全程及全员创新体验式物理实验教学改革的探索与实践

霍中生，姚列明，邬邵轶，郭袁俊，李朝霞，李业凤

（电子科技大学 物理实验中心，四川 成都 610051）

1 教改前物理实验教学存在的问题

大学物理实验是高校的核心基础实践课程，在建设创新社会的大环境下，教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会发布的2010版“理工科类大学物理实验课程教学基本要求”［1］已经明确指出，大学物理实验系列课程的具体任务不仅是培养学生的基本科学实验技能，提高学生的科学实验基本素质，使学生初步掌握实验科学的思想和方法，还要培养学生的科学思维和创新意识，使学生掌握实验研究的基本方法，提高学生的分析能力和创新能力。结合电子科技大学建设研究型大学的实际需要和社会对创新人才培养的需求［2］，在受益面大的演示、基础和综合层次引入创新能力培养的教学内容已经是刻不容缓。

电子科技大学物理实验中心是四川省高校实验教学示范中心，是校内最大的基础实验教学中心之一。物理实验中心的主要任务是面向全校低年级本科生开设“大学物理I／II”演示实验、“大学物理实验I／II”等必修基础实验课程教学（见表1）。这些课程主要强调物理知识的理解、基本实验技能和科学素质的培养，特点是基础性强、受益面大，选课学生约5 000人，年授课约30万人时。2008年以前，这些课程基本没有涉及创新思维和创新能力的培养。同时，中心也是应用物理专业实验室，承担了本专业的几门专业实践课程（见表1），特点是专业性强，创新能力培养在课程中的所占的比重大，但受益面相对狭窄。中心形成了庞大的教学受众和资源与完成少量创新能力培养受益之间的矛盾。

表1 物理实验中心开设实践课程一览表

2 在低层次实验课程中加强创新能力培养的可行性

传统的层次化教学将创新能力培养放在高层次［3－4］（见表1），或专门划分一个“创新层次”［5］，默认了低层次教学只是机械地、循序渐进地学习基本科学实验技能、提升科学实验基本素质，这其实在心理学和教育法中没有明确依据，只是教师根据传统教育的仪器设备、经验和自身知识、素养和能力限制，简单地一刀切的结果。事实上低年级本科生，甚至中学生发明创造、竞赛获奖的比例逐年提高，反证了低年级本科生有兴趣、有能力进行发明创造，如果不能在大面积基础实验课中增加创新能力培养的内容，将可能限制大多数普通学生的思维发展，使他们的创新激情得不到应有发展。考虑到大面积基础课受众巨大、可影响到全校理工科各专业学生的长远发展，所以在低层次实验课程中加强创新能力培养不仅是必要的，也是可行的［6］。

3 创新体验式教学的重要性及实施方案

根据马斯洛高峰体验学说［7］，采用体验式教学能自然激发学生的创新激情和潜能［8］，这与创新能力培养的目标不谋而合。在创新能力培养方面采取体验式教学主要体现在创新能力的评定标准上。大多数本科生，特别是低年级学生的创新能力并不高，或者说设计或研究基本达不到学术界和工程界公认的独创性或新颖性，如果以公认的独创性或新颖性作为学生创新能力的评定标准，必将吓退并挫伤大多数学生的创新积极性。创新体验式教学就是设立适合于入门和基础能力评判的多等级阶段性标准，只要对学生自己具有创新性工作的特征即可。创新体验教学以课程为载体加以恰当难度的考核，是对学生进行规模化创新能力培养的有效途径。

3.1 基于课堂的创新体验式教学

在课堂教学的封闭范围内，通过启发，学生能口头或书面回答对自身、对同学、对教材是“独创”的问题，就完成了一次创新体验。创新体验式教学实施的关键是问题的新颖性，确保所提问题及答案学生事先不知道，必须通过思考、讨论、或实验测试、归纳数据后得到答案。因此，此类问题不拟在书本中明确提出，而由教师在实验过程中在学生没有准备的情况下提出，促进学生快速、关联式思考，再适度启发学生，把握思考解题的进度和节奏，会起到很好的教学效果。由于创新的排他性，当第一个学生回答了单解问题的正确答案后，其他学生就没有机会继续这个问题的研究，所以基于课堂的创新体验式教学也可以采取卷面回答的形式，会起到好的教学效果。

3.2 基于课程的创新体验式教学

由于学生在课外查阅资料的机会很多，抄袭的机会也很多，所以研究课题的选取非常重要，必须保证研究课题的平台性、新颖性、差异性和开放性。平台性是基于课程的、规模化、高效率创新能力培养的保障手段；新颖性可以确保学生不会直接查阅到研究结果；差异性就是要求每个学生的研究方向或设计指标不一样；开放性允许学生的研究结果深浅不一，具有个性化，也可以避免同班学生之间抄袭实验报告。

