分层次递进式物理实验教学新模式的实践

蒋立勇 李相银 徐永祥

(南京理工大学物理实验中心,江苏南京 210094)

分层次递进式物理实验教学新模式的实践

蒋立勇 李相银 徐永祥

(南京理工大学物理实验中心,江苏南京 210094)

落实与实践大学物理实验课程基本要求,积极优化课程结构,改进物理实验课程对人才的培养模式,是培养学生实验与创新能力、保障课程培养质量的重要前提.以《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》为指导,我们提出了分层次递进式的实验课程教学新模式,经多年实践证明,该模式有利于激发学生的实验兴趣和拓展实验研究个性,满足不同层次、不同专业学生对实验能力和创新能力培养的需要,为全面提升物理实验课程在人才培养中的作用和地位发挥了积极的作用.

分层次递进式;物理实验教学;学生能力培养

新时期大学物理实验课程如何适应对人才培养目标的需要?为此,《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》(以下简称《基本要求》)在课程的地位、作用、任务与教学内容、能力培养、分层次教学等方面提出了基本要求[1],为课程体系、内容的改革与重组提供了依据,体现了大学物理实验课程的时代性、特色性及在人才的科学素质培养中应有的地位和作用.

《基本要求》中,第四部分提出了分层次教学基本要求,第五部分提出了教学模式、教学方法和实验学时的基本要求(各学校应积极创造条件,开放物理实验室,在教学时间、空间和内容上给学生较大的选择自由.为一些实验基础较为薄弱的学生开设预备性实验以保证实验课的教学质量,为有余力的学生开设提高性实验,提供延伸课内实验内容的条件,以尽可能满足各层次学生求知的需求,适应学生个性发展).

要落实《基本要求》,就需要理解分层次教学的内涵,调整课程体系、课程教学方法及课程考核方法,优化教学的时间和空间.在此基础上,提出了“分层次递进式”物理实验课程教学新模式,更好地将课内学时与课外学时有机结合,克服了传统的物理实验教学模式的不足之处,如忽视实验能力和创新精神的培养,学生实验存在效率不高和被动性实验占主导的现象.“分层次递进式”物理实验教学新模式有利于激发学生对实验的兴趣和拓展实验研究个性,满足了不同层次、不同专业学生对实验能力和创新能力培养的需要,为全面提升物理实验课程在人才培养中的作用和地位提供了重要手段.

1 分层次递进式教学模式与课程体系、内容有机结合

所谓“分层次递进式”,是指将课程体系与内容的展开“层次化”,使课程内容与教学方法的实施按由浅入深、由基础到研究的秩序进行,使课程的实施逐步“递进化”[2].分层次递进式教学模式突出了学生的主体地位,转变了教与学的关系.其特点与作用表现在:教学新模式→转变学生学习方式,加强学生自主性学习和研究性学习能力培养→体现课程教学对人才培养的新模式,重点突出学生科学素质的培养.

分层次递进式教学模式有利于促进教师由单纯教学逐步向教学与科研并重的方向发展,有利于改变优秀学生虽然对物理实验感兴趣,但缺乏必要的教学与科研有机结合的教学环境这个客观现实;有利于促进学生在整个本科阶段学习物理实验的主动性,引导学生确立自身的学习目标、拓宽知识面、掌握技能、敢于实践、敢于批判;有利于拓展学生的实验研究个性,为积极优化课程教育结构、提高实验教学质量和为学生实验技术水平提供了理论与实践依据.

以《基本要求》为指导,针对本科生自主性学习和研究性学习的特点,我们将分层次递进式教学模式与物理实验必修、选修课的教学有机结合,采用三个实验教学层次并依次展开:基础性实验→提高性实验→研究与创新性实验.

1)基础性实验,包括:①以基本实验方法、基本实验技能、实验思想训练为主的基本物理量测量的普及性实验;②以逐步培养学生自主性学习为主题的开放性基础实验(包括预备性实验、网上实验及多媒体课件实验等).

