定成績，計入大學物理實驗最終成績，通過多元化考核充分引導學生開展個性化學習。

5 總結(jié)

針對目前大學物理實驗教學中存在的問題，圍繞新工科建設(shè)要求，基于現(xiàn)代信息技術(shù)和高等教育發(fā)展戰(zhàn)略，提出從教材建設(shè)、教學方式、選修課程、考核評價等方面對大學物理實驗教學進行改革的舉措。教學實踐表明，經(jīng)過階段性改革，學生預習、開展實驗的積極性明顯提高，師生、生生互動交流更密切，實驗報告質(zhì)量相比以前有了較大提升。