基于创新实践能力培养的物理实验教学改革

2018-04-11冯元新叶高翔李祖樟许森东

实验室研究与探索 2018年2期

冯元新，　叶高翔，　李祖樟，　许森东

(浙江科技学院理学院，杭州 310023)

0　引　言

近年来，各高校都在积极地探索创新人才的培养模式，为培养创新人才在教学方面都采取了一些有效的改革措施，对于理工科为主的学校，培养学生的创新实践能力而言，实验教学是最基础、最重要的组成部分[1-2]。作为大学学习阶段第一门系统的物理实验课来说，困难与机遇并存。困难在于物理实验学时、场地、经费大幅度减少，同时学生数有增无减，学生人均实验资源与师资都出现较大幅度下降。但同时学校与各级教育部门出台各类创新奖励政策与创新平台，鼓励师生大胆创新，为敢于创新的学生提供资金与机遇。为解决在有限学时内既要完成教学任务规定的实验内容，又要培养学生的创新实践能力，需要利用“互联网+”新一代的信息技术将物理实验课程中的“教”与“学”活动与互联网紧密结合起来[3]，同时对物理实验课前、课堂中、课后的教学方式进行改革，建立大学生创新实践能力个性化培养体系。在分析了大学物理实验教学现状及其普遍存在的问题的基础上，为有效提高教学效果和提升学生的创新实践能力，提出了物理实验课堂教学改革体系流程(见图1)。

图1基于创新实践能力培养的物理实验教学改革流程

1　课前采用“翻转课堂”教学模式与开放创新实验室相结合

1.1　引入“翻转课堂”教学模式重要性

“翻转课堂”教学模型的特点是学生在课堂时间之外观看实验理论知识讲解与实验演示视频，完成知识传授过程；课堂时间内同学与老师探讨互动，深化对物理原理、实验设计方法等内容的理解，从而完成知识的内化过程[4]。翻转课堂的第二个核心特点是在课堂中减少教师的讲授时间，留给学生与老师更多的互动时间。将原先课堂讲授的内容转移到课下，在完成基本教学内容的基础上，增强课堂中师生的交互性，提高与拓展学生对于知识点的理解程度[5]。

翻转课堂教学视频主要为：① 必修实验项目的仪器调节过程、实验现象、操作注意事项等内容，并且配有中文讲解与中英文字幕，每个视频一般不超过5 min，视频分为力学、光学、电学三大类；② 收集到与物理相关的演示实验，如失重状态下的陀螺旋转、锥体上滚、范德格拉夫起电机(高压静电装置)、特斯拉线圈等趣味实验，拓展与启发学生实验兴趣。连同电子教案等教学资源上传至“大学物理实验教学”网站，学生可以预习各种常用仪器的操作方法、注意事项以及常见问题等。这样教师就能够省去课堂上的多次重复讲解，提高教学效率与教学效果。学生输入姓名与学号后才能观看视频，网站同时记录下学生信息，便于检查学生预习情况。

1.2　创新实验室的建设与管理

“翻转课堂”教学只是教学环节的初级阶段，是浅层学习阶段，处于认知的初级阶段，它缺乏与同学和教师直接交流，对于物理实验来说，更加缺乏对实验仪器的感性认识，因此只有与开放创新实验室相结合，才能弥补“翻转课堂”教学不能提供实践操作的局限性，帮助学生实现深度学习[4-5]。

创新实验室开放的目的：① 便于学生完成“翻转课堂”教学后，提供物理实验预习的场所和仪器；② 为不同专业的学生个人或团队提出的具有创意的研究性、设计性实践项目提供实践平台和交流机会[6]。

3个创新实验室由基本实验操作区、自主实验研究设计区、作品存放展示区三部分组成。实验操作区配置基本实验的相关仪器1～2套，便于观看过实验操作演示视频的同学进行实际操作；自主实验研究设计区配置常用测量工具与挂式磁性写字板，方便同学设计制作与相互交流讨论；作品存放展示区配置玻璃柜柜台用于存放同学设计与制作的半成品和历届学生在学科竞赛中获奖作品与模型。实验室每周一至周五实行全天候开放，在专职教师的负责下学生自主运行管理，由应用物理专业的学生社队维持和保障实验室的日常运行，既解决了当前高校实验师资短缺的问题，又激发了学生的主体责任感、培养了学生的管理能力。同时实验室安装监控摄像与消防措施以保障创新实验室的运行安全。

2　增设研究型、设计制作型实验项目

2.1　拓展物理实验教学内容的广度与深度

原有的传统教学模式由于课时紧张，实验项目较多，学生忙于被动式的调节仪器、测量数据，把精力只放在尽快获得实验数据上，而很少思考实验设计的深层次原因和实验间的关联性，因此很难激发学生实验的主动性与创新性[7]。

“翻转课堂”教学模式的引入，以及创新物理实验室的开放，有利于学生对实验内容与实验仪器内部结构、工作原理的了解，也有利于对仪器设备的保护、减少实验误差、缩短课内实验时间[8]。在2个学期内分别对2个班级，约60名同学在不同教学模式下实验主要情况进行对比(见表1)：

表1　不同教学模式下实验情况的对比

从表1可明显看出，“翻转课堂”教学模式的引入，以及创新实验室的开放，不仅减少了课内教师的讲授时间，也提高了学生实验数据的准确率，使得有更多的课堂教学时间用于进一步的深入研讨。在完成规定实验教学任务的同时，教师可以根据实际情况提出思考题引导与启发学生的思考与解决问题的能力，从而逐步丰富与拓展教学内容的广度和深度。如在拉脱法测量液体表面张力系数实验中，一方面可以介绍毛细管升降法、液滴法、水波频闪法等其它测量方法，另一方面可以进一步让学生通过实验探究液体表面张力系数随温度和洗洁精溶度的关系。鼓励与培养学生课后查阅文献资料、分析问题的能力，同时也会促使一部分学生自发的再次进入创新物理实验室进行有研究目的实验探索。

