近代物理實驗教學(xué)流程的模式探索*

陳東海 馬松山 段玉霞 歐陽方平

(中南大學(xué)物理與電子學(xué)院 湖南 長沙 410083)

近代物理實驗是針對高年級物理專業(yè)本科生的一門綜合性實驗課程.其實驗內(nèi)容大多取自獲得諾貝爾物理學(xué)獎的經(jīng)典實驗,這些實驗?zāi)芎芎玫刎S富學(xué)生的物理思想,激發(fā)他們的物理思維,在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和科研能力等方面發(fā)揮著重要作用[1].與基礎(chǔ)物理實驗課程相比,近代物理實驗專業(yè)性更強(qiáng)、綜合性更高,具體到教學(xué)方面,體現(xiàn)為教學(xué)內(nèi)容多、教學(xué)規(guī)模小、儀器設(shè)備貴等特點,如何根據(jù)其特點,有針對性地提高近代物理實驗的教學(xué)效果,是物理實驗教學(xué)需要研究的重要課題.

1 近代物理實驗教學(xué)的特點和約束性條件

近二十年來,國內(nèi)高校陸續(xù)開設(shè)近代物理實驗課程,總體而言這門課程正處于快速發(fā)展階段,已經(jīng)取得了不錯的教學(xué)成效.同時在實驗教學(xué)發(fā)展過程中也出現(xiàn)了不少突出問題.隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的飛速發(fā)展,原有的教學(xué)體系、方法、內(nèi)容和模式也應(yīng)當(dāng)與時俱進(jìn),以更好適應(yīng)當(dāng)前學(xué)生的特點和高校人才培養(yǎng)的目標(biāo)要求.

1.1 近代物理實驗是綜合性的、獨立的課程

近代物理實驗不是依附于某個理論課程的附加性、嵌入性實驗環(huán)節(jié),而是一個針對高年級本科生的獨立的實驗課程.一個實驗內(nèi)容通常對應(yīng)多個具體理論基礎(chǔ),而不只是與理論教材中的某一個章節(jié)的知識點相對應(yīng);它不僅僅滿足于基礎(chǔ)性實驗所要求的驗證理論知識、學(xué)習(xí)操作方法、培養(yǎng)良好習(xí)慣等教學(xué)目標(biāo),而是更注重理論的交叉運用,并在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生科研習(xí)慣,探索解決問題;同時,近代物理實驗還要求學(xué)生有較好的物理思維和實踐研究能力.因此,近代物理實驗課程是一門對基礎(chǔ)理論、物理思維和科研實踐均有較高要求的實驗課程,具有較強(qiáng)的綜合性和學(xué)科交叉性.

1.2 教師與學(xué)生是“多對一”或者“多對多”的關(guān)系

與理論課程或者其他實驗課程相比,在近代物理實驗課程中,教師與學(xué)生不是“一對多”的關(guān)系,而是“多對一”或“多對多”關(guān)系.一方面,由于實驗項目較多、各個教師的研究領(lǐng)域和教學(xué)方向不同,近代物理實驗課程的教學(xué)通常由幾名、十幾名甚至幾十名教師共同承擔(dān).另一方面,不同于基礎(chǔ)性的實驗,近代物理實驗面向的學(xué)生只是物理學(xué)專業(yè),受眾面相對較小;而且近代物理實驗的儀器設(shè)備相對較為昂貴,學(xué)校一般配備設(shè)備數(shù)量少,因此通常采用分組形式組織教學(xué).

1.3 課程教務(wù)工作量大

由于近代物理實驗是綜合性的實驗,相對難度系數(shù)大,所以大部分高校設(shè)置的課時比一般基礎(chǔ)實驗較長,國內(nèi)高校通常為3～6個課時不等,國外前沿高校更有以周為單位計算課時[2].加之采用小組上課模式,教師與學(xué)生在時間上協(xié)調(diào)難度大.由于實驗項目和科研進(jìn)展的變化,教師的備課需要實時動態(tài)跟進(jìn),而且通常一次備課也只能針對一個學(xué)習(xí)小組.這種教師多、內(nèi)容雜、課時長、分組多的教學(xué)模式直接導(dǎo)致了選課、排課、考核等課程教務(wù)工作量的成倍增加.

