新工科背景下大學物理實驗教學改革實踐

摘" 要：隨著新工科教育理念的提出和實施，大學物理實驗教學面臨著全新的挑戰和機遇。在新工科背景下，大學物理實驗教學不僅要傳授學生基礎的物理知識和實驗技能，還要注重培養學生的創新能力和綜合素質。文章旨在探討如何在新工科背景下改革大學物理實驗教學，包括更新課程內容、創新教學方法以及完善評價體系。通過分析現有的教學模式并研究國內外相關改革實踐，提出了一系列改革措施，旨在提高物理實驗教學的質量和效果，并培養學生的創新思維和實踐能力。

關鍵詞：新工科；大學物理實驗；教學改革；創新能力；實踐教學

中圖分類號：G420" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2025）02-0106-04

隨著科技進步和產業轉型，新工科教育成為高等教育改革的重要方面。作為工科教育基礎課程之一，大學物理實驗在培養學生實踐能力和創新思維方面扮演著關鍵角色。在新工科背景下，對物理實驗教學進行改革不僅需要緊跟時代潮流，更要結合工科學生的專業特點和未來職業需求。文章從新工科教育理念出發，探討如何通過改變實驗教學內容、方法和評價體系來促進大學物理實驗教學的全面發展。

一、新工科背景下大學物理實驗教學改革的重要性

在新工科教育背景下，全球的工程教育領域正在經歷深刻的變革。這一趨勢是為了應對快速技術創新和工業變革的需求，尤其是在信息技術、智能制造和可持續發展領域。新工科教育強調跨學科知識融合、創新能力培養和實踐技能提升，以應對數字化、網絡化和智能化時代的挑戰。其目標是培養具備創新思維、實踐能力和國際視野的工程技術人才，以滿足未來社會和產業發展所需的復雜要求。

大學物理實驗教學在工科教育中具有核心地位，其是培養學生科學思維和實驗技能的重要途徑。通過實驗教學，不僅可以加深學生對物理理論的理解，還可以提升學生解決實際問題的能力。此外，物理實驗還鼓勵學生進行創新探索，旨在培養他們的科研興趣與方法論能力。在新工科背景下，物理實驗教學顯得尤為重要，因為其有助于構建跨學科思維，促進技術創新，并為未來的工程實踐和科學研究打下堅實基礎。［1］

二、新工科背景下物理實驗教學的挑戰

（一）當前物理實驗教學現狀

當前的大學物理實驗教學普遍面臨一些問題，包括內容陳舊、缺乏創新和實用性不足。許多課程仍然采用傳統的實驗教學模式，重復進行基礎物理實驗，忽略了與現代工程技術的結合。這種教學方式無法激發學生的創新思維和實踐興趣，也難以有效培養學生解決復雜工程問題的能力。

實驗設備和工具通常比較老舊，缺乏現代科技元素，這不利于學生對新技術的了解和應用。這導致物理實驗教學與工業界最新發展之間存在一定脫節，難以滿足在新工科背景下對工程技術人才綜合素質和創新能力的要求。

（二）新工科背景下的新要求和挑戰

新工科強調將不同學科的知識融合并應用于實際，這意味著物理實驗不僅要教授基礎物理知識，還要與工程實踐和新技術發展密切結合，以增強實驗的應用性和創新性。新工科鼓勵培養學生創新和實踐，這對物理實驗的教學方法和內容提出了更高要求，需要更多地采用項目導向和問題導向的教學模式。

新工科教育還強調學生的自主學習能力和團隊合作精神。這給教師在指導方法和實驗課程設計方面帶來挑戰。關鍵在于如何有效激發學生主動探索精神和培養團隊協作精神。隨著科技快速發展，更新實驗設備、材料，并將最新科技融入實驗教學中也是適應新工科背景下物理實驗教學所面臨的重要挑戰。

