以能力培養為導向的光學實驗課程設計

摘 要 為在基礎教學階段的實驗課程中開展以能力培養為導向的教學，強化工程意識和實踐能力培養，法國教育部針對工程師預科物理和化學類課程提出了六項能力指標。本文以面向工程師專業的“物理實驗（光學）”課程為例，介紹了以六項能力指標為導向的教學設計，包括課程內容的重構、過程性評價和終結性考核的實施方案和考核結果，取得的經驗可為同類課程的教學改革提供參考和借鑒。

關鍵詞 工程意識;能力培養;能力測評;課程設計

近年來我國工程師人才培養的進程不斷加速，涉及的專業領域不斷拓寬。從新工科理念的提出[1]到國家卓越工程師學院的建設推進，工科人才的培養也從單一專業擴展至校企融合的項目制牽引（http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s5147/202401/t20240129_1113148.html），同時特別強調要聚焦關鍵領域、核心技術，解決工程技術人才培養與生產實踐脫節的問題，在培養過程中要轉變理念，探索以工程創新能力培養為導向的工程師人才培養新模式。

法國的工程師培養在世界范圍內享有盛譽，其“預科工程師”結合的培養模式已被多個國家借鑒采納。本文介紹的“物理實驗（光學）”課程就是面向北京航空航天大學中法工程師學院三年級學生開設的一門必修課程。作為從預科向工程師階段進階的一門核心基礎課程，圍繞法國教育部針對工程師預科物理和化學類課程提出的六項能力指標（https：//prepas.org/index.php？document=71），開展通過基礎實驗課程培養學生工程意識和解決工程問題基本能力的教學實踐。

1 能力培養指標

法國工程師培養采用“預科工程師”培養模式，中法工程師與法國預科階段學院本科一至三年級開展的數理通識基礎課程相似，旨在培養學生多學科交叉應用能力以及喚醒學生的工程意識。為了進行通識基礎教育，法國工程師預科階段實行多種系列大類培養。常規的預科第一年有六個系列，分別是數學物理工業科學（MPSI）、數學物理工程信息（MP2I）、物理化學工業科學（PCSI）、物理技術工業科學（PTSI）、技術物理化學1（TPC 1）、技術工業科學1（TSI 1）;預科第二年有七個系列，分別是數學物理（MP）、數學物理信息（MPI）、物理化學（PC）、物理工業科學（PSI）、物理技術（PT）、技術物理化學2（TPC2）、技術工業科學2（TSI2）。

法國的預科教育以能力培養為導向，從基本的物理知識和方法的教學要求，逐漸過渡到解決工程問題需要的具體能力的培養。針對上述所有不同培養系列，法國教育部給出了具體的能力培養指標體系，針對每一項能力，都有明確的指標作為該項能力是否達標的判據。表1所示為2021版的指標體系。所有教學活動均圍繞相應能力的培養展開，并通過該體系制作能力量表對學生能力培養成效進行測評。

與此前的版本相比，新版能力培養指標體系中針對各項能力均增加了相應的指標。其中理解與適應能力的評價指標更加細化，由原來的3條增加到7條;方案實施能力的評價指標由原先的3條增至8條，所增加的指標強調了信息提取、示意圖繪制、量綱分析與計算能力等;分析計算能力的評價指標由原先的5條增至8條，新增指標強調了針對文獻的分析總結能力;結果驗證能力部分修改不大，略有增加和細化;學術交流能力中增加了撰寫總結、分析和論證的描述;自主實踐能力的描述沒有變化。

2 基于能力指標的課程設計

2.1 課程目標與六項能力評價指標

工程師物理實驗（光學）課程屬于基礎實驗課程，除了學習基礎的物理實驗知識和方法以外，更重要的是培養學生工程意識、科學思維方法和科學素養。然而，在執行層面上如果仍采用以知識和方法為主導的教學模式，則很難達成目標。將教學目標按照能力培養的要求進行拆解并關聯到相應的能力指標，在實施過程中讓學生看到自己能力的穩步提升，增加學生成就感和課程黏性，則能夠更好地傳達基礎實驗課程的內涵與教學目標的本質。

六項能力培養體系在法國已實施近10年，其初衷是最大化提升學生的興趣和自主選擇權的同時，保障進入工程師階段的學生具有同樣的水平。法國預科階段開設了眾多系列課程，如何保證不同系列課程在工程師大學校的入學考試中的公平性，以及如何界定同樣的水平，倒逼了法國預科教育界對教育本質的思考。雖然各個系列所學內容有較大差異且各自有所側重，但所要求培養和達到的能力標準則各系列應保持一致。各項能力以及關聯的詳細指標是在企業界以及后續工程師教育的需求中逐漸凝練總結得來。該能力培養指標體系的實施和改革，為法國工程師培養以及后續學生進入企業工作提供了支撐。

