“新工科”背景下大學物理實驗教學模式改革探究
——以武漢工程大學為例

祝丹，劉璐

（1.武漢工程大學數理學院，湖北武漢 430205；2.湖北省物理實驗教學示范中心，湖北武漢 430205）

武漢工程大學物理實驗課程團隊主持的教研項目《“互聯網+”與物理實驗現場實踐的綜合教學模式研究》于2017年獲批校級教研項目[3]。在總結這一教學改革研究成果的基礎上，2019年參考“培養實踐能力強、創新力強、具備國際競爭力的高素質復合型人才”的“新工科”人才培養目標，以及“雙萬計劃”一流課程建設目標，發現現有的教學模式仍然存在提質創新的空間，因此探索“線上線下混合式”教學模式改革之路可作為我校今后一段時間的工作重點。

1 大學物理實驗教學現狀

2022年8月，通過“混合式”+“教學改革”關鍵字，在中國知網上共檢索到相關研究論文3 397 篇，其中同時包含關鍵詞 “線上線下”的文章共578 篇，“混合式”+ “教學改革”+“線上線下”文獻發表年度分布見圖1。通過查閱文獻，在高巖等撰寫的《基于混合式課程的教學評價設計與思考》一文中，我們發現：目前國內高校廣泛開展混合式課程建設理論研究和實踐探索，其中大量研究針對的是某一具體課程混合式教學模式的設計、資源優化等[4]。各校選用教學模式時都是基于自身的教學資源等確定的。每種混合式教學模式都存在弊端，各校也需要針對自己的現狀來分析，找到解決方法。混合式教學方式側重點比較見表1。

圖1 “混合式”+ “教學改革”+“線上線下”文獻發表年度分布

表1 混合教學方式側重點比較

我校在前期開展“互聯網+”背景下的教學改革，取得了一定的成績，但是仍然存在以下問題，需要我們思考解決的辦法：

1.1 線上學習資源較少，容易流于形式

物理學是一門探究物質基本結構和運動規律的自然科學,是學生進入大學后接觸的一門實踐性和操作性非常強的基礎性學科,而物理演示與探索實驗的多寡以及實驗設備的先進性,在一定程度上影響著學生對物理學的興趣[5]。大學物理實驗是面向全校理、工科（非物理類）一、二年級本科生開設的必修基礎課程。在理工科院校的教學過程中，大學物理屬于基礎課程，對理工科專業的專業課程及后繼實踐銜接起著承上啟下的作用[6]。學生在高中階段接受物理實驗方面的專項訓練較少，為了培養他們的動手能力及科學實驗的方法，我們自制了多個實驗操作演示視頻，供他們進行線上課前的預習。而這種做法相當于將教師的講課地點從實驗室換到了網絡平臺，講課時間提前到了進實驗室上課之前，學生還是處于被動接受學習的狀態。部分學生為了應對在線學習課時統計，會選擇掛機讓視頻自動播放，并沒有認真觀看視頻的內容。線上學習資源類型不豐富，學習方式單一且缺少過程監管，對學生自主學習積極性的激發不夠。

1.2 線下學習目標不明確，實驗反思不足

學生進入實驗室開展大學物理實驗之前，必須先完成線上學習任務及書寫實驗預習報告。部分學生由于學業負擔重、不重視基礎課等原因，在課前線上學習沒有落實到位的情況下，并未認真書寫預習報告。到實驗室做實驗也是簡單地重復教師講授的實驗操作步驟，匆匆完成實驗操作和數據測量，對實驗原理并沒有進行認真領會，對實驗過程反思不足，不利于學生實踐創新意識和工程思維能力的培養。

1.3 成績評定方式需改進，引領自主學習

目前的成績評定方式綜合考慮了“線上階段”“線下階段”及“實驗創新”這三個部分學生的完成情況。“線上階段”要求學生達到一定的在線學習時長、完成每個實驗項目預設的3-5 道選擇題，學生完成度較高；“線下階段”主要考查學生實驗操作及實驗報告的完成情況，學生只要把握住實驗報告的完成質量，這一部分得分也不會低；“實驗創新”屬于額外加分項，為了獲得這部分加分，學生需要投入大量的時間和精力，所以能得到這部分加分的學生較少，每學期不超過總人數的0.2%。由此可見，現有的成績評定方式對“培養未來多元化、創新型卓越工程人才”的輔助作用有限，沒有充分發揮引領學生自主學習、實踐創新的作用。

