大學物理實驗課程思政教學設計與實踐探索

畢會英 楊 波 饒 蕾 張 欣

(北京科技大學天津學院 天津 301830)

1 課程概況與課程思政目標

大學物理實驗是理工類專業(yè)的公共必修基礎課,是學生進入大學以后的第一門實驗課,是進行系統(tǒng)科學實驗訓練的開端,是后續(xù)實驗課的基礎,是連接理論與實踐的橋梁.課程培養(yǎng)目標有3個層次:知識傳播、能力提高和價值塑造.但在教學過程中發(fā)現(xiàn)學生有“三個缺乏”問題,第一、缺乏明確的學習目標和動力,不知道為什么而學習,對未來發(fā)展沒有規(guī)劃,價值感缺失.第二、學生缺乏對所學知識的正確認知,覺得物理實驗課程與所學專業(yè)沒有關系,對所學專業(yè)沒有認同感;第三、缺乏克服困難的信心和解決問題的能力,遇到困難不知所措,不知道如何解決問題.

為幫助學生更好地成長,課程教學團隊嘗試在大學物理實驗教學過程中,深度融入課程思政內容,提出了“一引二提”的育人目標,即在傳授物理實驗相關知識、方法、技能的同時,對學生進行價值“引”領,重塑正確的價值觀;“提”升學生對事物正確認知的水平,“提”高學生應對困難的信心和解決問題的能力;并在教學過程中深度挖掘課程思政元素,并且以育人目標為導向,采用反向設計的原則,通過調整教學內容、改革教學方法、整合教學過程、創(chuàng)新教學模式,完善評價指標等方面的實踐,對課程思政的教學方案進行設計,構建了“全內容、全過程、全環(huán)節(jié)”的“三全育人”模式,取得了一定的效果.本文從課程思政元素與課程思政目標、課程思政教學設計與實踐探索、課程思政教學成果與創(chuàng)新、課程思政教學新模式、課程思政教學存在的問題及解決方案等方面,介紹在大學物理實驗課程中進行課程思政建設的實踐探索.

2 課程思政教學設計與實踐

為達到課程思政的教學目標,對教學過程中的思政元素進行深度挖掘,并在教學理念、教學內容、教學過程、教學模式、教學評價等方面進行了一系列的實踐探索.

2.1 課程思政元素與思政教學點

圍繞課程思政目標,在教學過程中,深度挖掘課程思政元素,可將大學物理實驗課程要求、實驗背景知識、物理學史、科學家故事、實驗方法、實驗相關知識和應用、實驗展板等思政元素有效融入課程思政教學過程中[1].

2.1.1 實驗課程要求

大學物理實驗是實驗課,突出強調實驗是驗證理論正確與否的標準,進而引出“實踐是檢驗真理的唯一標準”,鼓勵學生在追求真知的道路上要堅信實踐出真知.學生在實驗記錄測量數(shù)據(jù)時,由于操作不規(guī)范、實驗誤差、偶然性等因素,經(jīng)常會導致實驗數(shù)據(jù)偏離預期實驗結果的情況發(fā)生,課程要求在遇到類似情況時,應實事求是記錄數(shù)據(jù),找出原因并提出解決方案,不能抄襲數(shù)據(jù),培養(yǎng)學生“實事求是”的科學態(tài)度,并及時進行誠信教育[2].

2.1.2 實驗背景知識

實驗背景知識有助于學生了解實驗規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程,實驗環(huán)境條件、實驗方法、實驗遇到的困境,以及偶然出現(xiàn)的新問題、新現(xiàn)象[3].教學時可利用實驗背景知識引導學生認識到:許多物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)表面上看是偶然現(xiàn)象,實際是科學家堅持不懈追求真理的必然結果;啟發(fā)學生正確認識偶然性與必然性的辯證關系,培養(yǎng)學生追求真理,不斷探索的創(chuàng)新思維能力.比如,在學習光電效應實驗時,從赫茲偶然發(fā)現(xiàn)光電效應現(xiàn)象,到愛因斯坦用光電效應方程進行理論解釋,再到密立根用實驗方法驗證光電效應方程,就是科學家不斷探物究理尋求真知的過程.

