大學物理實驗課程教學改革意義

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［摘要］“大學物理實驗”是面向理工科學院學生開授的通識必修基礎課，該課程要求學生在學習了大學物理的基本知識后，能夠借助物理實驗室提供的實驗儀器，通過自己動手操作，完成相應的物理實驗項目，加深對物理理論的理解和融會貫通，同時增強學生的實踐能力，對學生后續的專業實驗和實踐起到承前啟后的引導作用。大學物理實驗教學改革是本科教學發展的需求，重視學生獨立自主學習、開拓創新，以學生為中心進行教育教學。學校“大學物理實驗”教學改革中融入了課程思政，加入了虛擬仿真實驗，實現了線上線下混合式的教學模式，做到推陳出新、虛實結合。

［關鍵詞］大學物理實驗；教學改革；課程思政；虛擬仿真；線上線下混合式教學

一、目前“大學物理實驗”教學現狀

目前，我校共有紅湖、博達、友好三個校區，每學期“大學物理實驗”上課的班級總和約為100個班，學生人數約為3800人。受校區大學物理實驗室面積、實驗儀器臺（套）數的制約，“大學物理實驗”采取單班分組模式進行授課，課程的講授教學模式相對比較單一，教學形式也不夠靈活。以紅湖校區為例，主要體現在以下兩個方面：一方面是實驗安排。“大學物理實驗”課一般都在專業課、公共課排完后，再集中統一排課，時間主要安排在下午，同一時間段最多開放6間實驗室，且每個實驗室安排兩個實驗，每一個行政班級分成兩大組，分別進行其中一個實驗，每個實驗都需要教師講授；另一方面，由于同一個實驗室安排兩個實驗，任課教師通常為節省出更多的時間給學生進行實驗操作，會把實驗目的、實驗原理、實驗儀器、實驗步驟、測量數據表格及注意事項提前板書在黑板上，在學生上課時再進行逐一講解，隨后將實驗操作向學生演示，在完成這些基本規定動作后，學生才能投入到實驗當中。在“大學物理實驗”的整個教學過程中，教師占據主導地位，并且還占用了大量的實驗課時間，而學生只是在被動地、機械性地接受教師的授課內容，按照教師演示重復一遍實驗操作即可完成實驗。在這樣的教學模式下，學生不需要進行積極的思考，只要按照教師實驗步驟就能完成基本實驗要求。這樣的模式不僅束縛了學生獨立思考的空間，忽略了學生在認知過程中的主觀能動性，而且很大程度限制了對當代大學生獨立思考能力、分析能力、理論結合實際能力、團隊協作能力、創造性思維和創新能力的培養。

二、“大學物理實驗”教學改革目的和意義

教學改革的目的就是要改變目前教學現狀的不合理性，現代教學的理念非常清晰，就是把學生創新能力和實踐操作能力的培養放在首位，而教師的主要作用是整個教學的設計者、組織者和協助者，起到引領的作用。大學物理實驗究竟可以培養大學生的哪些能力，筆者認為可以從以下幾個方面來體現：首先是獨立實驗的能力。學生通過閱讀實驗教材、掌握實驗原理、了解實驗內容及操作方法，并結合每個實驗的課后問題，查詢相關資料，做好實驗前的預習準備；實驗課中正確使用實驗室提供的實驗儀器及設備，獨立完成實驗內容并按要求撰寫的物理實驗報告逐步形成自主實驗的基本能力。其次是分析與研究的能力。學生能夠結合實驗原理、實驗方法及相關的物理知識對所操作的實驗結果進行分析、判斷、歸納與總結。掌握通過實驗進行物理現象和物理規律研究的基本方法，形成初步的分析與研究的能力。再者是理論聯系實際的能力。學生能夠在實驗操作中發現問題、分析問題并學習解決問題的科學方法，逐步提高綜合運用所學知識和技能解決實際問題的能力。最后則是創新能力的培養。能夠完成符合規范要求的設計性、綜合性內容的實驗，進行初步的具有研究性或創新性內容的實驗，激發學生的學習主動性，逐步培養學生的創新能力。因此，“大學物理實驗”教學改革對于學生能力的培養、對于教師教學能力的提高都意義重大。