1.4 教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法靈活多樣

近代物理實驗具有較強(qiáng)的綜合性和學(xué)科交叉性,各個實驗項目在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)條件、教學(xué)方法等形式上千差萬別,整個課程難以用一種教學(xué)模式來組織.

1.5 課程思政元素亟待挖掘

近代物理實驗內(nèi)容大多來源于獲得諾貝爾物理學(xué)獎的經(jīng)典實驗,而這些實驗的知識點大多由西方科學(xué)家首先探索發(fā)現(xiàn).如果不深入了解我國老一輩科學(xué)工作者的愛國情懷和無私奉獻(xiàn)的精神,不深入了解當(dāng)代物理科研的進(jìn)展動態(tài),就難以在物理實驗教學(xué)中融入更多的中國元素,這是近代物理實驗課程思政亟需解決的問題.

1.6 課程與科研和競賽相輔相成

近代物理實驗課程中的很多內(nèi)容與當(dāng)前科學(xué)研究課題直接關(guān)聯(lián),其理論基礎(chǔ)和物理思維也與各類物理競賽直接相關(guān).如何將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步深化并銜接前沿科學(xué)研究[3],如何利用實驗教學(xué)選拔推薦學(xué)生參加各類物理競賽,做到教學(xué)、科研、競賽互相融合、互相促進(jìn),將成為實驗教學(xué)的目標(biāo)方向之一.

2 近代物理實驗教學(xué)流程模式探索

結(jié)合上述特點和約束性的條件,中南大學(xué)物理與電子學(xué)院對近代物理實驗課程教學(xué)流程做了一系列的探索改革,形成了一套相對穩(wěn)定的教學(xué)模式.

2.1 召開教學(xué)準(zhǔn)備會 實施集體教研制度

每學(xué)期開課之前,近代物理實驗課程教務(wù)組召開集體教學(xué)準(zhǔn)備會,根據(jù)人員設(shè)備變動、學(xué)生調(diào)研反饋、教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)、最新科研項目成果[4]及其他動態(tài)因素,按照分層次、多元化[5]的原則調(diào)整確定近代物理實驗項目和教學(xué)內(nèi)容,以供學(xué)生選擇.組織教師集體研討教學(xué)方法和教學(xué)形式,編制講義資料、統(tǒng)籌課程教務(wù).

2.2 開設(shè)近代物理實驗先導(dǎo)課程

在實驗選課之初安排2個課時的先導(dǎo)課程,主要由教師簡要介紹各個實驗項目的實驗內(nèi)容、理論基礎(chǔ)、方法步驟和作用意義等,極大調(diào)動學(xué)生的實驗探索興趣和創(chuàng)新動力[6],也便于學(xué)生根據(jù)自身興趣和各自知識儲備優(yōu)勢等具體選擇實驗項目.同時,對課程預(yù)習(xí)、實驗操作、撰寫報告等提出規(guī)范要求,明確課程要求、操作規(guī)程、評分標(biāo)準(zhǔn).另外,在先導(dǎo)課程中,可以融入一些中國元素,比如,在講普朗克實驗時,可以用葉企孫先生的測量結(jié)果與普朗克常數(shù)進(jìn)行比較;在講到拉曼實驗時,可以提及鐃毓泰、吳大猷和沈壽春先生的實驗故事,通過引入這些中國科學(xué)家的科研經(jīng)歷和愛國故事,激勵學(xué)生的愛國熱情,通過融入思政元素進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

2.3 學(xué)生組隊 小組選課

近代物理實驗為必修課,具體實驗項目由學(xué)生自選.由于受實驗場地、設(shè)備等因素制約,近代物理實驗通常采用小組教學(xué).學(xué)生根據(jù)自身興趣和知識結(jié)構(gòu),結(jié)成不同的學(xué)習(xí)組、研究組,再以小組形式選擇實驗項目和實驗內(nèi)容[7],形成最終的課程計劃.近代物理實驗教學(xué)流程如圖1所示.

