“新工科”和“工程教育認證”雙重背景下大學物理實驗教學改革與探索

張建祥 王倩 羅積軍 林鵬 辛督強

西京學院理學院 陜西西安 710123

一、概述

隨著以智能制造為主導的第四次工業革命(工業4.0)的到來，世界主要工業強國都采取了積極的應對措施，提出了自己的戰略部署。為了在新的歷史條件下立于不敗之地，我國也相應地提出了“中國制造2025”戰略計劃，旨在把我國打造成引領世界的制造業強國。在這一背景下，“新工科”的概念應運而生，“新工科”的提出為我國工科發展指明了方向。新工科建設對人才培養體系的要求是希望通過一系列的研究和實踐，打造具備新結構、新質量、新理念、新體系、新模式特色的工科教育體系。另外為了保證工科人才培養的質量，我國也積極開展了工程教育認證工作，截至2020年底，我國已有257所高校的1600個專業通過認證。在“新工科”和“工程教育專業認證”的雙重背景下，各工科高校和工科專業都在積極探索適應自身發展的教育教學改革之路。

大學物理實驗課是高等理工科院校對學生進行科學實驗基本訓練的必修基礎課程，是本科生接受系統實驗方法和實驗技能訓練的開端。它的基礎性不僅體現在實驗思想、實驗方法、實驗手段、實驗技能上，更重要的是體現在培養學生的科學實驗能力、理論聯系實際能力以及嚴謹的治學態度等能力素質方面[1]。這一點正好切合了以能力培養為導向的工程教育認證理念。因此，大學物理實驗作為一門基礎實驗課程在工程教育課程體系中的重要性是不言而喻的。面對工科專業教育的重大變革，要求我們對大學物理實驗在工程教育中的支撐作用進行更好的思考和探索，為新工科建設和工程教育認證做出積極的貢獻。

隨著現代工程教育改革的深入，各高校教師針對工科大學物理實驗分別從教學內容、教學手段、教學方法、考核方式等方面進行了深入的探索和研究，取得了大量的研究成果[2-6]。

但是目前的教學研究成果大部分都是出自高水平公辦學校，而針對民辦工科高校大學物理實驗教學改革研究的成果相對較少。由于不同學校的辦學定位、生源質量、硬件設施、師資等情況不同，因此許多研究成果的適用性都比較有限。因此在“新工科”和“工程教育專業認證”的雙重背景下，結合應用技術型本科人才培養特點以及民辦高校學生的基本學情進行大學物理實驗教學模式的實踐研究具有重要意義。

二、實驗教學中存在的問題

(一)課程目標不明確

課程目標是課程實現的具體目標和意圖，是確定教學內容、教學方法和考核方式的基礎。確定課程目標傳統的方法是以教學內容為中心，即根據實驗室實驗儀器設備和教研室多年磨合而約定俗成的教學內容為基礎，提煉出相應的課程目標。這樣制定的課程目標沒有充分考慮課程在培養方案中的地位以及課程如何支撐學生達到相應的畢業要求，因此未做到以學生為中心，也不能滿足工程教育認證的要求。

(二)物理實驗內容體系不完善

傳統的物理實驗體系單一，側重“驗證、模仿”，趣味性和創新設計類實驗不足，且實驗內容孤立，與后續專業課程和前沿科學技術嚴重脫節。需要構建分層次、進階式的實驗教學體系和開發高階性、創新性、通專融合的系列實驗項目。

(三)課程思政育人作用發揮不充分

傳統的物理實驗教學“重知識輕素養，重講授輕引領，重物理輕融合”，對物理實驗中蘊含的思政元素挖掘不充分，運用不合理，從而對學生價值觀和科學精神的塑造效果不明顯。需要進一步提升課程思政育人的廣度和深度。

(四)教學考核模式單一、學生學習主動性不高

傳統的物理實驗教學以課堂講授、訓練為主，未能實現學生個性化學習的需求；課程考核更偏重結果，未能全面反映學生的綜合實驗能力。需要利用互聯網和信息技術，探索線上線下、課內課外、混合式、開放性、個性化教學模式，并構建與之對應的過程性、綜合性、可操作的評價模式。

