新工科背景下地方本科高校大學物理實驗室建設研究

簡榮華 毛俊雯 沈彩萬 龐濤 劉兆亮

摘 要：面對新工科建設的目標和要求，大學物理實驗室建設也急需創新改革。本文以湖州師范學院為例，分析了當前地方本科高校大學物理實驗室存在的不足，重點探討了新大學物理實驗室的建設改革，主要體現在：優化實驗室儀器資源配置，引進先進實驗設備;建設先進實驗項目，開展分層次實驗教學;建立培養實驗教師隊伍的長效機制和實驗平臺信息化條件提升建設，通過建設擬達到將大學物理實驗室建設成為提升學生實踐能力和創新能力的基地。

關鍵詞：大學物理實驗室 新工科 實驗室建設 創新

為應對新一輪科技革命和產業變革，提高國家未來戰略競爭力，2017年教育部正式提出建設和發展新工科建設，旨在加快培養新興領域工程科技人才服務于以新技術、新業態、新產業為代表的新經濟發展。[1]對地方高校來說，新工科建設既是挑戰，更是機遇。湖州師范學院新工科建設正圍繞“復旦共識”[2]、“天大行動”[3]理念和浙江省新工科建設行動倡議——“浙八味”，結合地方辦學特色和優勢對新工科專業及人才質量培養進行地方道路的實踐探索。

大學物理實驗是理工科各專業的基礎課程，是學生接受系統的實驗方法和實驗技能訓練的開端，是學生以后從事各項科學探索和工程實踐的基礎。隨著新工科發展和教學內容的調整，大學物理實驗對新工科創新型人才的培養發揮著更加重要的作用，更加需要適應新一輪科技革命對培養學生動手能力和科學精神的要求，因此在新工科的背景下，建設好大學物理實驗室至關重要。本文分析地方高校大學物理實驗室中軟硬環境建設方面存在的一些問題，結合問題及新工科建設要求，介紹湖州師范學院大學物理實驗室建設情況，希望能夠對地方高校的大學物理實驗室建設提供一定的參考。

1 研究現狀分析

湖州師范學院物理實驗教學中心是浙江省“十三五”省級重點建設實驗教學示范中心，其中大學物理實驗室主要承擔物理、化學、光電信息科學與工程、新能源材料與器件、電子信息工程、機械設計制造及其自動化、材料化學等20多個理工科專業的大學物理實驗。由于受到地方辦學條件影響，在“新工科”背景下，大學物理實驗室的狀況仍存在不少問題，主要體現在以下幾個面：

1.1 基礎實驗儀器設備陳舊落后

搞好實驗室硬件建設，是培養創新人才的重要物質基礎和必要條件。[4]隨著高等教育的快速發展地方高校的規模也在擴大，但由于對基礎物理實驗重視程度不夠，學校將大量經費投入到科技樓、公共設施等建設中，而對傳統的基礎實驗室的建設資金投入有限，從而導致基礎實驗室陳舊、落后的實驗儀器仍在使用，這將嚴重影響教學質量，不利于對學生創新能力培養。

1.2 實驗項目設置不合理

由于缺乏實驗設備和實驗教材的及時更新，導致大學物理實驗項目內容陳舊過時，且實驗項目仍以驗證性的實驗居多，以光電信息科學與工程專業開設的大學物理實驗項目為例，共開設12個實驗項目其中5個為驗證性實驗，而該類實驗項目一般操作過程簡單，缺乏不確定性，通過對學生的調查和課堂反應效果來看，學生對驗證性實驗缺乏興趣，其結果對學生實驗技能和創新能力的培養也成效甚微，不利于新工科創新型人才的培養。

