大学物理实验分层次教学模式的探索与实践

王世燕 袁顺东 张亚萍

(中国石油大学(华东)理学院,山东 青岛 266580)

大学物理实验分层次教学模式的探索与实践

王世燕 袁顺东 张亚萍

(中国石油大学(华东)理学院,山东 青岛 266580)

为促进大学物理实验在培养学生实践能力及创新能力等方面的作用,本文对大学物理实验的分层次教学模式进行了探索和实践。以分光计实验为例，在深入挖掘实验内涵的基础上对实验内容进行了模块划分，具体包含基础模块、专业模块及创新模块3个部分，结合学生专业及个人能力进行分层次教学，将自主学习的方式贯穿于整个实验过程。经实践证明，针对具体实验项目实施分层次教学有利于激发学生的实验兴趣，满足不同专业、不同层次学生对实验能力和创新能力培养的需求,有助于创新型人才的培养。

分层次教学；分光计；创新能力

高等教育以创新教育为核心,以培养学生的创新精神和创新能力为基本价值取向,是培养创新人才的教育[1]。大学物理实验是教育部确立的大学理工科专业6门基础必修课之一，是学生进入大学阶段后接触的第一门基础性实验课程。在培养新型人才的过程中，物理实验教学不仅是学生掌握基础知识和基本技能的重要方式，也是培养学生创新能力的重要途径。

然而近几年来，大学物理实验教学正面临着严峻的考验：首先，由于高等学校招生规模的不断扩大，生源的知识水平参差不齐；其次，出于种种原因，大学物理实验教学学时不断地被压缩，这迫使对有些重要的基本概念和基本规律只能直接传授给学生，至于其如何产生、如何引入等启发性内容缺乏时间介绍；第三，素质教育对大学物理实验教学提出了更新更高的要求，一个好的实验项目除自身所具有丰富的实验内涵外，还应对学生的专业素养、创新能力起到良好的指导作用[2]。因此，改革实验教学模式、合理设计教学体系十分必要。

1 大学物理实验分层次教学的意义

近年来，随着大学物理实验教学的长足发展，分层次实验教学已获得普遍共识并被许多高校所采用。分层次教学包含两个层面的内涵，一方面依据实验项目的难易程度进行整合划分，包括基础性实验、综合性实验、设计与研究性实验[3,4]等。其中基础性实验教学重点在于加深学生对理论知识的掌握，培养学生的基本实验技能,包括实验态度、操作方法等；综合设计性实验侧重于强化专业操作技能，培养学生运用所学知识分析和解决实际问题的能力，进而提升实验兴趣和创新意识；设计与研究性实验旨在培养学生的创新意识和科研精神。另一方面，对某一实验项目按照由浅入深、循序渐进的教学方式进行通识教育和精英培训也是分层次教学的体现。 例如周小岩[5]等对太阳能电池精品实验项目构建了3个阶段培养体系,按照循序渐进的方式设计教学内容和教学方式,将学生创新能力的培养有序地贯穿于整个精品实验过程。盛力[6]等通过增加实验元素、提升实验形式等方式对传统的水处理实验项目“混凝实验”进行了分层次教学尝试，这些成功的教案都为物理实验教学提供了借鉴和经验。

2 立足培养目标，针对具体实验项目实施分层次教学

2012年，中国石油大学(华东)在广泛开展校内外调研和系统总结办学经验的基础上，提出“三三三”本科教育培养体系，即办学定位的三型(精英型教育、特色型教育、研究型教育)、培养目标的三化(全面化成长、个性化成长、最大化成长)、教学方式的三性(学习性教学、研究型学习、开放性交流)[7]。在该思想的指导下，我校物理实验中心(以下简称“中心”)在系列课程建设、教学模式优化及考核机制等方面作出了积极的探索和实践[8-11]。作为课程建设的重要组成部分，分光计实验教学一直受到“中心”的高度重视，为促进创新人才的培养，“中心”对分光计的分层次教学模式进行了探索与实践。

分光计实验的授课对象是全校理工科学生，受专业影响，学生的知识层次有所差异且授课学时也不同，其中工科“大学物理实验”授课时间为3个学时，理科“普通物理实验”及实验班“基础物理实验”授课时间均为4个学时。原实验项目未采用分专业授课，其教学内容及教学方法区分不大，学生往往机械地照搬书本内容，并未对实验有更深入的思考，不利于学生创新意识的培养。鉴于此，教学团队将分光计实验项目划分为3个教学模块。第一模块为衍射光栅光谱特性研究；第二模块为光的色散特性研究；第三模块为设计实验,针对不同专业的学生采用不同的教学模块，如图1所示。

图1 分光计实验教学体系示意图

2.1 夯实基础，培养基本实验技能

基础物理实验内容是研究型教学的载体，包含2个层次的基本任务: 首先是使学生掌握基本的科学实验技能 (包括思想、方法及规范)及常规仪器的使用；其次是通过多次独立完成实验的锻炼, 逐步提高学生分析问题与解决问题的能力,进而提高其创新能力[12]。

模块1为基础实验内容，主要针对工科专业学生开展，重点在基础知识的掌握和基本技能的培养。在基本实验方法训练中，掌握用实验开展问题研究的思路和方法。该部分内容主要采用教师讲解的方式，通过增加衍射光栅、扩充实验光源等方法开阔学生视野，丰富实验内容，如图2所示为不同规格的光栅衍射图像，可以明显地看到衍射条纹的疏密变化。实验过程中首先要求直观地观察衍射图像，然后掌握理论进行相关计算。培养方案如图3所示。