圖1 近代物理實驗教學(xué)流程

2.4 學(xué)生預(yù)習(xí)

課程教務(wù)組根據(jù)教學(xué)準(zhǔn)備會的部署編制《近代物理實驗》預(yù)習(xí)冊,學(xué)生根據(jù)下發(fā)的實驗教材、講義,或者結(jié)合慕課、翻轉(zhuǎn)課堂進(jìn)行實驗預(yù)習(xí),完成預(yù)習(xí)報告的作答,對疑難問題做好記錄,等待實驗探索或者向指導(dǎo)教師提出.

2.5 組織教學(xué)和實驗

這一過程形式多樣,根據(jù)具體實驗項目不同而不同.教學(xué)形式可以是線上,也可以是線下,或者線上線下結(jié)合.教師可以理論輔導(dǎo),也可以實踐引導(dǎo),學(xué)生可以自主探索,也可以尋求指導(dǎo).教師應(yīng)當(dāng)挖掘與本實驗相關(guān)的課程思政元素和當(dāng)前相關(guān)科技的前沿進(jìn)展,持續(xù)調(diào)動學(xué)生積極性.學(xué)生根據(jù)自身預(yù)習(xí)情況,主動探索,自由實驗,樂學(xué)創(chuàng)新[4],在發(fā)現(xiàn)和解決問題的過程中提升能力.師生之間在相互交流研討過程中完成實驗.實驗數(shù)據(jù)記錄在預(yù)習(xí)冊中的專用數(shù)據(jù)記錄頁面內(nèi),并由指導(dǎo)教師簽字.

2.6 提交實驗報告

學(xué)生需將預(yù)習(xí)冊中經(jīng)過指導(dǎo)教師簽字的數(shù)據(jù)活頁取下來粘貼到實驗報告上,并依據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析.

2.7 成績評定和總評成績

針對實驗課程制定詳細(xì)的評分標(biāo)準(zhǔn).各個實驗項目成績是由指導(dǎo)教師把實驗預(yù)習(xí)、實驗操作、實驗報告按20%、40%、40%的比重加權(quán)而成,學(xué)生課程總成績?nèi)「鲗嶒烅椖砍煽兊钠骄?如果學(xué)生在實驗過程中對某個實驗有進(jìn)一步研究探索工作或者成果,如對某個實驗項目有改進(jìn)思路或做法、有論文成果等,則由課程教務(wù)組對該學(xué)生的總評成績進(jìn)行加分.

2.8 課后深化

完成實驗后,部分學(xué)生可以根據(jù)實驗探索找到興趣點和突破點,并繼續(xù)深化研究,甚至申請專利或發(fā)表論文等.教師也可以通過課程教學(xué)來豐富自身科研思路和成果,同時,根據(jù)學(xué)生表現(xiàn),進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生從事科研工作,推薦學(xué)生參加相關(guān)物理競賽等.

2.9 課程反饋總結(jié)

從兩個層面組織課程調(diào)研.一是指導(dǎo)教師在該實驗內(nèi)容結(jié)束之后現(xiàn)場征詢學(xué)生意見,二是學(xué)期結(jié)束之后通過微信群、QQ群等征詢學(xué)生意見.了解對某個實驗項目或者整個實驗課程的心得體會,哪些實驗項目有意義,哪些實驗項目需要改進(jìn),哪些實驗項目可以增加或者刪減,哪些流程可以優(yōu)化,哪些指導(dǎo)教師需要改進(jìn)等.調(diào)查問卷(節(jié)選)如表1所示.

