国家级物理实验教学示范中心教学方法改革实践与探索

袁吉仁， 韩道福， 邓新华， 胡 萍， 黄伟军， 何喜玲

(1. 南昌大学 物理国家级实验教学示范中心， 南昌 330031； 2. 江西南昌供电公司， 南昌 330006)

0 引 言

2018年10月，教育部发布了“新时代高教40条”[1]，其中强调要“以学生发展为中心，通过教学改革促进学习革命……，因课制宜选择课堂教学方式方法，科学设计课堂考核内容和方式，不断提高课堂教学质量。积极引导学生自我管理、主动学习，激发求知欲望，提高学习效率，提升自主学习能力。……推动形成‘互联网+高等教育’新形态，以现代信息技术推动高等教育质量提升的‘变轨超车’”。

近年来，我校物理实验教学中心采取了一系列的有关教学方式方法的改革举措，采用“以学生为中心”的教学模式来设计讨论式及个性化教学方式，推行大课程实验教学以建立基于网络支撑的全面开放教学，推行学生自主实验教学来增强学生的探索和实践能力，实验考核将口头报告占据实验成绩一定比重等。这些改革措施十分契合新时代形势下教育部的部署指引，实践证明这些改革措施都取得了良好的效果，可供同类地方综合性高校参考。

1 中心整体教学改革规划

1.1 物理实验教学示范中心简介

我校是一所隶属于江西省的具有区域特色的地方综合性大学，是国家“211”工程重点建设高校，是国家“双一流”计划世界一流学科建设高校。物理实验教学中心是在1993年由原江西大学物理系普通物理、专业物理、近代物理实验室和江西工业大学基础课部大学物理实验室共同组建而成。2004年，大学物理实验课程被评为江西省精品课程。2005年，物理实验教学中心被评为江西省首批省级实验教学示范中心。2011年，大学物理实验被评为江西省示范性网络精品课程。2015年，物理实验教学中心被教育部评为国家级实验教学示范中心。

物理实验教学中心面向全校5 000多名理、工、医科本科生开设大学物理实验公共基础实验课，为物理系开设普通物理实验、近代物理实验课程，承担全校创新实践课程和大学生科技创新等活动。

1.2 中心教学定位

(1) 教学功能定位。以本科实验教学为中心，服务于全校理、工、医科及部分文科学生的基础能力训练、科学素质培养和创新创业能力提高，确保高质量教学的实验教学中心。

(2) 面向发展定位。以大学生创新实践能力培养为目标，联合校内外共享资源协同育人，立足江西、服务中西部地区经济建设，培养高水平拔尖创新人才的实践教学公共平台。

1.3 改革教学理念

作为一所地方高水平综合性大学，学校学科门类繁多，人才培养特别是创新实践型人才培养的任务十分繁重，责任重大。实验中心基于综合性大学的创新实践人才培养的目标和任务，确立了重基础、提质量、求创新、促拔尖的教学理念，构建物理素养教育、拔尖人才培养和创新创业实践三大教学平台，用信息化手段支撑实验开放、资源共享和教学全过程规范化管理，提高教学质量，重视实践教学、实践能力和创新精神的培养；对专业领域的优秀学生，采取因材施教，设置专门的课程体系，重点培养，塑造拔尖创新人才，形成拔尖创新人才的良好氛围；同时联合校内工程中心和校外相关行业企业协同育人，组织学生进行工程训练和社会实践，增强学生的社会责任感和创新精神，提高创新创业能力。

1.4 构建新的教学体系

为了适应创新实践人才培养的需要，达到以基础能力训练、拔尖创新培养和创新创业实践多位一体的培养目标，实验中心构建了“1条主线、3个平台、5类教学、全面开放”的实践教学体系[2]，面向全校理、工、医科及特色实验班开设实验课程，同时为全省中小学提供科学普及、实验培训和实验竞赛，为区域内部分兄弟院校提供实验教学服务，为校外有关企事业单位提供技术咨询和技术服务。其中，1条主线是指以大学生创新实践能力培养为主线；3个平台包括物理素养教育、拔尖人才培养和创新创业实践三大平台；5类教学是指物理通识教育、基础实验教学、专业实验教学、科研训练、创新创业实践；全面开放即依托实验教学过程化管理系统，实现实验教学开放、教学仪器资源共享、教学全过程规范化管理，提高教学质量。

2 改革教学方式方法

教学方式方法的改革旨在调动学生对实验课程的兴趣，培养学生科学、严谨的实验习惯，提高实验教学效果。中心为了实现创新人才培养目标，在教学中创新使用多种现代化教学方法，积极开发综合性、设计性、创新性实验项目。重点实行以学生为本的基于问题、项目、案例的互动式、研讨式教学和自主、合作探究的学习方式。注重基础与前沿、经典与现代相结合，虚拟仿真与真实体验相结合，基本规范养成、基础能力训练与培养相结合，促进学生多样化成才[3]。