三、“大學物理實驗”教學改革策略

如何對“大學物理實驗”進行教學改革，我認為主要從以下幾個方面進行：首先，改變教育觀念。這主要是指教師要徹底轉變傳統教育觀念，要真正破除以“教師為中心”的教學理念，要讓學生主動從傳統的被動接受式學習方式轉移到自主學習、合作學習、探究學習相結合的學習方式，不能讓實驗成為只是傳授知識的工具。同時，要變教師實驗演示為學生自主實驗操作，即學生可以獨立或團隊協作進行實驗操作，在遇到問題難以解決時請教師指導，這樣有利于學生真正成為主體，積極參與課堂活動，有利于學生的獨立性、主體性和積極性的發揮。改變教學方式。傳統的教學方式是線下教學，實驗更是要線下進行實際操作，而實驗的理論講解等相關內容則不一定必須以線下形式進行，線上理論學習時間更自由，線上教學大力推廣已經使這種形式成為新型教學方式的潮流，順應現代教學理念，實現線上線下混合式教學勢在必行。使線下的教師理論講解為線上的學生慕課自主理論學習，同時使學生在課堂實驗操作的時間增長，有更多的時間進行思考、分析實驗中的問題，通過合作完成培養方案所設計的基礎性、驗證性、設計性、創新性的實驗，從而提高學生學習興趣和實際操作能力。其三，優化管理模式。對于實驗室房間數量、部分實驗儀器臺（套）數的不足限制，精心安排實驗課程，通過采取分組同時在同一間實驗室開設不同實驗，實現實驗資源優化配置，提高實驗設備的利用率，使實驗教學順利有序開展。針對本校“大學物理實驗”教學現狀，希望能探索出一條新的教育教學改革道路。

（一）融入課程思政

2018年6月，教育部部長陳寶生在新時代全國高等學校本科教育工作會議講話明確指出，加強課程思政、專業思政十分重要，要提升到中國特色高等教育制度層面來認識。高校要明確所有課程的育人要素和責任，推動每位專業課教師積極制定開展“課程思政”教學設計，做到課程門門有思政，教師人人講育人[1]。2020年6月，教育部印發了《高等學校課程思政建設指導綱要》，要求把思想政治教育貫穿人才培養體系，全面推進高校課程思政建設，發揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養質量。“大學物理實驗”作為全校通識教育必修課[2]，覆蓋面廣、受眾人數多，融入課程思政則顯得十分必要。首先組織“大學物理實驗”教學團隊教師共同討論研究并進行教學大綱的修訂，通過開學第一課，將開拓創新、探索精神、科學素養、團結合作、愛國奉獻等內容與實驗內容相結合，與實驗室安全教育一同對學生進行教育。在具體實驗操作中，根據實驗自身特點結合思政點進行教育。譬如等厚干涉實驗中，通過測量牛頓環的暗環直徑來計算曲率半徑，學生通過慕課學習等厚干涉的原理，得出關于牛頓環的結論，通過結論再結合慕課實驗中實驗操作得出的圖樣加深理解。以“牛頓環是如何產生的呢？”這樣的問題激發學生探索興趣，講述相關事例：偉人牛頓在1675年制作天文望遠鏡時，無意中發現當光通過一塊大曲率凸透鏡照射到光學平板上時，會看見在透鏡與平板接觸處出現一組彩色的同心環條紋，而在單色光的條件下，則是明暗相間的同心圓環，他智慧的頭腦沒有忽視這個發現，對這一現象進行了仔細研究，就有了著名的“牛頓環”。在實驗室中，學生們可以自己動手做實驗，觀察到牛頓環圖樣，通過對圖樣的測量，驗證了理論中的結論。學生在No.10實驗室經過教師線下指導，通過實驗驗證結論，這樣可以讓學生們切身體會到“實踐是檢驗真理的唯一標準”的唯物主義認識論和科學探索精神[3]。

（二）加入虛擬仿真實驗

虛擬仿真實驗實際上是沒有普通意義上實驗的必備器材，而是在計算機上通過仿真軟件模擬現實的效果，仿真軟件通過圖形化界面聯系理論條件與實驗過程，同時運用一定的編程達到模擬現實的效果。虛擬仿真實驗的加入使得實驗教學內容更為豐富，教學方式更為靈活[4]。虛擬仿真實驗的引入主要基于以下目的：有些實驗儀器體積比較大，價格比較昂貴，通過虛擬仿真實驗同樣可以實現實驗操作，達到實驗目的；有些實驗操作需要高溫高壓等特殊條件，具有一定的風險，通過虛擬仿真實驗能夠保證實驗安全。而對于公共大學物理實驗，引入虛擬仿真實驗主要考慮三點：一是部分實驗屬于綜合性實驗，實驗儀器的臺（套）數有限，由于實驗學生人數多，循環使用，難免出現實驗儀器損壞又無法及時修復的情況，虛擬實驗可以作為補充使用；二是由于特殊情況不能夠開展線下實驗教學的情況，譬如2020年突如而來的疫情，線下教學受到極大沖擊，教師、學生不能到校上課，為保證學生課程學習不間斷，線上虛擬仿真實驗發揮出巨大優勢；三是即便線下已開設了較全的物理實驗項目，也可引入虛擬仿真實驗，用于課前的預習、課中的比較以及課后的復習，作為線下實驗課程無法正常開展的有效補充。虛擬仿真實驗室一般情況都是在PC端實現。根據上學期虛擬仿真線上教學的實際情況反饋，少數民族學生構成的班級個人擁有計算機的比例約為三分之一，其他班級擁有的比例在七成以上。從數據上看到，還是有一部分學生無法通過自身條件完成虛擬仿真實驗課程。然而學生智能手機的擁有和使用率卻接近百分之百。為此，我們改革中的另外一項就是聯合相關公司積極開發手機端的虛擬仿真實驗App，使學生通過手機隨時隨地開展實驗，不再受計算機設備、空間場地的限制。