4 全程化创新能力培养方案

在低层次实验课程中加强创新能力培养是可行的，但是也不能盲目乐观，毕竟扩招后本科生整体素质下降。教学规律和前期经验证明，大部分低年级学生仍然需要由浅入深、循序渐进式的温和教育才能逐步掌握所授内容，因此创新能力培养应贯穿大学全部实验教学层次，在这里称之为全程式创新能力培养。

创新能力是运用知识和理论，在科学、艺术、技术和各种实践活动领域中不断提供具有经济价值、社会价值、生态价值的新思想、新理论、新方法和新发明的能力［9］。低年级学生由于各方面的知识、经验比较缺乏，单纯培养创新能力一是空洞，二是无法与现有大面积课程相融合，所以，创新能力培养的层次化体现在与课程和实验内容的有机结合：

（1）学习层次。学习前人的创新经验。讲授经典实验在当时的科学背景下是如何被创新出来的，现有实验是如何通过创新，巧妙地解决并改进了制造、调试和测量问题。学习层次应用最广泛，可贯穿任何层次化课程的任何实验。

（2）批判性思维培养［10］层次。批判性思维是创新的动力之一，遇到任何问题都能提出问题，给出创新建议，就具有最基本的创新能力。一个高层次课题研究实验可能包含许多次批判性思维才能得到一个合理的结果［11－12］。我们规定学生对现有任何实验都要提出改进建议，使他们逐渐养成批判性思维的习惯。批判性思维的培养也可贯穿任何层次化课程的任何实验。

（3）低级创新实验层次。完成额外的创新体验式设计性实验内容。不指定参考资料，学生在课内根据现有实验条件自己提出实验方案、完成数据测试并得到实验结果。低级创新实验层次是适用于大面积教学的、面向全体学生的课程化、标准化创新能力培养方法，我们在每个实验考核中增加了15%“操作附加分”和15%的“数据处理附加分”就是鼓励学生积极完成每个实验中附加的设计性实验内容。

（4）中级创新实验层次。为基于课程的创新体验式设计或课题研究。在共性设计或研究平台下，完成个性化设计作品或研究论文。该层次的创新能力培养主要由各学院、各专业实验课程完成。应用物理专业主要是“课题研究型物理实验”。

（5）高级创新实验层次。是个性化的创新实验层次，可以应用于科技竞赛培训或任一课程层次的个性化培养，比如课程设计、毕业设计为载体的新实验研发、教学仪器设计等，不适用于大面积教学，但却是超出创新体验式教学的真正具有独创性和新颖性的创新实践。该层次的创新能力培养由各学院、各专业实验室、科研课题组完成。

5 全员化创新能力培养方案

全员式创新能力培养的目的就是利用好物理实验中心规模大、受益面宽的优势，充分发掘课程潜力，以全程式创新能力培养为主线，以创新体验式教学为抓手，既是全程式创新能力培养和创新体验式教学的必然结果，也是全程式创新能力培养和创新体验式教学的内在动力，使全校理工科学生从一年级开始就全部普及创新能力培养并贯穿始终。全员式创新能力培养要求所有任课教师和学生参与，特别是“演示层次”和“基础和综合层次”面向全校进行标准化教学，突破了过去教学改革仅限于个别教师和少数班级的小范围示范的做法，使全校理工科学生受益。

（1）教师科研化。如果教师没有科研学术背景，空谈创新是不恰当的［13］，科研使教师对创新及其背景知识有深刻的理解［14］，再加上定期的教研研讨［14］，才能胜任全员式创新能力培养。

（2）教学课程化。只有课程化教学，教师、仪器、实验室空间资源才能满足全校学生的需求，所以凡是面向全校的大面积创新实践教学都要首先考虑教学效率和教学资源的承受度问题。

（3）教材更新常态化。创新能力培养就是要突出一个“新”字，教材也不例外，基于课程的创新体验式教学用教材应每学期更新研究课题；基于课程的创新体验式教学用教材也应经常修编，不断补存科学史、发明史、创新方法，实验的扩展内容也应不断更新。

（4）仪器模块化。多年来受制于教学仪器的商品化，简单、高可靠、易维护的仪器受到厂家的追捧，结果是仪器一体化倾向明显，被形象地称之为“黑匣子”，学生既看不到仪器的结构组成，也没有机会改变参数或组件，在培养创新能力方面效果不好。必须反其道而行之，将仪器进行模块化重构，实在不能拆解的模块要做到透明化，使学生能感触到仪器的组成结构，在此基础上，才适合展开素材丰富的全员式创新能力培养。

（5）管理精细化。由于创新能力培养和考核中教师难以标准化地掌握独创性和差异性的度量，因此课程负责人的管理责任尤为重要，不仅要修订好大纲，而且教案中每个实验如何引入相应层次的创新能力培养及考核细节、实验仪器的改进等也是不可或缺的。

6 教改的实践效果

经过几年的探索实践，全程及全员创新体验式大学物理实验系列课程教学改革，已经在物理实验中心开设的全部实践课程中展开教学实践，最大的受益者是全校一、二年级的理工科学生，这正是我们的预期目的。目前，同名教改项目获得学生、教师和学校的一致好评，被评为2011年校级教学成果一等奖并推荐四川省教学成果奖。具体成效如下：