2.1.3 物理學發(fā)展史

物理學史是物理學家孜孜不倦追求真理的發(fā)展史,每一個物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)背后都有科學家為追求真理,無數(shù)次失敗而不懈努力的故事,引導學生學習科學家為堅持真理持之以恒積極探索的科學精神,啟發(fā)學生對科學精神的深度思考.比如:在講解光電效應實驗時進行知識拓展,講解愛因斯坦因為光電效應理論獲得諾貝爾物理學獎,但在量子力學發(fā)展方面的觀點卻具有局限性.通過介紹波爾與愛因斯坦關于量子力學的“波愛之爭”,介紹愛因斯坦關于量子力學的觀點.進一步引入2022年三位諾貝爾物理學獎獲得者法國科學家阿蘭·阿斯佩、美國科學家約翰·克勞澤和奧地利科學家安東·蔡林格的量子糾纏實驗,證明愛因斯坦關于“量子力學是不完備的”“兩個相互糾纏的粒子之間的作用是超距作用”等觀點的錯誤.從而啟發(fā)學生思考,如何正確看待科學家與科學家精神?在此基礎上,介紹我國科學家潘建偉院士帶領的團隊在量子糾纏實驗及量子信息通信技術方面做出的巨大貢獻,激發(fā)學生的民族自豪感和科技報國的使命擔當,如圖1所示.

圖1 科學家關于量子糾纏的觀點、貢獻及對應思政教學點

2.1.4 科學家故事

在教學過程中,恰當引入與教學內容相關的中外物理學家故事,通過物理學家在物理學發(fā)展過程中的趣聞軼事,引發(fā)學生的思考和探索;尤其是通過中國物理學家在物理學發(fā)展中做出的巨大成就,激發(fā)學生的民族自豪感和愛國情懷,激勵學生應對困難的決心和勇氣.比如在講解霍耳效應時,引入我國科學院院士薛其坤教授帶領團隊首次在實驗中觀測到“量子反常霍爾效應”的事例,鼓勵學生學習科學家刻苦學習、努力探索,潛心研究的精神,不斷提高自己的能力,努力為社會做出應有的貢獻.

2.1.5 科學的實驗思想和方法

課堂教學時,引導學生通過科學實驗思想和方法尋找建立解決一般問題的方法論,以培養(yǎng)學生優(yōu)秀的科學思維品質.例如:在學習電橋測電阻實驗時,采用“逐步逼近法”尋求電橋的平衡以測量待測電阻;啟發(fā)學生思考在學習和生活中遇到問題不可急于求成,可以用逐步逼近的思想,一點一點努力尋求接近問題的答案和預期結果.

2.1.6 物理實驗相關知識拓展應用

通過物理實驗相關知識在科技及日常生活中的實際應用及對后續(xù)課程的影響,提升學生對物理實驗與學生專業(yè)之間關系的正確認知,提升對自身價值的認識和肯定,提高學生的自信心,消除對前途的迷茫和無助感.比如在學習靜態(tài)拉伸法測材料的彈性模量實驗時,引入塔科馬大橋的坍塌事件,啟發(fā)學生思考大橋坍塌的原因及彈性模量對橋梁安全的影響,警醒土木、道橋、造價、機械等專業(yè)學生在工程設計時應保持高度責任心、質量意識和安全意識.

2.1.7 實驗室展板

把物理學家的生平故事,名人名言做成展板,利用走廊墻,豐富實驗室的文化氛圍,打造育人環(huán)境,陶冶情操,潛移默化激勵學生.

2.2 課程思政實踐探索

為實現(xiàn)課程思政目標,在教學實踐過程中,進行了一系列的課程思政設計和實踐探索活動.主要包括:轉變教學理念、調整教學內容、改革教學方法、整合教學過程、創(chuàng)新教學模式、優(yōu)化教學評價等方面.

2.2.1 轉變教學理念

古人云:授之以魚不如授之以漁.圍繞課程思政目標,將傳統(tǒng)的“以教為主”的教學理念轉變?yōu)椤耙詫W為主”,主要包括3個方面:

第一、將傳統(tǒng)的傳授知識轉變?yōu)榻虒W生如何學習,建立解決問題方法論.第二、將重點講授理論知識轉變?yōu)槔碚撆c實際應用相結合,突出實踐論的觀點.第三、將以“成績導向”的考核轉變?yōu)椤坝四繕恕睘閷虻目己?注重育人論,如圖2所示.