表1 近代物理實驗課程調(diào)查問卷樣例(節(jié)選)

比如,我們從最近的一次調(diào)查問卷結(jié)果發(fā)現(xiàn),80.7%的學(xué)生希望能采用彈性課時模式,即根據(jù)實驗內(nèi)容調(diào)整課時,而不是所有實驗都按一個課長標(biāo)準(zhǔn);90.3%的學(xué)生更傾向于進(jìn)行線下實驗而不是線上實驗或者仿真實驗;17.7%的學(xué)生希望把磁性物理相關(guān)實驗放到第二個學(xué)期,等等.課程教務(wù)組就可以根據(jù)這些反饋結(jié)果對后續(xù)的實驗進(jìn)行變動調(diào)整,提高實驗教學(xué)質(zhì)量.

3 本教學(xué)模式的特色

(1) 通過開設(shè)先導(dǎo)課,學(xué)生可以粗略了解各個實驗項目的理論基礎(chǔ)、實驗?zāi)康摹⒎椒ú襟E等基本情況,然后結(jié)合自身知識結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和興趣愛好進(jìn)行選擇,而不是憑實驗項目名稱、憑“眼緣”或“手感”來選擇[8].

(2) 先導(dǎo)課的另一個重要作用是承載課程思政內(nèi)容,在教學(xué)過程中科學(xué)合理地拓展課程的內(nèi)容,融入經(jīng)典實驗背后的中國元素案例和前沿科技的熱點領(lǐng)域,將這些思想價值和科學(xué)精神等元素結(jié)合專業(yè)知識傳遞給學(xué)生[9],達(dá)到提高教學(xué)效果的目的.

(3) 通過小組教學(xué)能夠充分利用教師的科研設(shè)備和場地,緩解了近代物理實驗專用教學(xué)儀器設(shè)備和場地不足的問題,既實現(xiàn)了教師與學(xué)生之間“多對一”“多對多”地銜接,也滿足了各個實驗項目在教學(xué)模式上的共性與個性的統(tǒng)一,提高了教學(xué)效果.

(4) 實驗項目、講義資料、預(yù)習(xí)冊等按學(xué)期動態(tài)同步調(diào)整,在教學(xué)目標(biāo)的框架內(nèi),以學(xué)科建設(shè)為支撐,把最新的科研成果引入到近代物理實驗中,既適應(yīng)了儀器設(shè)備具體實際,也結(jié)合了教師的科研進(jìn)展,還滿足了學(xué)生的學(xué)習(xí)需求,較大程度上提高了實驗教學(xué)的效果.

(5) 實驗課程與科研、競賽對接,實現(xiàn)教學(xué)相長.在提升學(xué)生探索研究能力的同時,也為各類物理競賽作了人員選拔和推薦儲備.目前,本科生進(jìn)入科研實驗室并參與研究已經(jīng)成為我院常態(tài),實驗教學(xué)也成為學(xué)生參加全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽(CUPT)和大學(xué)生物理實驗競賽等賽事的重要引導(dǎo)要素.

4 結(jié)束語

從“立德樹人”的根本任務(wù)出發(fā),將課程思政融入近代物理實驗教學(xué),落實“學(xué)生為主體,教師為主導(dǎo)”的教學(xué)理念,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主體意識,以學(xué)習(xí)小組、研究小組的形式自主選擇實驗項目,不斷優(yōu)化實驗教學(xué)中的各個環(huán)節(jié)和流程,形成一套相對穩(wěn)定又可動態(tài)調(diào)整的教學(xué)模式,對課堂教學(xué)過程的具體教學(xué)方法保持開放的態(tài)度,尋求不同實驗教學(xué)內(nèi)容在共性與個性上的統(tǒng)一,在實驗教學(xué)中對接教師科研進(jìn)展和物理實驗競賽,培養(yǎng)學(xué)生的物理思維和研究能力,達(dá)到全面提升實驗教學(xué)效果的目的.