（1）演示实验课堂化。改变以往只在实验室做演示实验，且只有英才班、双语班选课的情况，从2009年起，演示实验逐步走进大学物理课堂，受益面从原来的每学期约200人激增到目前的约2 300人，创新体验明显，受到广大学生欢迎，目前正在扩充实验仪器，争取所有理论课堂开设演示实验。

（2）大物实验差异化。作为教改最重要的主体，“大学物理实验I／II”逐步增加了创新能力培养的比重，改变了以往教材细致、详尽、内容千篇一律，将基本物理实验和经典性实验原理写入教材，而将具体实验内容、方法、要求写入教学指导书，并将实验内容分成必做和选做2部分，选做内容不再提供实验方法或只写简单的方法提示。指导书坚持每学期修编，确保内容的新颖性。通过专题讨论会等形式，不间断地对每一个实验进行探讨，挖掘创新点，总结成系列问题，进行启发式、创新体验式教学，取得了良好的教学效果。在考核方面，每个实验增加了基于创新内容的附加分，操作（满分40分）附加分6分、数据处理（满分40分）附加分6分，极大地激发了学生课内、课外创新的积极性，课程成绩稳步提升，到课率近100%，是全校到课率最高的课程之一。全校学生对教师的评价平均达到优秀，其中2012年全年平均90.22分，90分以上教师的比例达到67%。

（3）科技活动常态化［15］。创新体验已经深入进行，一、二年级本科生进入实验室改进仪器、开发新实验，经常性利用演示和普通物理实验平台开展各种竞赛培训。2012年在中心参加的科技创新培训14项，教研项目4项，参与学生人数达49人；2012年组织CPUT校内选拔赛培训57个参赛队共162人，最终我校队取得了全国总评第3名的好成绩（特等奖2名，一等奖第1名）。

（4）仪器研发共同化。创新带动了教师、学生共同参与研发新实验、新仪器的积极性，先后研发26种教学仪器，其中获全国演示仪器评比二等奖1项、全国教学仪器评比三等奖1项，学生参与新实验研发5项。

（5）师资队伍优质化。创新打破了教学和科研的界限，提升了教师将科研应用于教学的积极性，也稳定了教学队伍，提高了教学质量。目前任课教师中参与科研的有10人，带领学生课外科技创新的8人，校级优秀主讲教师3人，校级优秀青年教师4人。

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［1］教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会.理工科类大学物理课程教学基本要求 理工科类大学物理实验课程教学基本要求［M］.北京：高等教育出版社，2011：10－12.

［2］电子科技大学.特色研究型大学培养拔尖创新人才的实践和探索［EB／OL］.（2012－03－21）［2013－07－12］.http：／／www.moe.edu.cn／publicfiles／business／htmlfiles／moe／s6339／201203／132827.html.

［3］左安友，朱瑜，邹明.构建层次化教学体系，培养学生创新能力：我院物理实验教学改革的实际与成效［J］.咸宁学院学报，2003，23（6）：94－95.

［4］马黎君.大学物理实验层次化教学体系与实验室开放的研究与实践［J］.中国现代教育装备，2011（11）：68－69.

［5］苏学军，张立春，张勇.设计性实验在“大学物理实验”课程中的设置与评价［J］.实验技术与管理，2010，27（5）：137－139.

［6］孙英，蒋耀庭.开展“课题式研究”，培养低年级本科生创新能力［J］.高等工程教育研究，2007（4）：130－133.

［7］李晓飞.“高峰体验”与青少年创造力的培养［J］.山西师大学报：社会科学版，2011，38（9）：147－149.

［8］朱海花，郭朝勇，李宝峰，等.体验式创新教学的研究及教学实践［C］／／2010Third International Conference on Education Technology and Training（ETT）（Volume 6）.Hubei：Hubei University of Technology，2010：24－27.

［9］张国良，陈宏民.关于组织创新性与创新能力的定义、度量及概念框架［J］.研究与发展管理，2007，19（1）：42－49.

［10］罗清旭.论大学生批判性思维的培养［J］.清华大学教育研究，2000（4）：81－85.

［11］姚文清.构建新型物理教学文化，培养学生批判性思维［J］.哈尔滨学院学报：教育，2003，24（12）：122－126.

［12］李湘健，徐少亚，顾德雯.高校创新人才培养质量的影响因素及其思考［J］.大学教育科学，2004（3）：30－33.

［13］姚列明，霍中生，祖小涛.将科研项目引入大学物理实验的尝试［J］.实验技术与管理，2009，26（6）：12－14.

［14］汪锋.构建研究型大学的教学科研互动机制［J］.中国高等教育，2011（6）：61－62.

［15］姚列明，霍中生，李业凤.研究性物理实验教学与创新型人才培养［J］.实验室研究与探索，2011，30（3）：124－126.