1.4 隊伍建設有待加強，創新能力不足

教師是教學過程的組織者、謀劃者、引導者、參與者和合作者。目前在實驗技術隊伍建設上存在一些問題，影響了實驗技術隊伍的穩定性，降低了他們的工作積極性，主要表現在：（1）實驗技術崗位設置與崗位補充機制不完善，存在缺崗或者缺編情況；（2）崗位培訓體系與教師再發展要求不匹配，業務水平提升有限，工作創新能力不足，缺少對實驗教學工作的總結和反思；（3）對實驗技術人員工程技能培訓不足，與“新工科”背景下的課程建設目標不匹配等。

通過查閱文獻我們發現，我校目前的改革現狀及存在的問題，也存在于其他學校中。因此，如何切實有效的將改革進行下去，實現既定的人才培養目標，需要我們大家一起認真思考。

2 大學物理實驗教學改革思路與目標

按照武漢工程大學“十四五”事業發展規劃中對課程建設的工作目標要求，我們明確了大學物理實驗課程的教學改革思路和目標為：以培養學生實踐能力、創新能力為宗旨，積極推行小班化教學，倡導以提升教學效果為目的的創新課堂教學方法，強化課堂設計，強化現代信息技術與教學過程的深度融合，采用多元化的教學模式和多樣化的教學方法，對現有實驗內容進行教學改革,充分調動學生學習的積極性,激發學生的活力,提高學生的綜合素質,以便為各類崗位培養復合型、應用型科技人才[7]。強化師生互動、生生互動，解決好培養學生創新性、批判性思維的問題，讓課堂活起來，探索 “激發學生自主學習的積極性、培育學生的科技創新能力和提高工程實踐技能、培養新時代復合創新型人才”的途徑，構建“線上線下混合式”教學模式。

3 大學物理實驗教學改革設計與實施

3.1 以人才培養目標為核心

教學設計的目的是為了更好地實現預期的目標，因此我們制定了大學物理實驗課程人才培養目標：

（1）培養學生掌握物理實驗基本知識和實驗技能，為今后的學習和工作奠定良好的實驗基礎；

（2）培養與提高學生動手操作、分析判斷、歸納總結、撰寫實驗報告、設計和創新實驗方法等科學實驗能力；

（3）引導學生重視理論聯系實際，培養他們實事求是的科學作風、認真嚴謹的科學態度以及積極的探索精神。

3.2 以引導學生自主學習為導向

在教學過程中，學生為學習的主體，學習最終由學生自己完成，為了引導和激發學生自主學習，提升學生的參與度和學習積極性，我們確立了“線上線下混合式”的教學模式：

（1）“線上”階段：遴選優質資源，進行思政教育。

我們設置線上學習階段的目標是激發和培養學生自主學習的能力。學生是這一階段的主體，為在不便監管的情況下讓學生主動、高效地達成學習目標，我們做了以下幾方面的工作：①多角度出發遴選優質教學資源。例如建立相關實驗的科技背景視頻、預習說明視頻、實驗儀器介紹視頻、社會日常應用視頻等內容豐富、形式多樣的視頻資料，讓學生通過線上學習，既了解了實驗原理“為什么”，還學習了利用這一原理我們可以“做什么”，將講授實驗原理和操作過程的教學內容進行延伸，并適時、精準引入課程思政元素，從思想上解決學生不明白為什么而學的問題，激發學生自主參與“線上”學習的興趣，增強學生的自主學習意識。②將線上學習資源與教材各章節內容對應，學生只需掃描課本中的 “二維碼”即可在線觀看對應章節的學習視頻，讓學生在沒有教師指導的情況下，自主輕松完成線上學習。③建立虛擬實驗空間，讓學生可以不受時間、空間的限制，動手模擬實驗操作全過程，熟悉實驗儀器和操作注意事項，為“線下”階段的學習做好準備。

（2）“線下”階段：實行分層教學，提質創新。

經查閱文獻，我們學習借鑒其他院校開展的以虛擬實驗與真實實驗相結合、驗證性實驗與綜合性實驗為基礎、設計性實驗與探索性實驗為導向的多元化、層次化實驗教學改革[8]，根據學生的個體差異以及學習能力、學習目標的不同，我們將物理實驗課程分成三個層次開設：①基本層次：面向本、專科生開設通識類大學物理實驗必修課。開設40 個左右的實驗項目，供學生預約選做；②提高層次：面向全校本科生開設近代物理實驗和高新技術物理實驗基礎選修課。建立低溫、微電子學、等離子體、激光技術、傳感技術、光電子及光信息、仿真實驗等開放式研究平臺，供學生選做，以提高學生的研究創新能力；③專題層次：面向優秀本科生、研究生和青年教師設置現代物理實驗前沿專題選修課。建立微電子學、等離子體、光電子及光信息、可再生能源利用及熱、聲技術等供研究生和教師開展研究的平臺，服務于科研和學科建設。實施分層教學能更好地實現“因材施教”，并將實驗課程與科學研究有機結合，對于提升學生綜合實踐能力具有積極的推動作用。