基础性物理实验难度不高,但内容丰富,建议先介绍各种常规的实验方法,再安排单元实验,每一个单元围绕一个主题,“实验方法”由一组不同的实验内容组成,引导学生由浅入深,把自主性学习能力的培养作为实验教学的重点,由简单到复杂地去解决一些实际问题.每个实验做完后提出一些“渐近讨论题”,要求学生认真学习和研究.该方法比较适合大学低年级学生实验能力的培养,有利于学生逐步克服为单纯追求实验数据而进行实验的不良方法.提倡在实验过程中培养实践思维能力、重实验过程和递进式的学习新方法.将基础性实验思维得到的概念、方法与技巧,通过“再生性思维”的实践,使之“再认识”和“再升华”,最终达到培养和提高其科学实验素质的目的.

通过基础性实验,在加强三基本训练的同时,逐步培养了学生自主学习实验内容、重视实验过程、掌握实验方法与实验技巧、解决实际问题的能力,有效地克服了学生为单纯追求实验数据而被动实验的弊端.

2)提高性实验,包括:①同一个实验中综合应用了多种实验方法和技术的“综合性实验”;②由学生按题目和设计要求自行设计方案并独立完成全过程的“设计性实验”(完成方式:课内与课外相结合).对于综合性实验的训练,以三个“结合”为核心,以逐步提高学生科学实验素质为教学目标,这三个“结合”分别是:

(1)综合性实验与现代化教学手段相结合

充分利用网络技术和多媒体教学软件,例如实验中心网站、精品课程网站等,不断丰富教学资源,拓宽教学的时间和空间,为适应学生个性化教学,提高学生科学实验素质提供良好的教育教学环境.教学过程中,根据实验的内容和性质,合理配置CCD摄像、显示系统及多媒体等手段,开展仿真实验,提高了实验内容的直观性和实验效果;与此同时,利用网络手段开展在线答疑等教学互动,拓宽了教学渠道.

(2)实验技能的训练与实验设计方法及实验技术的进展相结合

作为基础课的物理实验,其目的与作用并不是粗略地去验证理论的正确性,而是在进行综合实验方法训练的同时,培养学生科学的实验素质.在实验内容的安排上,注重实验技能训练与实验设计的原理、方法有机结合,前者突出实验技能训练,后者突出仪器整体结构设计的训练,这样的培养方法有利于学生科学实验素质的培养与提高.

在实验类型与实验内容的安排上,将综合性实验与新技术实验有机结合(在实验训练中,观摩现代技术测量仪器).原则上每个实验大类配置1～2台反映现代技术水平并与物理实验原理、方法紧密结合的仪器,例如在长度或微小量测量的物理实验中,配置了激光测距仪、数字式水准仪等;在物理光学类实验中配置了光栅光谱仪、椭圆偏振测厚仪等.通过综合性实验的训练与观摩现代技术实验仪相结合,有利于学生在实验过程中了解现代物理实验技术的发展及应用;有利于拓宽学生实验技术应用的知识面,引领学生站在新技术实验领域高度去审视实验技术发展的过程,激发学生对实验的兴趣,培养学生的实验研究个性.

(3)“递进式”课程教学模式与学生科学实验素质的培养相结合

“递进式”教学模式,有利于引导学生由浅入深,将自主性学习与研究性学习能力的培养有机结合,促进学生在实验中解决新问题的能力.现举个别教学案例供参考.案例1:关于薄膜厚度的测量.通过基础性实验的教学,使学生们掌握了劈尖干涉法;通过提高性实验的训练,使其学会了基于迈克耳孙干涉仪的白光干涉法;通过研究性实验的指导,又使其领会了椭圆偏振法.案例2:光栅的应用.在衍射光栅实验的基础上,又进一步引导学生思考能否用两块光栅常数相同的光栅构成光栅腔,去测定平板玻璃的折射率和光束相干性?总之,科学的教学方法与循序渐进的教学模式,激发了学生的求知热情,提高了学生的科学实验素质和创新意识.

为更好地实施“递进式”教学新模式,在综合性和设计性实验教学实施之前,需要预先组织编写一些典型的实验教案,对实验原理、方法和实验过程进行透彻剖析,按分层次、递进式扩展的培养思路,提炼实验构思方案,为培养学生综合实验能力奠定良好的实验教学基础,提高学生对实验方法和实验综合运用的能力,使其逐步积累在实验工程技术中广泛应用的现代物理技术,如激光技术、传感器技术、共振技术、微弱信号检测技术、纳米材料和薄膜制备技术等.