2.1 采用以学生为中心的教学模式

实验课堂教学方法以启发式、讨论式为主，由重结果转变为重过程，课堂讲解和课堂讨论相结合，集中讲解和个别指导相结合。课堂讲解注重传授实验原理和实验设计思想形成的思维分析过程，强化思维方法和科学实验方法的训练，提高分析问题能力。课堂讨论充分调动学生的主动性，注重学生的开放思维过程，培养学生的创新意识、兴趣和热情，提高学生发现问题和解决问题的能力。指导教师通过课前讲解、现场指导、课后总结点评及启发学生参与讨论，帮助学生沟通所学理论与实验的关系，领会每个实验的设计思想和目的，起到融会贯通、举一反三的教学效果。教学中注重因材施教，发展学生个性，激发学生的创新潜能，根据不同学生，进行个性化教学。

2.2 建立基于网络支撑的全面开放教学

中心每年承担全校理、工、医学科及部分文科专业学生的实践教学，仅基础实验教学每年服务5 000多名学生，承担的教学人时数就到达30万人时，教学任务繁重，教学组织运行难度大。为了充分利用教学资源、实现仪器资源共享，达到基础实验人手1套仪器，提高教学效果和人才培养质量，近年来，实验中心进行教学改革，推行大课程实验教学，将基础实验教学的7门实验课程整合成由基础训练实验、提高性实验和综合设计性实验3个层次实验项目组成的一门大课程。以此为基础，实验中心开发建设实验教学网络管理系统和相关的网络教学资源，支持全校学生开放选课，实现实验教学全面开放。通过开放教学，满足不同学科学生的实验需求，满足不同层次能力的培养要求，学生根据自身能力达到的不同阶段，自主选择各层次实验项目，达到能力培养目标。

2.3 开发综合性、设计性、创新性实验项目

在教师多年科研和教学的基础上，提炼开发新的实验项目，如：激光自混合速度传感实验[4]、基于Labview的示波器原理、示波器电容电感测量、大视场数字等厚干涉仪、全息光栅制作[5]、声波衰减系数测量、模拟人体心向量图[6]、阻抗心功能仪[7-8]、模拟人眼成像及非正视眼的矫正等新实验。教师研发的新实验项目，多采用自制或改造的实验仪器，采用仪器部件组合方式，要求学生根据实验的不同要求，将各部件自行搭建成完整的实验系统，有利于动手能力和综合能力的提高以及创新能力的培养[9]。

研制开发的新实验项目改善了物理实验的教学装备，丰富了实验项目，同时通过实验项目的开发、仪器的研制和更新改造提高了中心人员研究开发水平和创新能力，增强了中心自身可持续发展的能力[10]。

学生参与新实验项目开发，极大地提高了学生的实验兴趣，激发了创新的活力。如：实验中心自主研发的阻抗心功能仪实验，设计电路测量人体心电阻抗，编写软件进行信号采集和数据处理，得出心功能数据。该实验将物理实验方法应用到临床检测，拓宽了大学物理实验的范畴，丰富了大学物理实验的内涵，既可以达到理工科学生的创新实践的目的，又可满足医科学生的实验要求。

中心同时向全校学生开设了创新科研学分课程(实验模块类课程)。实验模块类创新学分课程的教学内容以创新性、综合性、设计性实验为主，同时结合实验教师的科研课题。中心开设的实践类创新科研学分课程以实践环节(>3/4)指导为主，课程讲授(<1/4)为辅。实验模块课程负责人原则上应具有副教授及以上职称(含博士学历讲师职称)。学生参与研究创新型实验，成绩合格者可获得2个创新科研学分。实验教师可结合学生发表的论文、获得专利等成果评定其研究创新型实验的总成绩。

2.4 开发虚拟仿真实验和实验考试自动评测系统

近年来，中心建设了虚拟仿真物理实验室，通过交流引进的方式，建成了包括力、热、电、光、磁、近代物理等30多个实验项目，如迈克尔逊干涉仪实验、示波器、多用表改装等实验，拥有可容纳150人同时实验的虚拟仿真实验室及独立的服务器。学生通过中心门户网站首页，进入虚拟仿真实验室，在网上进行实验操作，系统自动记录实验数据，完成后学生可进行数据处理及实验报告的撰写。

利用虚拟仿真实验，学生可课前进行预习和实验操作，建立对实验的直观认识。仿真实验系统自动记录每位学生的实验情况，自动评分并指出操作错误，学生可掌握实验的基本内容、知识和要点。教师上课前可以查看学生课前预习情况，开展有针对性教学指导，避免了占用课堂时间临时检查学生预习的问题，解决了大面积学生预习检查的难题。学生在课外可以远程访问虚拟实验，实现了教学资源共享。虚拟仿真形式的课前预习，学生对实验的物理思想，实验方法、仪器结构及原理，达到充分的了解，为课堂实验积累了经验，提高了实验教学效果[11]。

为解决大批量学生参加实验考试的难题，中心又建设了一套物理实验考试自动测评系统。中心教师充分利用物理实验考试与自动判卷功能，组织学生实验考试，可以比较客观地了解到学生的实验知识掌握和实验操作能力情况。每学期末，中心教师安排了各类实验项目的仿真实验考试，学生在校虚拟仿真物理实验室，通过登录中心主页中的“实验考试”，进入考试大厅，即可完成相关实验的考试。考试系统记录、评判学生答题和实验操作，并自动评分，达到了较好的效果，提高了工作效率。物理实验考试成绩与平时实验成绩相结合，实现了考核方式多元化和高效率。