（3）“線上線下混合”：各守一段渠，互為補充。

“線上線下混合”要求“線上”和“線下”兩個學習通道都有各自明確的教學目標，且互為補充，而不是獨立存在的兩個部分。舉例來說：學生在學習過程中遇到問題時，一般會立刻向教師求援而不是去主動思考解決，此時教師充當了救火隊員的角色，及時幫學生解決了疑難，但錯過了提高學生創新思維能力的時機。作為“線上線下混合式”實驗教學的關鍵環節，教師需充分發揮線下課堂的優勢與價值，在課堂上發揮主導作用，多使用具有探究性的實驗項目，引導和促進學生開展小組合作探究[9]。我們可以通過給學生提供一個自主學習的“線上”學習通道，為他們創造自主學習的時間和空間，讓他們發現問題，引導他們思考問題，并且提供優質的教學資源，幫助他們通過學習嘗試著解決問題，例如開展在線討論等，通過多種形式引導學生由被動學習變為主動鉆研，改變目前線下課堂教學時間有限、為學生預留的獨立思考時間不足、學生依賴教師來解決問題的局面。研究表明，線上線下相結合的混合式教學方法要優于獨立的線上或者線下教學方法，網絡視頻、線上答疑、線上作業等教學方法是不可或缺的教學手段[10]。

3.3 以教學策略設計為重點

教學策略是指為實現預期教學目標而采用的途徑和方法，也就是在明確“要到哪里去”后，解決“怎么去”的問題。下面主要介紹教學組織策略、教學內容傳遞策略這兩個方面。

（1）深入高中或教科院，調研現階段高中物理課程體系及實驗教學現狀，制定相應預備實驗內容和項目。根據高考及高校招生方式改革實驗情況，及時調整方案，解決高校與高中銜接較少的問題。

（2）“新工科”建設是基于國家發展戰略部署、產業轉型升級的需要，對高等工程教育提出的新要求[11]。內容豐富且面向現代技術需求的大學物理實驗教學，可以增強對學生的吸引力，從而可以在“新工科”背景下進行人才的系統培養。建立適應“新工科”要求的大學物理實驗教學新體系，可以加強學生的科學思想，培養其科學精神，能將實驗與現代技術技能需求有機結合，使之更好地承擔“現代技術源泉和先導”之責任[12]，因此我們要認真遴選課程思政元素，引導實驗教學與科研相互助力，拓展實驗教學內容的廣度和深度；調研“新工科”“工程認證”和“一流專業”標準，實現課內的知識點與工程應用的完美結合，引領構建具有“新工科”特色的知識體系。

（3）建設雙語實驗教學環境：配合學校制定的“兩型兩化”（創新型、復合型、工程化、國際化）人才培養模式改革要求，依托我校國家級E+（英語+專業）復合人才培養平臺與體系，提高雙語教學“軟實力”建設，選聘專業的雙語教師承擔大學物理實驗雙語教學工作，實現教學全過程雙語化，提升學生的綜合素養。

（4）針對開展“雙創”工作的要求，充分利用湖北省物理實驗示范中心的人力、物力資源，我們從每學期來上課的學生中選拔動手能力較強、綜合素質較高的學生組建創新實驗團隊，根據學生各自的專長，按照“創新實驗類”“講課比賽”“儀器裝置改進類”“命題類”等不同的方向，配置相應指導教師，帶領各小組開展創新實驗，做好各級競賽后備隊伍建設。

（5）強化教師與實驗員協同，完善實驗準備和實驗裝置維護責任制度，保證實驗儀器完好率；重視實驗室安全建設，保障實驗過程安全運行；理清基層教學單位間教學與科研間的“通道”建設，促進院系間的聯合，建設特色的共享實驗室。

4 大學物理實驗“線上線下混合式”教學模式構建

結合實驗教學全流程，我們確立了每個階段“線上線下混合式”教學模式的教學任務和目標：

4.1 線上課前預習階段

（1）利用學院平臺，以線上教學為主，開展實驗預備知識自主學習和培訓。通過線上學習階段，學生提前熟悉授課內容，對自己難于理解的知識點有個初步的認知，明確自己的聽課重點；學生明確本次實驗課的主要內容及大致的操作要求，撰寫預習報告，完成在線預習測試題，為進入實驗室開展實驗工作做好準備。

（2）重視實驗室安全教育。由于課堂教學時間有限，我們可以利用線上平臺，部署實驗室安全教育在線學習及檢測，敦促學生學習實驗室安全管理規章制度、實驗室安全操作注意事項等相關知識，提高學生的實驗安全意識和處理各類安全事件的能力；結合各級實驗室安全管理要求，我們在優學院平臺上發布了大學物理實驗安全測試題（30 道選擇題），并且將各級實驗室安全管理文件也一并發布，讓學生在線研讀。要求學生線上簽署《實驗室安全協議書》，切實將實驗室安全教育落實到位，保證實驗教學的順利開展。