圖2 教學理念的轉變

2.2.2 調整教學內容

教學過程中,適當調整教學內容,將思政元素巧妙融合到教學內容中,如圖3所示.

圖3 教學內容的調整

(1)內容進行“一減二加”的調整.減掉實驗原理部分的公式推導和可以自學的內容;增加實驗背景知識和物理學發(fā)展史,對學生進行辯證唯物史觀和科學精神的培養(yǎng);增加講解實驗內容的實際應用,加強理論與實踐的連接,培養(yǎng)學生的實踐觀.

(2)學生實驗采用一記一法,一分一合的方法.“記”錄數(shù)據(jù)要實事求是;通過實驗方“法”建立方法論;“分”組實驗要協(xié)調配“合”,培養(yǎng)團隊協(xié)作精神[4].

2.2.3 改革教學方法

采用“目標導向+問題引導”的教學方法,教學內容的設計以育人目標為導向;講授以問題為引導,通過提出問題(進行探索)、分析問題(正確認知)、解決問題(提升能力)的步驟達到提高解決問題能力的教學目標.

2.2.4 整合教學過程

教學過程整合為課前預習、課堂教學、課后總結的線上線下相結合的模式.

(1)課前預習

要求學生利用教學管理網(wǎng)站和仿真實驗平臺等線上思政素材庫對實驗背景相關知識、科學家的故事和相關物理學發(fā)展史進行預習,并撰寫預習報告和預習體會.

(2)課堂教學

課堂教學時,針對學生的預習情況講解實驗內容和問題.1)通過實驗背景和科學實例的學習,培養(yǎng)學生追求真理的科學精神.2)通過實驗方法建立方法論,培養(yǎng)學生科學的思維方法.3)通過知識拓展應用,加強學生對物理實驗與所學專業(yè)之間關系的正確認知,強化學習的目標感,提升自身的價值感.4)分組實驗時,培養(yǎng)學生的協(xié)作意識和團隊精神.

(3)課后總結

課后以小組模式完成“數(shù)據(jù)處理-得出結論-分析誤差-問題討論-內化提高”的實驗總結,撰寫實驗報告和學習體悟.這個過程是學生主動提升認知、提高能力、塑造正確價值觀的內化過程.

2.2.5 創(chuàng)新教學模式

傳統(tǒng)的教學模式是以課堂教學為主,輔以預習和課后實驗報告;融入課程思政后,采用“課堂教學+教學網(wǎng)站+仿真實驗+演示實驗+總結討論”的教學模式.預習時將教學網(wǎng)站上的 “科學家故事”和仿真實驗平臺上的“實驗背景”作為思政素材庫,供學生進行思政內容的預習;上課時,采用課堂教學+演示實驗+思政教學的模式,將思政元素融入教學過程中,從而進行價值引領,提升認知,和提高能力的培養(yǎng).課后采用討論-總結-內化-提高的模式,教學模式創(chuàng)新導圖如圖4所示.

圖4 教學模式創(chuàng)新導圖

2.2.6 優(yōu)化教學評價

傳統(tǒng)的課程評價,采用“平時成績+實驗報告+操作考試”的方式對學生進行考核.加入課程思政元素后的教學評價,將不易量化的思政元素指標轉化為可以量化的提問次數(shù)、互動次數(shù)、線上訪問次數(shù)、線上學習時長、參與討論次數(shù)、預習體會和學習體悟等指標,納入評價考核體系,形成“思政評價+過程評價+期末考試”的具有思政育人目標導向的評價體系,以達到“全過程”的育人目標,評價方式創(chuàng)新導圖如圖5所示.

圖5 評價方式的創(chuàng)新導圖

2.3 課程思政實施過程

以光電效應為例,根據(jù)課程思政目標,實施了全過程、全環(huán)節(jié)、全內容的課程思政實踐教學活動,如圖6所示,具體的實施方案如下.

教學過程分為:課前預習、課堂教學、課后總結3個部分.

課前預習階段,除了針對相關知識的預習外,還應增加實驗背景和科學史的預習內容,使學生對追求真理的科學精神和批判性思維品質有個初步的認識和體會.

課堂教學包括課堂講授、分組實驗、拓展應用3部分.課堂講授采用提問法介紹實驗內容;實驗過程重點講解實驗方法;小組實驗采用一分一合;拓展應用,理論聯(lián)系實際.