三、改革實踐的方向和措施

（一）課程內容的更新與整合

更新物理實驗課程，將納米技術、量子計算、可再生能源等新興科技領域融入實驗教學，以使課程內容與當前科技進步相結合。通過結合工程案例設計實驗內容，將物理實驗與機械工程、電子工程等學科的實際應用相融合，提高學生對將物理知識應用于解決實際問題的能力理解。物理實驗課程還應與數學、計算機科學、材料科學等其他學科相結合，注重跨學科的學習和研究，培養學生綜合素質和視野。［2］

為確保教學內容與科技發展和行業需求同步，應定期評估和修訂實驗內容。同時鼓勵教師將自己的研究工作和最新科研成果引入教學中，讓學生接觸物理學前沿領域。課程還設計了以項目為導向的實驗任務，鼓勵學生圍繞一個核心主題進行深入研究，并增強他們的問題解決能力和創新能力。在課程中增加了實驗設計的比重，鼓勵學生自主設計實驗，以提高他們的創新能力和實踐技能水平。

（二）教學方法的創新

在物理實驗教學中，可以采用翻轉課堂的方式，鼓勵學生在課前通過在線資源自主學習理論知識。而在課堂上，則主要進行實驗操作和討論，以提高學生的主動學習能力和實踐技能。通過項目導向的學習方式，學生可以參與具體的物理實驗項目，并進行小組合作。從問題提出到解決方案的全過程都需要他們積極參與，這樣可以增強他們的實踐和問題解決能力。［3］此外，還可以利用計算機模擬技術和虛擬現實（VR）技術，為學生提供模擬物理實驗的機會，在安全環境下進行復雜和危險的實驗操作練習。

還可以引入互動式教學工具和方法，例如通過實時反饋系統、互動問答等方式來提高課堂互動性和學生參與度。通過分析具體的物理實驗案例，將抽象的物理原理與現實生活中的應用相結合，以增強學生對知識內容的理解和興趣。除了傳統形式上的考試和撰寫報告之外，在評價方面還應該加入對于學生在設計、創新能力、團隊合作和問題解決能力等方面的綜合評價。

（三）實驗技術和設備的現代化

為了提高學生的實驗能力，應引入先進的物理實驗設備，如高性能傳感器、智能數據采集系統和精密測量儀器。應確保這些設備符合行業標準，并確保學生能有機會接觸和使用。在實驗中融入人工智能、物聯網和大數據分析等新興技術，讓學生親身體驗并掌握這些前沿科技。開發在線實驗平臺和遠程控制實驗室，使學生可以通過網絡進行實驗操作，提高靈活性和可達性。

為幫助學生更好地理解實驗結果，采用現代化的數據分析和可視化工具，并提供即時反饋和深入分析。建立智能化的實驗管理系統，包括實驗預約、資源管理以及安全監控等功能，以提高效率和安全性。在物理實驗內容上，開發模擬實驗和虛擬現實（VR）實驗，在無法在真實環境中進行的情況下提供相應條件，拓展學生的實際體驗。

（四）學生創新能力的培養

提倡一種以創新為導向的物理實驗教學方法，鼓勵學生在問題提出、實驗設計和解決方案實施的過程中全程參與，以激發他們的創新思維。院校組織跨學科的團隊項目，促使物理學、工程學、計算機科學等領域的學生合作解決復雜而現實的問題，從而提高團隊協作和跨學科思維能力。院校為他們提供開放式實驗環境，讓其自由探索和實踐自己的創意，并培養他們獨立學習和獨立研究的能力。［4］

定期舉辦或參加各種創新競賽和科技挑戰賽，例如物理實驗創新大賽，激勵學生運用所學知識解決真正存在的問題。院校鼓勵并引導學生參與教師的科研項目，通過親身參與研究來培養他們對科研工作的興趣和創新能力。通過講座、研討會等形式引入創新思維訓練，如批判性思考、問題解決等方法來提升學生的創新思維能力。

在評估體系中加入創新性和實用性指標，鼓勵學生在實驗設計和實施過程中追求創新和實際應用價值。由院校創建學生間合作和交流的平臺，例如學生創新俱樂部、研討小組，為他們提供交流想法和資源共享的機會。