本文所討論的面向通用工程師專業大三學生開設的實驗類基礎課程“物理實驗（光學）”結合了北航培養新時代領軍領導人才的辦學定位和通用工程師培養目標要求，借鑒融合法國六項能力培養指標體系確立了教學目標，且與六項能力有著較強的關聯對應，如圖1所示。通過對教學目標進行能力點拆解，使其更具有可操作性。

2.2 實驗項目設置

本課程知識覆蓋面廣泛，內容涉及幾何光學和物理光學兩大部分，詳見文獻[2]。在2024年春季學期，對開設的實驗項目進行了增補。在原先分光計專題下增補了，“商用光譜儀的使用”“里德堡常數的測量”兩個實驗。新增傅里葉光學專題，包括“阿貝成像和空間濾波實驗”和“傅里葉變換實驗”。全部實驗共涉及七個專題16個實驗項目。實驗項目的選擇除了考慮知識和實驗方法之外，更加注重學生能力的培養。實驗中學生需要運用包括數學、計算機、編程、數據處理、實驗實踐技能等多項能力，并在過程中體會模擬仿真、實驗結果以及理想物理模型之間的差異，形成較為成熟的物理世界觀，并初步具備工程意識。16項實驗項目與六項能力之間的關聯矩陣如表2所示，其中√的個數代表了關聯的強度。下面舉若干例子進行詳細論述：

1） “薄透鏡和球面鏡焦距測量及諾莫圖法應用”實驗

該實驗為驗證性實驗，通過實驗學生將進一步掌握實物、虛物、實像和虛像的概念，定量測量物距像距并評定測量結果的不確定度，以此來驗證物像共軛關系。因此該實驗和結果驗證能力有較強的關聯，并且實驗過程中需要進行成像的實驗操作以及諾莫圖方法的應用，對方案實施能力也有一定要求，實驗最終需要上交書面報告，并且在實驗過程中跟隨教師的引導表達自己對于實驗的想法，因此對學術交流能力也有一定要求。

2） “光的偏振及3D電影”實驗

實驗中偏振態的變化十分復雜抽象，需要學生能夠將復雜問題分解并使用合適的模型進行分析研究，有利于培養學生的抽象思維和分析計算能力。為了清晰地表述實驗現象背后的原理，學生需要較強的學術交流能力。該實驗要求學生通過口頭形式描述實驗現象和產生原理，給出自己的觀點。除了個人想法展示外，還可以通過辯論鍛煉學生的結果驗證能力。

3） “光學顯微鏡特性研究”實驗

該實驗主要培養學生的理解與適應能力。課程中給學生提供儀器操作手冊和各實驗配件的使用文檔，告知學生最終需要測量的特性參數，如顯微鏡物鏡的放大率或者整個顯微鏡的放大率等，學生需要自主研究文檔、自主嘗試使用儀器、自主設計實驗方案、建立模型并完成實驗。

4） “光的干涉和衍射及光盤參數測量”實驗

該實驗通過引導學生觀察實驗現象，獲取數據，再通過數據中的規律得到物理模型，從而進行物理規律和物理模型的再次應用，并對結果進行評價，從而鍛煉分析計算能力和結果驗證能力。

為了解釋六項能力與具體實驗內容的關系，下面以“光的偏振及3D 電影”實驗為例進行詳細說明。其中六項能力與該實驗內容的關聯矩陣如表3所示。首先，學生需完成馬呂斯定律的驗證。由于學生已在理論課上學習過該內容，因此這部分并未過多鍛煉理解與適應能力和自主實踐能力，其操作和分析過程也較為簡單，全程大量的重復測量工作亦無須過多交流，主要鍛煉學生的數據處理和不確定度計算等結果驗證能力。隨后，學生需要通過已有的理論知識和所提供的儀器設備產生一束右旋圓偏光。這一過程主要鍛煉了學生分析偏振光振動狀態的分析計算能力，并且需要一定的學術交流能力說明自己產生偏振光的過程。在以上兩項實驗內容的基礎上，實驗進入到對于學生綜合能力有一定要求的檢驗未知偏振光的階段。學生需要掌握檢驗流程并清楚相應的波片和檢偏片的擺放位置，并且全過程需要能夠清晰表達并給出驗證的理由。第四項內容，研究鏡面反射對偏振光的作用，問題的提出較為具體，但需要自主進行實驗探究，對于上述六項能力均有一定程度的鍛煉。最后進入到高階內容，學生需要充分運用已有知識和認知對3D 電影眼鏡原理進行分析，隨后設計實驗方案開展實驗操作，自行分析，驗證自己給出的假設的正確性，并且需要與教師或同伴進行口頭或書面交流。

3 課程實踐

3.1 過程性能力培養

學生的能力培養不只是單個實驗項目的任務，因為能力不是一朝一夕便可獲得的，能力的培養應注重過程。本課程注重平時實驗的能力培養，并且評價機制也保持與教學理念一致，平時實驗操作成績占總評成績的50%，其中實驗知識以及實驗方法的考查計20分;采用六項能力量表對學生的課堂表現予以評價和追蹤，計30分。下面分別進行詳細解釋：