課后采用“數(shù)據(jù)處理-得出結論-分析誤差-問題討論-升華內化”模式進行總結,使學生有一個主動提升認知、提高能力、塑造正確價值觀的內化過程.

3 課程思政教學效果與創(chuàng)新

3.1 課程思政教學效果

經(jīng)過一系列的課程思政實踐活動,取得了一定的教學效果.在認知方面,學生對實驗課、實驗課與所學專業(yè)的關系,以及自身價值的認同感提升;在能力方面,認知能力、創(chuàng)新思維能力和解決問題能力都有不同程度的提高;在價值觀塑造方面,培養(yǎng)了學生的科學觀和科學精神,建立科學方法論和辯證唯物主義觀點,科學素養(yǎng)也得到一定程度的提高,如圖7所示.

圖7 課程思政教學效果

3.2 課程思政教學創(chuàng)新

教學創(chuàng)新主要體現(xiàn)在教學理念、教學內容、教學過程、教學評價、教學環(huán)境等方面,如圖8所示.

圖8 課程思政教學創(chuàng)新

3.2.1 教學理念創(chuàng)新

教學理念通過3個轉變進行創(chuàng)新.從“學什么”轉變?yōu)椤霸趺磳W”;從“學理論”轉變?yōu)椤爸貞谩?將“看成績”轉變?yōu)椤爸赜恕?

3.2.2 教學內容創(chuàng)新

教學內容創(chuàng)新體現(xiàn)在“一減二加”.刪減實驗原理的公式推導部分,增加實驗背景知識、物理學家故事和物理學發(fā)展史,培養(yǎng)學生敢于質疑的創(chuàng)新思維;增加實驗知識相關的實際拓展應用,加強理論與實踐的結合,培養(yǎng)學生實踐論的觀點.

3.2.3 教學過程創(chuàng)新

教學過程采用“線上線下”相結合的創(chuàng)新模式,增加了課前線上自主預習實驗背景等內容以及線下課堂分享預習體會和課后小組總結討論的環(huán)節(jié),完成提升認知、提高能力、塑造正確價值觀的內化過程,達到“一引二提”育人目標.

3.2.4 教學評價創(chuàng)新

教學評價將“成績導向”轉變?yōu)椤坝四繕恕睘閷?構建“思政評價+過程評價+期末考試”的評價體系,對課程教學效果進行有效評價,達到預期的課程思政教學目標.

4 存在問題及解決方案

課程思政是一個潤物細無聲的過程,不能生搬硬套.盡管我們在課程思政的教學過程中,進行了一系列的課程思政實踐活動,但仍存在一些問題.主要表現(xiàn)在3個方面:(1)專業(yè)知識深度不夠,有待進一步學習.(2)相關知識寬度不夠,需加強教育學、心理學、思政課等知識的學習.(3)專業(yè)知識與其他學科知識不能很好融合.

針對以上問題,提出了相應的解決方案:(1)加強專業(yè)知識及相關物理學史的學習.(2)加強教育學、心理學、思政課等知識的學習.(3)加強學科知識的交叉融合和相互聯(lián)系.

5 結束語

經(jīng)過一系列的課程思政實踐活動,總結出了“一個核心”“兩個基本點”“三全育人”“四個創(chuàng)新”,“五項設計”的“1-2-3-4-5”課程思政模式,取得了較好的教學效果.即以“價值引領”為第1核心,以“提升認知”和“提高能力”為2個基本點,以“全過程、全環(huán)節(jié)、全內容”的3全育人目標為指導,通過教學理念、教學內容、教學過程、教學評價4個方面的創(chuàng)新,對教學內容,教學模式、教學過程、教學環(huán)節(jié)、教學評價等5個方面進行課程思政設計;學生的學習目標感和價值感明顯提升,對專業(yè)和自我的認知度有所提高,團隊協(xié)作意識、創(chuàng)新性思維能力、總結概括能力、解決問題能力都有所提高.但要做到課程思政“潤物細無聲”,對教師知識儲備、思想境界以及各項能力都提出了很高的要求[5].因此,教師需要不斷自我提升,不但專業(yè)知識扎實、還要多學科知識深度融合、不斷拓寬視野,加強自身的文化素養(yǎng),才能讓學生在潛移默化中體會物理實驗的魅力,從而達到塑造正確價值觀、提升正確認知水平、提高解決問題能力的“一引二提”的育人目標.