图2 不同常数光栅衍射图像

图3 衍射光栅光谱特性研究培养方案示意图

模块2对光路的调节要求较高，数据处理相对繁琐，主要针对理科及实验班学生开展。实验授课采用教师为主导、学生为主体的教学方法，重点在强化实验理论和操作技能上，调动学生的主动性与实验兴趣，比如学生在研究三棱镜的色散光谱时会考虑到单一光源及复色光源的区别，用实验方法验证了同一种材料对不同波长的光折射率不相同的结论，培养了学生的自主学习能力、综合实验能力、数据处理及图像分析能力等。培养方案具体要求如图4所示。

图4 光的色散特性研究培养方案示意图

2.2 拓展实验设计，培养学生创新技能

实验内容的改革创新是激发学生实验兴趣、培养创新人才的重要途径[13,14]。该过程主要以研究课题的形式训练学生的综合能力，包括课题的可行性分析、自主设计、仪器改进等，全面培养学生的综合实验能力。

通过模块1、2的训练，选拔具有较高实验操作能力的学生进入模块3的创新训练中，如图5所示。该部分内容由指导教师以研究型课题的方式提出实验设计的内容。实验过程中学生以2～3人为一个研究小组，从研究课题的可行性分析、到实验光路的搭建、实验仪器的设计以及实验结果的分析均以小组讨论的方式进行。在讨论的过程中，激发学生积极思考、主动学习的能力，同时锻炼和提升学生的创新意识。例如在研究光的偏振特性过程中，学生发现利用光纤实验中的光电转换器通过功率计可以准确地找到反射光线的最弱位置；在液晶光栅衍射特性的研究中，学生将分光计运用到液晶光栅衍射角的测量中，使原来对于液晶光栅尺寸的估算变得科学准确，这既提高了实验仪器的利用率，又加强了各实验间的相互联系；在液体折射率测量的过程中，学生发现使用长方形液体容器无法观测到折射光线，进而通过理论计算设计出合适的容器进行实验，最后得到了满意的实验结果，如图6所示。

图5 分光计设计性实验示意图

图6 利用分光计测量透明液体的折射率

2.3 实验考核模式

实验考核办法是学生实验的指挥棒，正确合理的考核办法能在规范学生实验过程、激发学生实验兴趣、提高学生实验能力等方面发挥重要作用[15]。根据培养目标的不同，实验考核采用多元化的考核体系。工科专业学生主要采用三段式考核模式,其中预习报告占20%,课堂操作占40%,实验报告40%。 预习和课堂操作成绩直接由任课教师在教学过程中给出，其中课堂操作成绩包括实验仪器的规范调整、实验数据的准确测量等。实验报告要求在一周内提交，内容包含实验数据的整理和结果分析。理科专业学生要求以创新大作业的方式提交课程论文，包含实验过程、实验问题的讨论、实验心得体会和PPT答辩。研究型课题的考核包含文献调研、开题、实验过程、结果分析和PPT答辩。答辩评委由教授、任课教师、指导教师等组成，在这一过程中学生的科研思维得到锻炼，有利于人才的后续培养。

3 结语

本文对分光计实验的分层次教学进行了探索和实践。根据学生专业采用不同的培养目标，同时以研究课题的形式培养学生的创新意识和综合实验能力。该教学模式自运行以来已取得不错的教学效果，基于该项目已指导学生发表论文数篇[16,17]，且项目的部分成果在2015年度山东省物理科技创新大赛上获得一等奖。由此可见，深挖实验内涵，提升教学方式是实现传统实验项目培养创新人才的重要途径。

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EXPLORATION AND PRACTICE OF HIERARCHICAL TEACHING MODE IN COLLEGE PHYSICS EXPERIMENT

Wang Shiyan Yuan Shundong Zhang Yaping

(College of Science, China University of Petroleum, Qingdao Shandong 266580)

In order to promote the function of college physics experiment in cultivating students’ practical ability and innovation ability, the hierarchical teaching mode in college physics experiment is explored and practiced. Taken the spectrometer experiment as an example, by excavating the contents inside, the experiment contents are divided into three modules, including basic module、professional module and innovation module. These modules are taught to students according to their majors and personal ability, and the autonomous learning method is carried throughout the whole process. Practice has proved that the hierarchical teaching mode for specific experiment is helpful to excite the students’ interest in experiments, satisfy the training requirements of experimental and creative abilities for students with different levers and specialties, and it is helpful to cultivate innovative talents.

hierarchical teaching; spectrometer; innovation ability

2016-09-01

山东省自然科学基金(J1510114)；教育部大学物理课程教指委立项教学研究项目(DWJZW201603hd)中国石油大学(华东)精品实验教学项目(JS201608)；中国石油大学(华东)重点教改项目(JYA201616)。

王世燕，女，实验师，主要从事大学物理实验管理及教学科研工作,wangshiyan@upc.edu.cn。

王世燕，袁顺东，张亚萍. 大学物理实验分层次教学模式的探索与实践[J]. 物理与工程，2017，27(2)：47-50,55.