1） 實驗知識以及實驗方法的考查

平時每個實驗都有基本實驗操作和實驗方法完成進度分數，采用累計制共計20分，如有缺項或未得到滿意分值，可在期末復習課中重做，獲得相應累計分數。每個實驗需要完成的環節個數約為5個。在實際運行中學生普遍能夠較好地完成基本實驗操作和實驗方法的訓練，有一些對于分析計算能力和方案實施能力要求較高的實驗完成度參差不齊。由于期末復習課的設置，使得平時分較低的學生能夠查漏補缺。在復習課中，學生自主選擇需要復習的實驗，自主操作，教師給予個性化輔導。對于一些普遍性和共性問題，教師還會通過集中講解問題的解決思路來引導學生。

2） 采用六項能力量表對學生的課堂表現予以評價和追蹤

由于復習課的設置，最終大部分同學可以獲得較高的進度分，而實驗過程中體現出的能力則采用六項能力量表測評，共計30分。教師根據學生在實驗過程中的表現給出能力水平評價，打分范圍為0～5分，六項能力共計30分。平時能力的測評和追蹤旨在督促學生，而不是將該成績作為最終成績，因為學生各項能力隨著時間推移穩步增長最終穩定在某個等級則最終平時成績即為該等級，因此學生不必計較一兩次實驗的表現和得失。

圖2中給出了某學生六項能力水平隨實驗課程推進的追蹤表現。該同學的情況有較強的代表性。在實驗課程最初該同學已表現出較強的學術交流能力、分析計算能力和方案實施能力，較為欠缺的是結果驗證能力、理解與適應能力和自主實踐能力。從能力追蹤圖可以看出，在隨后的實驗課程中由于學生明確需要達標的能力指標，有意識地開始鍛煉自己欠缺的能力點，經由態度的轉變后，理解與適應能力和自主實踐能力的提升速度較快。而結果驗證能力需要對于實驗過程中的理論與實驗結果有較好的把控以及誤差分析方法較好的掌握，因此，提升速度較為緩慢。同時，能力的提升有一定的波動過程，最終能夠穩定地獲得能力的提升。

上述過程性能力評價方案能夠較好地促進學生在平時重視實驗，并且有意識地鍛煉培養自身的六項能力，盡力符合后續工程師的培養要求，其重視過程的理念很好地減輕了學生的焦慮心理，使其能夠靜下心來真正將時間精力投入到實驗中去。

3.2 終結性能力測評

期末終結性評價占總評的50%，即50分，包括筆試和操作考試。筆試滿分20分，閉卷考試2小時，側重實驗知識以及實驗方法的考查，考查范圍為平時實驗項目以及拓展實驗項目。操作考試成績滿分30分，是對學生能力水平的終結性測評。為考查學生的六項能力，期末操作考試每名學生需獨立參加，操作考試時長1小時。每份試題針對某一個實驗項目展開，以所學過的實驗項目為基礎并進行拓展。雖然不同組學生的考試題目不同，但由于測評是針對六項能力體系進行的，因此，從能力角度講對于學生的衡量尺度是一致的。期末操作的考查分級更為精細化，實驗操作六項能力每項10分，共計60分，折算為30分計入總評。

總體而言，期末的終結性評價以考核學生知識和資源的綜合運用能力、建模能力、解決實際問題能力為主線，對學生六項能力進行全方位考核，客觀地評價考生理論與實踐的結合能力以及解決復雜工程問題的綜合能力。

4 結語

以能力為導向的教學設計在教學實踐中取得了較好的成效。學生在六項能力培養體系下更愿意進行自主探究，充分的“試錯”時間和空間讓學生更有自信、更樂于探索未知。弱化純知識記憶型考查內容，降低知識和方法的總評占比，突出高階性的能力素質評價，使得學生的適應、分析、實現、驗證、交流和自主探究能力得到顯著提升。在教學過程中注重學習過程，能力量表的跟蹤使得學生能夠感受到自身的成長。

經過幾輪的教學實踐，也暴露出一些問題需要反思。首先，六項能力體系的具體指標還需要更加細化，以實現更精準的評價。其次，由于師資有限，僅由一名教師對某一具體實驗進行評價，容易導致測評客觀性降低。最后，測評過程得到的數據，需要更好地分析挖掘以支撐學生個性化成長，利用AI技術進行追蹤評價可能是可探索的解決途徑。

參 考 文 獻

[1] 鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

Zhong D H. Connotations and actions for establishing the emergingengineering education[J]. Research in Higher Educationof Engineering， 2017（3）： 1-6. （in Chinese）

[2] 王崢，安煒，王文文，等.面向工程師人才培養的基礎實驗類課程建設探索與實踐：以“物理實驗（光學）”課程為例[J].物理與工程，2023，33（4）：129-132.

WANG Z， AN W， WANG W W， et al. Exploration andpractice of basic experimental courses construction for thetraining of engineers： Case study on course of physics experiment（optics）[J]. Physics and Engineering， 2023， 33（4）： 129-132. （in Chinese）