（五）教學評價體系的完善

構建一個多維評價指標體系，用于全面評估學生的學習成果，包括知識掌握、實驗技能、創新能力、團隊合作和問題解決等方面。強調對實驗過程的評價，不僅關注最終的實驗結果，還包括實驗準備、操作過程、數據分析和結果討論等方面。引入同行評審機制，讓學生相互評價實驗報告和項目，并增強評價的客觀性和互動性，培養學生的批判性思維能力。

為了幫助學生發現自身不足并及時改進，也為教師提供教學調整的依據，院校提供定期而具體的反饋。鼓勵學生進行自我評價和反思，培養學生的自我監控和持續學習能力。結合形成性評價（如實驗操作、課堂討論）和總結性評價（如期末考試、項目報告），更全面地評估學生的學習成果。

在評價體系中平衡實踐技能與理論知識，確保學生在實際操作能力和理論理解上都有所提升。利用電子評價系統收集和分析學生的學習數據，提高評價的效率和準確性。對教師進行評價方法的培訓和指導，確保他們能夠有效地運用新的評價體系。

四、案例分析

（一）國內外成功改革案例

麻省理工學院（MIT）通過其開放式課程平臺，提供了大量的在線物理實驗資源。特別是他們的“TEAL”（Technology Enabled Active Learning）項目，在電磁學課程中成功地采用了翻轉課堂和小組合作學習，顯著提高了學生的參與度和學習成果。

在物理實驗教學方面，斯坦福大學推廣了基于問題的學習方法（PBL），鼓勵學生通過團隊合作來解決實際問題。斯坦福還引入了多媒體和虛擬實驗技術，增強了教學的互動性和趣味性。清華大學在物理實驗教學中采用了“研究式學習”模式，鼓勵學生參與科研項目并進行原創性研究。通過這種方式，學生能夠在真實的科研環境中進行學習，提升他們的實驗技能和創新能力。上海交通大學建立了現代化的物理實驗中心，并配備先進的實驗設備。他們還開發了多個跨領域的實驗項目，涵蓋基礎物理知識，并結合工程、生物等領域的實際應用。

以上案例展示的是不同高校在物理實驗教學改革方面的成功經驗，包括教學方法的創新、實驗設施的現代化以及培養學生創新能力等。這些經驗對于國內外物理實驗教學改革提供了有益的參考。

（二）改革實踐的效果與反饋

實施的改革措施使學生在實驗操作技能和實際問題解決能力方面取得顯著進步。通過親身實踐，學生更深入地理解了物理理論，并能將所學知識應用于解決真實的工程問題。新的教學方法和課程設置激發了學生的創新意識，很多學生在實驗中展現出了強烈的創新思維和獨立研究能力，他們提出了具有創造性的實驗方案和問題解決方法。

采用翻轉課堂、項目導向學習等方式提高了學生的參與度，他們表現出更大的興趣和積極性來進行學習。反饋結果顯示，學生對物理實驗課程滿意度顯著提升。教師通過采用新的教學方法和現代化教育工具來提高教育效率和質量。多數教師反映，這種新型教育方式更有效、更靈活，有助于更好地傳遞知識并激發學生興趣?？傮w而言，這些改革措施提高了物理實驗課程的教育質量和效果。不僅學生的綜合素質得到提升，尤其在團隊合作、問題解決能力和創新思維方面有所增強。改革實踐也獲得了學術界和相關行業的認可。一些學生在科學研究和工程項目中表現出色，進一步增強了課程與行業需求的相關性。［5］

五、面臨的問題與挑戰

（一）資源配置不足

物理實驗教學改革通常需要大量的資金支持，用于購買先進設備、更新實驗材料和改善實驗環境。在許多情況下，學校面臨資金不足的問題限制了改革的推進。許多高校的物理實驗室設施過時，需要大規模更新和維護。這不僅需要投入經費，還需要時間和專業知識來確保設施現代化和安全性。實驗教學改革需要教師具備高水平的專業知識和創新教學能力。然而，合格的物理實驗教師尤其是具有現代化教學理念的教師培養難度較高。