三、教學改革的探索與實踐

(一)構建了分層次、進階式、與專業交叉融合的物理實驗教學新體系

以各工科專業新技術需求為導向，以工程問題為驅動，以實驗項目為鏈條，體系化設計了“通專融合”“進階式”的物理實驗內容，分為4個層次共40個實驗項目，形成了從低到高、從基礎到前沿、從傳授知識到培養綜合能力，逐級提高的物理實驗課程新體系，實現了對各類學生的分層次教學。

(二)充分發揮物理學科特色，全面深入實施“課程思政”

深度挖掘物理實驗中蘊含的豐富的科學思想、科學方法、辯證唯物主義世界觀以及科學家的科學精神與人文情懷，完成了所有實驗內容的“課程思政”教學設計，制作了56個課程思政教學案例，并通過教師的言傳身教，在教學全過程中培養了學生嚴謹求實的科學精神，激發了學生刻苦學習的熱情以及報國為民的奉獻精神。

(三)構建了混合式教學新模式

依托在學堂云平臺已建成的大學物理實驗網絡課程資源，實施了翻轉課堂教學，形成了線上學理論線下動手做、課堂講授研討課外自主探究的混合式教學新模式。在課堂教學基礎上，積極開展第二課堂，通過“大創”項目和大學生物理實驗競賽進一步培養學生的創新實踐能力。在參加的2020年和2021年全國大學生物理實驗競賽中，西京學院取得了3個二等獎和3個三等獎的優異成績，而且每年都有150名左右學生參與到實驗競賽活動中，鍛煉了學生的創新能力，激發學生的學習積極性。另外，每年都會有3～5項與物理實驗相關的校級及以上大創項目獲批資助，同樣也鍛煉了學生的創新能力。

(四)改革課程評價體系

課程考核作為教學過程中的一個重要環節，既能反映學生的學習情況，檢驗教學效果，同時又對學生的學習有重要的導向作用。為了引導學生重視過程的學習和綜合能力的提升，構建了以強調學生個體縱向發展的，以預習測試、課堂表現、實驗報告為指標體系的全過程、全方位、多元化的評價。如圖1所示。

圖1 實驗項目成績評分指標點及所占分值

四、課程目標達成情況評價

(一)基于定量評價法的課程目標達成情況評價

針對西京學院2020級機械設計制造及其自動化專業的159名學生的實際學習成績，進行了達成度計算，結果如表1所示。個體達成情況如圖2所示。

表1 “大學物理實驗A2”課程目標達成情況

圖2 個體達成情況分析

課程目標1和課程目標2均達到了預設的0.7的課程目標達成度標準。另外，相比較而言課程目標1的達成度好于課程目標2，說明學堂云平臺在線學習以及實驗操作和數據測量部分學生完成較好，而實驗報告的書寫特別是實驗數據處理及結果分析還有待進一步加強。

(二)基于定性評價法的課程目標達成情況評價

定性評價主要是通過調查問卷的形式了解學生對自身課程目標達成情況的滿意度，從而對課程目標的達成情況進行評價。問卷主要涉及本課程目標達成情況評價，每一項課程目標設五個檔次，對應課程目標達成情況從高到低分別為非常滿意、滿意、基本滿意、不滿意、非常不滿意，賦分值分別為1分、0.75分、0.5分、0.25分和0分。依據每項課程目標的問卷統計結果和賦分值，加權計算出該項課程目標的達成值。問卷調查達成度期望值設置為0.8。通過對西京學院2020級機械設計制造及其自動化專業的159名學生進行問卷調查，結果如表2所示。

從表中可以看出兩個課程目標達成情況均高于達成度調查問卷期望值0.8，也高于定量評價結果。當然，定性評價法結果存在一定主觀因素，很難完全說明問題，但也表明了學生自身對“大學物理實驗”課程教學目標認可。

結語

依托“學堂云”在線平臺構建的混合式教學模式激發了學生的學習熱情和自覺性，有利于提高學生對課程基本知識、基本原理的理解。采用全過程、多方位、多元化的評價模式調動了學生對實驗過程的重視程度，提高了學生物理實驗基本方法和基本技能的掌握程度。因此課程目標1達成度較高。同時也凸顯了學生數據分析能力和實驗結論分析能力存在的不足，需要在今后的教學過程中進一步改進。