1.3 實驗人員隊伍建設不夠合理

在國內地方高校由于受傳統思想的影響，存在對物理實驗教學在素質教育中的地位和作用認識不足的問題。部分教師也存在重理論輕實驗的現象，不愿對實驗教學研究投入過多的精力。而對那些有理論扎實功底且有技術經驗的實驗技術人員，由于政策或待遇問題一直得不到重視，嚴重的挫傷了他們的積極性，從而影響了實驗技術人員隊伍的穩定性，同時也制約了實驗技術人員隊伍的高質量發展。[5]以我校物理實驗中心為例，前幾年引進技術人員4人中就有2人考取博士畢業后離校或轉專任教師。

1.4 實驗室信息化建設不足

實驗室信息化水平相對落后，缺乏先進的實驗管理系統和實驗信息共享平臺。傳統的實驗管理主要是較為繁瑣的人工操作，工作效率低下，如實驗室開放、教師預約排課、設備使用、設備維修記錄等工作。此外，實驗教學網站建設不到位，缺少實驗資源共享信息平臺，學生預習實驗主要通過實驗教材進行，而對實驗儀器情況及如何操作需要在課堂中進行講解，這些都不利于學生學習效率的提高。

2 新工科背景下大學物理實驗室建設的探索

新工科背景下的大學物理實驗室建設需要致力于根據“新工科”建設要求，結合本校專業的建設與發展，以學生創新能力培養為主線，改革實驗室存在的不足，建設一個實驗設施齊全、儀器設備精良、實驗隊伍結構合理、物理實驗教學分層次與多模式、拓展與創新型有機結合的大學物理實驗室。

2.1 優化實驗室儀器資源配置，引進先進實驗設備

傳統大學物理實驗室中力學、熱學、電磁學和光學實驗室都是各自獨立的實驗體系，不利于學生進行創新實踐。為了讓其更好的服務于學生專業學習和創新實踐，需對現有實驗室進行整合并優化現有實驗室資源配置。此外，積極爭取更多實驗室經費投入，引進先進實驗設備。

我校物理實驗中心與時俱進，致力于實驗室建設的創新改革，近幾年對傳統大學物理實驗室進行新功能模塊建設。建設后的大學物理實驗室具體包括大學物理課程的基礎實驗模塊、科技創新功能模塊（含創客教育實驗室、大學生科創作品中心）和大學生創新實踐基地模塊（含電子制作實驗室、模型制作實驗室和綜合探究融合創新實驗室）。在建設過程中對利用率不高的實驗儀器設備或由于實驗教學內容調整而處于閑置的儀器進行優化整合，并結合對學生創新能力培養要求，按需重新分配到各功能模塊實驗室。

積極爭取更多經費投入，大學物理實驗室儀器設備的更新必須根據新工科建設要求進行充分的論證，實驗室建設中應使新建的實驗項目和實驗設備具有先進性。近兩年我校大學物理實驗室投入300余萬元購置了先進的綜合性、設計性、創新性等現代實驗教學設備和虛擬仿真實驗系統，在購置這些設備的同時對1人1套的儀器設備力求配置性能最好的最新型號，對2-3人1套的儀器盡量考慮數字化、自動化，從而讓學生在學校就能接觸到當前最新的實驗設備和較前沿的技術測量工具。此外，積極鼓勵實驗教師和實驗技術人員申報自制儀器項目進行儀器設備的改進與研發。近三年中心人員獲自制儀器項目“光敏器件特性測試教學儀”、“新型焦利氏秤的創新設計、研制與應用”等4項并用于實驗教學中，此外通過科技創新實驗室和創新實踐基地的建設，鼓勵學生積極參加國家、省級、校級各類競賽、申報各類科研項目和實驗室開放項目，并以項目為依托改進和開發新實驗設備。近三年學生依托新大學物理實驗室平臺以物理實驗教學儀器的開發及改進為內容申請并獲批國家級大學生創新創業訓練計劃項目1項，浙江省大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃項目3項。此外，近兩年以物理實驗教學儀器的開發及改進為內容參加浙江省大學生物理科技創新競賽、浙江省大學生物理實驗與科技創新競賽和全國大學生物理實驗競賽（創新）獲獎10項。