4.2 線下操作階段

（1）以線下教學為主，線上教學為輔，共約180 分鐘，其中教師將講授實驗課程控制在25 分鐘，教師講授完畢后學生展開實驗操作。通過線上預習階段，學生完成在線預習測試的結果反饋，教師可以針對性地調整授課內容，重點講解學生的存疑點；學生也可以將自己在線上學習過程中遇到的難點向教師提出，教師有針對性地進行個性化輔導，“線上線下”學習過程充分融合，提高課堂效率，提升學生自主學習能力。

（2）實驗操作階段以學生獨立實驗為主、教師現場指導為輔，這一階段的前30 分鐘，重在讓學生自主操作、理解與內化。在整個線下操作過程中，教師可以通過優學院手機APP 實現學生到課簽到、課中發布在線測試等功能，檢測、診斷學生的預習成效；學生可以登錄優學院平臺，隨時對線上預習部分進行授課內容的回顧，以及參與話題討論等，實現在 “線下”教學過程中通過“線上”進行交流探討，“線上線下”緊密結合，相互補充。

（3）教師在線下實驗授課過程中，分解實驗教學與操作，提升學生自主學習的靈活度。通過“線上線下”混合模式授課，實現本門課程的知識目標、能力目標、素質目標。

4.3 實驗報告完成階段

以學生獨立完成報告為主，利用師生交流平臺，開展互動式教學，及時解答學生的疑難問題。

4.4 自主創新階段

以一對一交流為主，學生結合本學期自己所做過的某個實驗項目，提出自己對實驗方法探索、儀器裝置改進、數據處理優化等方面的思考和探索，結合“雙創”平臺，在畢業設計、科技實踐及各種競賽環節中，將學生的創新研究成果進行轉化利用，并將學生在實驗過程中表現出來的探索創新、操作本領、職業倫理、協作溝通、總結歸納等方面的能力和素養都作為課程評價的依據[13]，將學生的研究報告、論文、專利或競賽成果等作為創新成效的考核依據。

4.5 課程成績綜合評定階段

結合“線上線下混合式”教學模式，我們采取分階段、綜合評定課程總評成績的方式。這樣做的目的是促使學生重視課前“線上”學習階段的自主學習。希望通過精準課程思政元素的引入，培養他們獨立完成實驗的能力、激發他們創新探索的科學精神：

第一階段：平時成績占70%，現場完成實驗成績占 20%，實驗創新報告占 10%。

第二階段：根據學生開題報告以及實驗完成的目標，由院級創新實驗成績認定小組鑒定創新實驗成績，滿足創新實驗要求的給予2 學分。

（1）平時成績包括課前預習、現場操作、實驗報告與課程思政總結。課前預習的評分依據預習報告質量和線上視頻預習完成度來評定；操作分評定主要根據實驗完成速度、數據獲取的正確性來綜合評定；實驗報告以傳統式進行考核（含課程思政總結）。

（2）增加實驗的現場完成實驗作為考試，對學生的態度、方法、技能進行考核，占總成績的20%。

（3）創新實驗就是讓學生按要求完成實驗創新項目，約占總成績的10%。

綜上，武漢工程大學“線上線下混合式”教學模式如圖2所示：

圖2 “線上線下混合式”教學模式

5 結語

“新工科”建設背景下大學物理實驗教學應豐富大學物理實驗內容，加強學生科學思維培養；完善大學物理實驗環節，增強學生解決問題的主動性；優化大學物理實驗導向，提升學生探究問題的求知欲；推進大學物理實驗互動，實現教學與“新工科”技術支撐交融[14]。從2019年實施“線上線下混合式”教學模式改革以來，對比可以發現學生實驗報告完成質量大幅度提高。近兩年春季學期學生平均分提高1.3 分，秋季學期學生平均分提高 2.9 分，學生評教成績提高 7.3分。同時近5年來，我們重視學生實驗創新團隊的建設，在指導教師的帶領下學生成功申請創新創業項目16 項、校長基金 28 項、競賽獲國家級獎 8 項、省級獎14 項、專利 27 項，多名指導教師獲校“優秀指導導師”獎等多種榮譽。在今后的教學改革實踐過程中，我們要繼續深挖課程思政元素、探究實驗課程知識點與解決工程實際問題相結合的方法、創新大學物理實驗課程考核方式，實現實驗過程全覆蓋，促進學生綜合能力的提升，培養新時代復合創新型人才。