（三）實現線上線下混合式教學模式

本校“大學物理實驗”課程實現線上線下混合式教學模式。線上，學生主要觀看慕課視頻。要求每位學生在課前通過手機或電腦訪問慕課視頻所在學堂云平臺，分別瀏覽物理實驗的兩個慕課視頻，對實驗的原理和實驗的操作部分進行自主學習。以當下比較流行的慕課作為參照，根據培養方案和本校學生實際情況，制作了大學物理實驗的慕課視頻，視頻采用高清720p格式。每一個實驗的慕課視頻都分成實驗原理和實驗操作兩個獨立的部分。實驗原理部分介紹每一個實驗的實驗目的、實驗原理、實驗儀器、實驗數據收集及處理等；實驗操作部分由制作慕課的教師演示實驗儀器的使用、操作和測量過程。線下，學生進入實驗室后，根據慕課視頻的內容對儀器的使用方法、測量過程進一步進行了解，有不懂的地方可以再次通過手機或實驗室投影設備瀏覽學習平臺上的實驗慕課視頻。教師在“大學物理實驗”的教學過程中，不再重復性地講解實驗原理、實驗操作等部分內容，而是針對學生在儀器使用、數據測量過程中或是實驗中思考的相關問題，有針對性地線下解答或探討。由此實現一位任課教師同時給多班（實驗室）多組學生進行實驗指導，提升教學效率。對于多班（實驗室）授課的實際情況，配備研究生助教，協助授課教師進行答疑解惑和實驗室安全管理。研究生助教的配備不僅滿足“大學物理實驗”教學改革的需要，保證課程的順利開展，也給研究生的教學實習工作提供了途徑。另外，針對大學物理實驗報告也進行有效調整。大學物理實驗報告分為課前預習部分（客觀題）和課后數據采集處理（主觀題）兩部分，并通過雨課堂進行。學生課前完成預習部分的內容，學習平臺及雨課堂會直接評判，課后完成實驗報告主觀題的相應內容拍照上傳，系統會將兩部分內容自動生成一套完整實驗報告，任課教師只需通過計算機或者手機及時批改實驗報告主觀題部分，大大簡化了線下布置批改實驗報告的繁冗工作。電子版的實驗報告格式更統一、收集更方便、批改方式更多元化、存檔更節省空間、更節約成本，間接地為保護環境做出貢獻。

（四）民漢學生合組實驗

新疆是一個多民族共同居住的地區，新疆大學也是由各民族大學生共同構成。由于地區發展的差異，在教育領域實際上存在教育資源不均衡的情況，有些地區師資力量和水平還有待提高，對于教育教學質量略有影響。物理是實驗基礎學科，理論建立在實驗基礎之上。學校實驗設備資源的配置存在一定的不足，使得學生獨立思考、動手實際操作、實驗能力的基本訓練受到限制。雖然國家已經大力推行國語教育，但是部分少數民族學生使用國家通用語言的能力還有待提高，這對于學生的基礎性學習造成一定的影響。當部分少數民族學生通過努力考入大學之后，上述因素對于這部分學生后期的學習仍存在影響。這方面的改革主要是通過將實驗班級分組，讓民漢學生結成對子和小組，相互學習、相互交流，通過分組結對子的形式，在加強民族團結的同時，促進學生相互了解、相互學習、共同進步[5]。本校大學物理實驗教學改革的進行，推進了課程建設的步伐，提高了教師參與教學改革的熱情，豐富了教學模式，激發了學生實驗課程學習的興趣，真正回歸以本為本、以學生為中心的本科教育教學。

參考文獻

［1］陳寶生.堅持以本為本推進四個回歸建設中國特色、世界水平的一流本科教育[R].在新時代全國高等學校本科教育工作會議上的講話,2018-06-21.

［2］陳恒雷,吳釗峰,凌海秋,朱春花.融入“思政教育”的物理類通識教育課程建設［J］.教育教學論壇,2020(9):42-43.

［3］張英.“大學物理實驗”教學中“課程思政”的探索［J］.廣東化工,2019,46(16):189.

［4］吳若霞,劉慧萍,李玲,劉俐,陳沙,曹蓉,劉平安,張國民.建設虛擬仿真實驗平臺的意義與內容初探［J］.中國中醫藥現代遠程教育,2017,15(5):48-49.

［5］張伶,陳恒雷,朱春花.民族預科教育中基礎物理教學改革探討［J］.教育教學論壇,2020(9):155-156.

作者：李鵬 單位：新疆大學物理科學與技術學院