2.5 推行学生自主实验教学

中心为进一步提高实验教学效果和人才培养质量，进一步实行实验教学改革，树立以学生为主体，大力开展教学创新，推行教师授课方式变革，实行教师指导下的学生自主实验[12-13]。自主实验教学摒弃了传统的灌输式实验教学教师讲授模式，通过强调学生预习和课堂自主探索，有利于增强学生的探索和实践能力[14]；同时构建师生互动讨论的开放式课堂教学模式，教师将精力集中于与学生的课堂讨论和答疑，促进其完善自身知识结构，不断提高教学能力和水平[15]。学生在自主实验中，转变了以往依赖教师的习惯和观念。自己探索，更好地训练了思维，自己解决实验中遇到的问题，学习有了成就感，激发了学习兴趣和热情，学生获益良多。通过问卷调查,有91%的学生认为自主实验有益(其中包括27%的学生认为非常有益)；学生对自主实验非常热情，普遍认为通过自主实验的学习方式，对实验知识的学习更加深刻，更有利于创新实践能力的提高。

2.6 实行实验成绩考核方式改革

近年来，实验中心以选修创新学分实验为试点，推行了实验成绩考核方式改革试点。在实验开设的大学物理创新竞赛实验课程中，开设了4个自主实验项目，学生完成项目，只需提交2个实验项目的实验报告，第3个实验报告为一次口头报告(答辩)。3次报告的成绩权重分别为20%，40%，40%。具体做法是，第1次报告为基本要求，教师认真批阅并指导改进；学生在第1次基础上，根据教师的指导，写第2个实验的报告，需达到标准，符合科学报告的要求；第3次实验报告，则进行口头实验报告，全体学生和实验指导教师参加共同打分，教师和学生所评平均成绩各占60%和40%。最后，该实验课程总成绩按权重计算。推行实验成绩考核方式改革，避免了学生实验报告流于形式，让学生真正掌握科学报告的方法，促进学生实验过程中认真实验，积极思考，提高教学效果。口头实验报告，使学生获益更多，受到大多数学生的肯定和欢迎。

3 教学特色

3.1 重视基础促进拔尖

物理实验教学一方面满足全校大面积学生物理基本素养的形成，夯实学生的物理基础，为专业学习服务；更重要的是创新人才培养模式，通过专业培养，选拔优秀学生设置专门的课程体系、因材施教、重点培养，采用现代教育理念，注重探索能力、创新能力的培养，结合高层次人文素质和高水平科学研究能力的塑造，培养出基础理论扎实，知识结构复合，具有开拓创新精神和创造能力的优秀拔尖人才。

3.2 立足经典联系现代

物理学是一门传统的基础学科，实验的内容虽然是基础的，但实验教学却始终保持从基础到前沿，从经典到现代，如空气动力学实验到飞机机形、CRT列车外形的参数设计，氢氘光谱测量实验到LED发光器件制造，牛顿环实验到现代光学制造，迈克尔逊干涉仪实验到现代精密计量……，学生通过大量经典的实验，掌握了现代科技及应用。

3.3 实现了人才培养三结合

(1) 基本素质教育与创新能力培养相结合。基础物理实验以学生基本规范养成、基础能力培养为首要任务，通过开设设计性实验、研究性实验内容，以及开放实验、自主实验等教学形式激发学生的实验兴趣，提高创新能力。

(2) 通识教育和精英式培养相结合。物理素养教育面向各学科门类专业大规模低年级本科生，培养基本实验规范、基本实践技能，实现通识化基本物理素质培养；拔尖创新人才培养和创新创业培养面向更小范围的优秀学生，立足专业培养，开设本硕实验班、理工综合实验班等创新实验班，设置专门的课程体系、配备专门的师资和教学条件，因材施教，重点培养，使拔尖创新人才脱颖而出，实现精英式培养。

(3) 学校教育和社会实践相结合。以实验中心为依托，联合学校国家硅基LED工程技术研究中心、空间技术研究院、微尺度交叉学科重点实验室等科研平台，以及联创光电、凤凰光学、清华泰豪等知名企业，开展创新创业实践，实现教学与科学前沿、工程实践和社会应用实践的密切联系，增强学生的社会责任感、创新意识、创业能力和社会适应力。

4 结 语

物理实验教学中心利用地方综合性这一特点和优势并结合自身情况，在近年的实验教学实践中形成了重基础、提质量、求创新、促拔尖的实验教学理念，构建了物理素养教育、拔尖人才培养、创新创业实践三大教学平台，建立了“1条主线、3个平台、5类教学、全面开放”的实践教学体系，全面改革教学方式方法，设计讨论式及个性化教学方式，建立基于网络支撑的全面开放教学，推行学生自主实验教学，推行实验成绩考核方式改革等，这些改革举措顺应了新时代高等教育的发展趋势，为地方高水平综合性大学实践育人和拔尖人才培养探索了新的模式。