2.2 建設先進實驗項目，開展分層次實驗教學

新工科教育的核心是學科交叉，需對學生進行復合型專業培養，[6]而目前的物理實驗教學項目內容對不同專業學生的訓練上沒有太大的區分，且實驗項目內容陳舊過時，缺少學科交叉和綜合。因此為了新工科創新人才的培養，需要根據學校工科專業特點，進一步優化實驗項目內容。我校由理學院牽頭組織任課教師論證大學物理實驗項目建設，緊密結合各專業特點和當代實驗新技術[7]，豐富大學物理實驗內容。如利用計算機技術、傳感器技術等現代科研成果用于大學物理實驗之中拓寬學生的知識面，培養學生的綜合實驗能力。同時下大力氣研究實驗課程體系和教學內容的改革，精選驗證性實驗，增加綜合性、設計性、探究性及前沿性等創新型物理實驗項目，注重創新能力的培養，適應科技發展的需要。同時改變傳統的多學時實驗課依附理論課的課程設置，形成相對獨立的物理實驗課程體系，課程內容體現基礎技能訓練和研究性實驗相結合原則。

實驗教學中改進教學方法，改革傳統的實驗教學思想，把提高學生的實驗技能放在第一位，授課教師采取精講多練的教學方法，多給學生自我探索、自己動手的機會，使學生在實驗活動中由被動變為主動，從而有助于培養學生的自主能力。同時實驗教學上采用驗證、設計、綜合相結合的實驗類型模式，采用必做、選做實驗相結合的實驗項目選題模式，并在實驗項目內容實施過程中開展分層次教學，由淺而深逐步開展實驗。此外，改革實驗教學大綱模式，針對不同專業進行分層制定實驗教學課程學時和實驗模塊。從而通過分層次的實驗教學體系，提升大學物理實驗對不同專業學生的實踐能力培養。

2.3 建立培養實驗教師隊伍的長效機制

物理實驗教學中心實行專職和兼職相結合的組織形式，依托學科優勢，通過建立多種形式培養實驗教師及實驗技術人員的長效機制，提升與應用型人才培養相適應的實驗教師隊伍，從而建設滿足人才培養要求的實驗教學團隊。

一是制定相關激勵政策吸引高水平青年教師，尤其是有工科背景的教師和高水平技術人員充實到實驗教師隊伍，并擔任實驗教學課程的責任人，從而提升整個物理實驗教師隊伍水平;二是進一步明確實驗教師的職責。既要根據教學計劃、實驗教學大綱規定的內容全面完成授課任務，又要引導和指導學生開展實驗室開放項目、畢業設計以及其它學生科研項目;三是激勵實驗教師和實驗技術人員參與網絡培訓、實驗教研活動、科研活動和學術交流等。只有不斷吸收新知識，研究新問題和學習最新教育教學文件，才能樹立新工科背景下的最新教學理念，把新的教學手段、新的實驗方法及技術和新的成果引入到物理實驗教學中去。四是鼓勵實驗技術人員參加學歷提升計劃，并制定相關政策激勵技術人員返崗工作。此外，提高實驗技術人員待遇和地位，保證實驗技術人員隊伍的相對穩定。五是在全面完成實驗教學任務的同時，建立起對外開放的管理機制。通過政策鼓勵教師利用中心的設施設備開展科研和服務地方工作，擴大實驗中心的影響力。