按分层次教学的流程,设计性实验是在学生完成基础实验内容后开设的.在此阶段,首先由实验室给出设计性实验题目和设计要求,然后由学生自行确定实验原理和实验方法,自己选择测量条件及配套的相关仪器及元器件,并在测量基础上给出数据处理方法,由此形成一套较为完整的实验设计方案.

在设计性实验教学过程中,为使学生更好地掌握设计性实验的原理与方法,建议每学年由教师给出相应的设计性实验项目20个左右,并按设计性实验训练的流程,提前供给学生,便于学生进行准备,如查阅文献、消化资料、展开讨论、拟订方案等,以期提高设计性实验的效率.

实践表明,通过提高性实验的学习,能够活跃学生们的物理实验思想,强化其实验设计的能力.可以说,提高性实验是一次再学习和再深化的过程.

3)研究与创新性实验

研究与创新性实验的目的,是在提高性实验基础上,通过对学生的科研基础训练,进一步提高其科学研究素质,锤炼其创新能力.训练的形式与内容主要有下述两类:

(1)组织若干个围绕基础物理实验的研究课题,以学生个体或团队形式并以科研方式训练完成的研究与创新性实验项目.

(2)结合教师科研项目,进行科研基础训练,在教师引导下,以学生个体或团队形式完成的研究与创新性实验项目.

研究与创新性实验是激发学生创新意识、培养学生科研能力的重要途径,它有利于学生在接受科研工作能力基本训练的同时,养成严肃认真、实事求是的科学作风,从而为培养高素质并具有创新精神的人才提供初步平台.

为了更好地体现物理实验课程对学生实验能力和创新能力的培养作用,进一步完善和实施创新教育思路、方法与课程结构、体系、内容的有机结合,《基本要求》已作了有关说明,建议有条件的学校在必修课程之外开设1～2门物理实验选修课,实验内容面可以宽一些,技术手段应先进一些,以满足各层次学生需要.积极创造条件,开辟学生创新实验的第二课堂,加强对学生创新意识和创新能力的培养,鼓励和支持拔尖学生脱颖而出.

学生科学实验能力和创新能力的培养,需要两个方面同时并举.作为教师,一方面,除应掌握广博的知识外,还应树立先进教育理念,探索和研究创新性人才的概念及其基本特征.如,新时期下的创新人才体现在:能够适应时代的特征与潮流,具备时代所要求的品德、智能,能够创造性地运用所学知识及所训练的技能,克服以往实验中存在的忽视实验能力和创新精神培养的不足,在学习中,善于思考、不迷信盲目,不畏惧权威、敢于提出异议.

另一方面,要培养学生的科学实验能力和创新能力,还应大力研究和探索基础研究阶段创新性人才的培养模式.针对本科生自主性和研究性学习特点,本着激发学生研究与创新性实验兴趣和拓展其实验研究个性的目标,我们提出了研究与创新性实验的指导思想,即“激发学生实验兴趣及拓展实验个性是研究与创新性实验目的,注重实验过程创新是创新性实验的原则,总结创新性实验的成败原因是创新性实验的结果”.这种指导思想的提出,目的在于培育学生勇于批判、敢于实践、善于创新的精神.

2 为配合分层次递进式教学模式,开展“三开放一优先”举措,为学生实验能力和创新精神的培养,营造开放服务的实验教育教学环境

在分层次递进式教学模式基础上,我们凝炼了一批精品实验课程和科研成果转化而来的教学研究项目(含教师在研的科研项目中的子课题),面向全校本科生以“三开放一优先”方式实施.为此,在对研究与创新性实验原理、方法和实验过程进行透彻剖析的基础上,组织编写了典型的实验教案,并按分层次递进式培养的思路,提炼出研究与创新性实验项目及构思方案,强化学习者对所学知识进行梳理、总结和升华,从零星知识到知识集成,从纸上谈兵到实际锻炼,逐步挖掘学习者的潜能,有效提升了学习者不断积累知识和技术解决新问题的能力.“三开放一优先”措施表现在:

(1)实验中心或实验室所有仪器设备面向学生开放,利用实验教学示范中心网站发布所有仪器设备名称、用途和图片等.有些仪器设备采用展板形式挂在实验走廊,展板的内容包括实验原理、用途、仪器设备的主要性能及测试参数等.在实验内容及类型设计中,注重三基本训练与科学实验素质相结合,例如将原理性实验与整体结构性实验有机结合,前者突出三基本训练的实验思想,后者突出仪器整体结构设计的训练,这种方法有利于学生实验设计能力的培养.又如,基础实验仪器与新技术设备并存,原则上每个实验大类(按力、热、电、磁、光、近代物理实验)配置 1～2 台能够反映现代技术水平和实验原理、方法紧密结合的仪器设备,通过基础性实验的训练和现代技术设备的观摩相结合,有利于学生在接受三基本训练过程中了解现代技术的发展及应用,有利于拓宽学生现代技术实验内容的知识面,引领学生站在新技术领域高度来思考物理实验的原理、方法与技术,有利于激发学生的实验兴趣、拓展学生的实验研究个性.

(2)所有开设的物理实验必修和选修课程及实验内容面向全校本科生开放.利用精品课程网站,开辟一个开放及资源丰富的网络教学环境,不断丰富课程资源,拓宽教学的时间和空间.网站主要内容包括:实验课程信息介绍,多媒体课件,仿真实验,查询,问答以及教务问题等,以适应不同层次、不同专业学生对实验能力培养的需求.

(3)教师的科研和学术思想面向学生开放.期间在硬件(科研成果引入教学)和软件(提供一些研究性与创新性实验项目,包含实验内容提示,建议研究的思路、方法等内容)上同步进行.

(4)一优先:为激励学生的学习热情和创新精神,将学生的课程创新成果优先推荐参加校、省乃至全国各类大学生创新竞赛.“三开放一优先”措施的开展,促进了课程创新教育与学生科学素质培养的有机结合.

3 分层次递进式教学模式与教材编写有机结合

配合分层次递进式教学模式,编著出版了相应的教材,为提升课程教学质量给予了保障.正如一部好戏,必须有一部好的剧本一样.教材体系及结构要适应分层次递进式教学模式的要求,教材内容要体现时代性、特色性和实用性的特点.在多年教学实践和教改的基础上,按照分层次与递进式的原则,我们编写了普通高等教育“十一五”国家级规划教材《大学物理实验》[3],它突破了传统课程教学对人才培养认识的局限性,针对本科生自主性学习和研究性学习的特点,以物理实验课程融于整个本科生培养过程为指导,将基础性实验→提高性实验→研究与创新性实验的分层次递进式内容模式为教材编写的线索,适度地将科学研究的新思路、新方法、新内容与物理实验课程有机结合,安排了一批立意高、创意新、与现代科技紧密结合且有工程应用特色的物理实验项目.

4 结束语

分层次递进式教学模式体现了学生的主体地位,转变了“教与学”关系,克服了传统课程教学模式的不足,改变了学生对物理实验课程认识的局限性,改变了优秀学生虽然对物理实验感兴趣,但缺乏必要的教学环境和训练指导的客观现实,适应了不同层次、不同专业学生对实验能力和创新能力培养的需要,为将物理实验课程融于本科生整个培养过程创造了良好的教育教学环境,为全面提升物理实验课程在人才培养中的地位发挥了重要作用.

[1] 理工科类大学物理实验课程教学基本要求.教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会,2008

[2] 李相银等.大学物理实验课程基本要求实施和完善体现时代性、特色性、实用性[J].物理与工程,2008,18(3):4～6

[3] 李相银,徐永祥,王海林等.大学物理实验[M].北京:高等教育出版社,2009

THE CONSTRUCTION AND PRACTICEOF A NEW MODEL FOR SUCCESSIVE PHYSICS EXPERIM ENT TEACHING OND IFFERENT LEVERS

Jiang L iyong L i Xiangyin Xu Yongxiang

(Physics Experiment Center of Nanjing University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210094)

It is an impo rtant p rem ise to train the student’s experimental and creative abilities as w ell as to ensure the teaching quality via fulfilling the basic requirementsof co llege physical experiment course,actively op timizing the course structure,and reforming the talent fostering mode of physical experiment course.According to the guidance of the basic requirements for physics experiment science and engineering universities teaching,we have p roposed a new model for successive physics experiment teaching on different levers.Practice during several years has p roved that this model is helpful to excite the students’interest in experiments,extend the students’individuality in experimental studies,and satisfy the training requirements of experimental and creative abilities for students w ith different levers and specialties.

different-levers and successive type;physics experiment teaching;students’ability fo rmation

2010-01-26)