（1）分体布置。这种布置形式湿式电除尘器与FGD的吸收塔相对独立，需要有额外的场地，可以采用卧式或立式结构，便于安装和运行维护，同时布置方式也更为灵活。

2.2　研究型、设计制作型实验项目的来源与更新

所谓研究型、设计制作型实验，是指让学生运用相关的物理原理，根据实验项目查阅参考文献资料、设计实验方案、认证方案的可行性、利用实验室设备和购买实验材料，进行研究讨论和制作实物模型，在规定的时间内完成的制作，对研究结果或制作模型进行系统分析和测试，写出完整的研究设计报告, 从而让学生经历一次科学实验过程的基本训练[9-10]。

此类实验项目可由教师根据相关物理原理的应用与实践问题进行命题，如太空垃圾的回收处理、地球板块的漂移速率、测量地磁场大小、回旋镖的原理与制作等。也可根据教师科研项目和学生的专业方向、研究兴趣、实践生活中遇到的问题自拟创新实验课题[11]。如快速判断排球触网犯规装置的设计、振动除雪装置、自动感应防雨棚及接触角法新型液体表面张力系数测试仪、分光计读数改进装置等。当然，此类实验项目必须不断推陈出新，要不断反映当前各种科研和教学活动的新成果，每年要淘汰旧实验，充实新内容，增加新内容的趣味性、先进性和创新性[12-13]。

2.3　研究型、设计制作型实验项目的分析与实施

在物理实验开课时，列出研究型与设计制作型实验项目清单供班级同学选择，每组同学不超过3人，也可让同学在2周时间内自主命题，报批教师。教师负责审查学生的设计方案，纠正学生在设计方案中的错误，并依据实验操作条件对方案进行合理修改，使学生的实验方案具有合理性和可操作性。在教学中，穿插优秀成功的实验项目案例进行点评，启发与引导学生。课程中期每队同学根据研究进展相互交流总结，对遇到的困难与解决办法进行分享与讨论，期末完成研究报告或实物模型，同学间相互评分，并计入课程考核系统。若不同专业班级的同学选择了同一研究型实验项目，可由教师安排进行集中会面，探讨实验方案与可行性，一起完成项目或组队申报各类科技创新竞赛。在完成此类实验项目的过程中，不仅提高了学生学习的积极性和主动性，同时也提高了学生查阅资料、实验操作、交流协作等各方面能力，还能激发学生的创造性思维，更为今后的专业实验、各类学科竞赛，甚至毕业后的研究工作打下良好的基础。

3　引导学生申报项目、专利和参加各类科技创新竞赛活动

大学生科研训练计划(SRTP)的申报过程，对学生来说就是一个研究性、设计制作型实验的分析、认证和实施的完整过程，申请表中涉及项目的意义、现状分析、研究方案、实施计划、可行性分析、项目条件和创新之处等内容，对于项目负责人来说需要组建团队、寻求指导教师、调查研究和团队交流协作等各方面能力。项目立项后需要购买材料制作、调试、改进、撰写论文、申请专利和结题答辩等一系列过程。因此，在物理实验教学过程中，引导学生进行研究性、设计制作型实验对项目的申报是一个必不可少的锻炼过程[14]。

在教学过程中，向同学介绍宣传不同级别的竞赛平台与奖励政策，鼓励学生申报科技创新项目；同时，也介绍分析历届科技创新竞赛中的优秀作品，开拓视野，启发思路。目前对于在校学生来说，有三大层次的科研训练计划申请平台：① 量大面广的校级大学生科研训练计划；② 省级大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)；③ 国家级大学生创新创业训练计划。

学生在教师指导下独立地选定问题或自主命题，对课题进行可行性分析，设计并完成实验方案，最后形成研究报告或制作出实物模型，让学生体验到一个从发现问题分析问题到解决问题的全过程，注重学生在过程当中得到综合训练[15]。

经过近2年的物理实验教学改革，每个教学班至少有一队同学的设计制作型实验项目成功申报了校级“春萌”计划项目，个别团队进入了省大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)，更有优秀的团队自主开发的快速判断排球触网犯规装置入围大学生国家创新训练计划。不仅如此，在“挑战杯”、大学生机械创新设计大赛、大学生机器人大赛、大学生数学建模竞赛等创新竞赛活动中总能看见这些优秀团队同学的身影，这与他们在物理实验教学过程中打下的良好基础是分不开的。实践证明，各类学科竞赛是培养学生创新实践能力的有效手段，开展课外科技竞赛能够有效评价大学生的创新实践能力。通过对优秀项目进一步深入培育，评选出优秀作品参与各类学科创新竞赛，有利于扩大物理科技创新基地的影响力，提高广大学生参与创新实验项目的积极性，并促进创新实验成果的推广[16]。

4　结　语

室相结合的举措，教学时间得以延伸，使得课内师生有更多的时间进行探讨交流，并且教学内容也得以丰富与拓展。同时围绕开展研究性、设计制作型实验项目，逐步培养与训练学生个体科技创新实践能力，激发学生创新思维与实验兴趣。近2年来，对2014级和2015级的3个不同专业班级约90名同学的物理实验课程教学模式进行了改革，取得的成绩如表2所示。