2.4 實驗平臺信息化條件提升建設

實驗室信息化、網絡化建設是當前先進實驗室重要特色和發展趨勢。在新工科背景下需要充分利用信息化、網絡化資源優勢對大學物理實驗課程的實施體系和傳統教學模式進行改革，進一步提升大學物理實驗教學和實驗室管理信息平臺。我校從以下幾個方面進行物理實驗平臺信息化提升：（1）建設實驗資源共享信息平臺和實驗教學管理平臺。近三年物理實驗教學中心投入近60萬元建設有物理實驗教學資源庫系統、物理實驗預習系統、實驗考試系統和實驗報告智能評閱系統。通過這些系統平臺既可以為教學的有效開展提供各類素材;也可以方便教師出題、準備預習資源、安排實驗預習及學生在線預習，讓學生通過課前預習、模擬操作完成對儀器的直觀認識、實驗原理及儀器原理的理解;還可以完成學生作業管理，實現設置實驗模板、安排學生報告、教師評閱報告等功能，從而提高實驗教學效率。（2）建設大學物理虛擬仿真實驗平臺。物理實驗教學中心已建有包含力學、熱學、電磁學、光學和近代物理實驗的大學物理實驗虛擬仿真網站平臺，能實現大學物理實驗課程輔助教學網站的功能。（3）在物理實驗中運用虛擬儀器。在傳統實驗教學中實驗數據、手繪波形由學生用筆記錄，在實驗數據采集和處理上處于落后模式。為推進實驗課堂信息化，在新大學物理實驗項目中，對部分實驗項目的實驗過程中采用虛擬測試系統，如采用虛擬示波器通過連接電腦或手機對信號進行顯示和處理，即可替代傳統示波器有效降低成本，又可幫助學生生成電子實驗報告。（4）加強儀器信息化管理水平建設。隨著科學技術的發展，二維碼技術具有信息容量大、制作簡易、掃描和識讀方便的特點，可以比較好的應用于實驗室信息化管理中。在實驗室建設過程中對現有儀器實現進行二維碼識別，達到可以通過電子說明書幫助學生在預習和實驗過程中所用，同時基于信息化可以隨時將產品問題實時推送給廠商，縮短故障排除時間，從而減少儀器故障對課堂效率的影響。此外，進一步加大實驗資源信息化建設，通過制作儀器操作視頻教程并共享，實現可讓學生完成實驗預習和實驗教學指導功能。

3 結束語

以培養學生實踐能力和創新能力為核心，在“新工科”背景下對大學物理實驗項目進行創新改革，通過整合實驗室資源構建大學物理實驗室新模塊，以“物理實驗技能與專業及科學研究相融合”的創新型人才培養思路改進實驗教學方法，構建大學物理實驗課的分層次的實驗教學體系，進行強化基礎訓練、培養科學素質與創新能力的分層次培養模式，同時通過建立培養實驗教師隊伍及穩定實驗技術人員隊伍的激勵機制和積極利用信息化技術與資源提升實驗室平臺信息化水平。建成的新工科背景下的大學物理實驗室，能為新工科創新型人才的培養起到積極的促進作用。

基金項目：浙江省高校實驗室工作研究項目（YB202008）;教育部產學合作協同育人項目（202101154030）。

參考文獻：

[1] 吳愛華，楊秋波，郝杰.以“新工科”建設引領高等教育創新變革[J].高等工程教育研究.2019，（01）：1-7+61.

[2] “新工科”建設復旦共識[J].高等工程教育研究.2017，（01）：10-11.

[3] “新工科”建設行動路線（“天大行動”）[J].高等工程教育研究.2017，（02）：24-25.

[4] 李紅陽，王立峰，高永豐，等.高校實驗教學示范中心建設與創新型人才培養[J].實驗技術與管理.2010，27（09）：111-114.

[5] 饒永超，王樹立，嵇煒，等.關于高校實驗室隊伍建設的分析與設想[J].教育教學論壇. 2019，（34）：18-19.

[6] 林健.多學科交叉融合的新生工科專業建設[J].高等工程教育研究.2018，（01）：32-45.

[7] 王青.近代物理和高新技術物理與“新工科建設”—《物理與工科》“新工科建設”欄目開篇語[J].物理與工程，2017，27（6）：3.

作者簡介：

簡榮華：（1982—），男，江西高安人，碩士，物理實驗中心副主任。研究方向：凝聚態光學性質、物理實驗技術及實驗室建設與管理。