一些先進的實驗材料和設備難以獲得，尤其是在非主要城市的學校。維護和更新這些材料和設備也是一個持續挑戰。進行實驗教學需要足夠的操作空間和設備存儲空間。隨著學生人數不斷增加，實驗室空間可能成為制約因素。高質量的實驗教學不僅需要先進設備，還需良好的技術支持與服務。

（二）師資培訓不足

隨著教育模式轉變，教師需要更新教學理念，以適應更加以學生為中心的教學方法。這意味著他們不僅要傳授知識，還要引導學生進行探索和創新。在新工科背景下，物理實驗教學對于教師來說需要熟悉最新的實驗技術和設備。對于許多教師來說，掌握這些新技術是一項挑戰。他們需要設計創新且有教育意義的實驗，這不僅要求深厚的專業知識，還需要豐富的實驗操作經驗和創新能力。

物理實驗教學改革鼓勵跨學科整合。因此，教師需要具備跨學科教學能力，超出了一些傳統專業領域之外。為了保持與最新的教學方法和科技發展同步，他們需要定期參加專業發展培訓。然而，在接受培訓時可能會投入額外的時間和資源。在評估學生的學習成果并提供建設性反饋方面也需要具備相應的能力。這意味著他們必須具備評估技能和良好的溝通能力，才能推進教學改革。

（三）學生適應性問題

隨著教學方法的創新，學生需要適應更加主動和自主的學習方式。對于那些習慣了傳統教學模式的學生來說，這可能是一項挑戰。在新工科背景下，跨學科整合非常重要，因此學生需要掌握不同學科的知識，這可能會增加他們的學習難度，尤其是對于基礎知識掌握不夠牢固的學生而言。面對先進的實驗設備和復雜的實驗技術，一些學生可能會感到不適應或有壓力，特別是對技術不太熟悉的同學。［6］

新工科教育注重培養創新能力，但并非所有學生都習慣或擅長創新思維和實踐。這需要學生在學習過程中逐漸培養和提升。雖然團隊合作對于學業和未來職業都非常重要，但并非所有學生都適應或能夠有效地進行團隊合作。新的學習方式要求學生具有更強的自我管理能力，包括時間管理、自我激勵和自主學習能力。為了解決這些適應性問題，學?？梢蕴峁┻m應性培訓和輔導，幫助學生適應新的學習環境和要求。此外，在教學過程中，教師需要關注學生的適應情況，并在需要時提供必要的指導和支持。

六、結語

在新工科背景下，大學物理實驗教學改革是一個涉及多個方面的系統工程，需要綜合考慮課程內容、教學方法、技術支持和評價體系等。通過文章的討論和分析可以看出，改革實踐不僅可以提高物理實驗教學的質量，還有助于有效培養學生的創新能力和實踐技能。未來隨著教育資源的增加和教學技術的進步，大學物理實驗教學將變得更加多樣化和個性化，以更好地滿足新工科教育的需求。

參考文獻：

［1］ 彭東青. 新工科背景下大學物理實驗教學改革實踐［J］. 湖北開放職業學院學報，2023，36（24）：176-178.

［2］ 劉文彥，齊麗晶，楊雪. “新工科”背景下大學物理課程智慧教學改革的探究與實踐［J］. 大學物理實驗，2023，36（06）：126-130.

［3］ 郭偉杰. “新工科”背景下的大學物理實驗教學改革探索［J］. 教育現代化，2019，6（80）：67-68.

［4］ 王莉，李會鵬，王衛強，等. 新工科背景下高校公共基礎課教學改革與實踐：以大學物理課程為例［J］. 大學教育，2023（13）：29-32.

［5］ 秦玉嬌，李勤玉. 新工科背景下大學物理實驗課程教學改革與探索［J］. 中國現代教育裝備，2022（19）：92-94.

［6］ 付林杰，王獻立，許坤，等. 關于新工科背景下大學物理實驗課程教學改革的思索［J］. 科技風，2020（12）：43-44.

（薦稿人：黃振晗，莆田開放大學高級實驗師）

（責任編輯：敖利）

作者簡介：陳立軍（1978—），男，本科，莆田開放大學實驗師，研究方向為物理學。