新工科视域下大学物理实验课程改革探究

杨学锋，张素真，刘录发，崔廷军

(德州学院 物理与电子信息学院，山东 德州 253023)

1 新工科与大学物理实验

为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑和服务创新驱动发展、“中国制造2025”、“互联网+”等一系列国家战略而提出的新工科概念，是我国工程教育改革的方向。新工科建设需要由四个理念来引领：服务国家战略理念、对接产业行业理念、引领未来发展理念和以学生为中心理念[1]。新工科要求制订柔性化的专业培养方案，改革课程体系和教学内容，创新教育教学方法，以适应人才培养上的新要求。多学科交叉融合是新工科建设的核心内容之一。通过多学科间耦合互动，弱化专业界限并强化多学科交叉，能够促进学科发展和新知识、新技术的产生[2]。融合创新是新工科教育的新范式。新工科教育培养的是某一方面具备足够深入的专业知识，各学科知识融会贯通，真正具有复合知识体系和工程思维的人才。

大学物理实验是诸多工科专业的基础课程，其实验思想和实验方法体现了所有工科实验的科学共性，在工科教育体系中起着举足轻重的作用。非物理专业的学生通过大学物理实验获得科学测量方法，培养科学思维模式，提高分析问题和解决问题的能力。这些都会使学生在以后本专业本学科的学习研究中受益。然而，在新工科视域下，传统的大学物理实验课程仍然存在不少问题。

2 新工科视域下大学物理实验课程存在的主要问题

2.1 教学内容陈旧，知识点单一，缺少交叉与融合

传统的大学物理实验内容难以体现科学发展前沿的最新成果，陈旧过时，只是教材中已有基本物理知识的简单重复，跟不上时代的发展，致使学生学习兴趣降低。新工科建设的最主要特征是多学科的交叉融合[3]。在传统的物理实验教学体系中，实验被简单分割成两门相互独立的课程，即普通物理实验和近代物理实验。而力、热、光、电、原又是普通物理实验中相互独立的内容，被安排在不同的实验室。由此可见，内容上在物理学科内部都少有交叉与融合，更不用说与其他学科的交叉与融合[4]。

2.2 验证性实验过多，设备过于传统或过于集成，实验过程索然无味

目前的大学物理实验多为验证性实验。验证性实验导致的结果就是没有了未知性、不确定性和探索性，按部就班就能得到预想中的实验数据，缺乏科学素质的训练与培养。另外，仪器设备越来越趋向于集成化、封闭化、数字化、整体化，操作难度降低，数据采集方便、快捷，实验过程中出现不确定性问题的几率减少，无形中降低了对学生的训练作用[5]。

2.3 “灌输式”的单一教学模式机械枯燥，缺乏趣味性和创新性

培养学生的学习参与度和学习能力，提高学生的学习兴趣，要通过教学形式和教学内容的设计来实现[6]。然而，一直以来大学物理实验多采用“灌输式”的教学模式。教师首先讲解实验原理和实验操作，学生按部就班地按照实验流程进行操作，得出预期的实验结果。单一的教学模式和固化的教学内容导致学生普遍学习兴趣不高。

3 新工科视域下大学物理实验课程的改革探究

3.1 建立交叉、融合、贯通的大学物理实验教学内容新体系

把演示物理实验纳入到大学物理实验体系中来。演示物理实验(这里指由学生亲自操作演示的)属于定性与半定量实验，能让学生直观地观察到各种生动有趣的实验现象，实验用时短，但学生印象深刻，因而可以作为激发学生兴趣，建立物理实验模型，改进实验教学的重要手段。

打破力、热、光、电、原相互隔离、孤立的实验体系，同时把大学物理实验与近代物理实验贯通，把部分近代物理实验项目引入到大学物理实验中来，实现学科内部的交叉融合与贯通。

寻找大学物理实验与材料、电子、机械、自动化、物联网、化工、生物等专业的交叉点与契合点，鼓励教师将科研成果及时转化为实验教学内容，开发设计出各学科交叉融合的新的大学物理实验项目。而这些实验项目大多具有综合性、设计性、创新性。最终建立演示实验、基础性实验、提高性实验、综合设计研究创新性实验，多学科交叉融合的四级大学物理实验结构体系。

3.2 建立自主、开放的大学物理实验教学新模式

打破传统的“老师讲，学生听”的授课模式，部分实验项目中引入翻转式的教学式，由“传授范式”向“学习范式”转变。

加强以学生为中心的MOOC、微课、虚拟仿真等建设。学生可以随时随地在电脑端或手机端登录学习，拟订初步实验方案，形成基于互联网的实验开放环境。教师在课堂上不必重复基础知识、基本原理的讲解，而是集中精力解决学生实验中出现的各种问题，教学的目标性更强，教师的教学效率和学生的学习效率也大大提高。

开设“小课题物理实验”，培养学生的科学探究能力和团队协作能力。在对传统物理实验进行了筛选、改造，学科内交叉融合的基础上，精选其他学科内容，结合当前科学前沿，设计出多学科交叉融合、小课题性质的实验。学生根据自己的专业、兴趣、特长选择研究的实验课题，3～5人组成一个小的团队。学生可以随时进入实验室，也可以随时与教师取得联系。这种小课题性质的开放式、探究式实验一般时间会较长，一个学期内完成即可。实验结果要以小论文的形式呈现。

以大学生科技文化竞赛为推手，进一步拓展大学物理实验的时间和空间，培养适应新工科要求的创新性人才。当前，大学生科技文化创新活动方兴未艾，大学生争相参加到各级各类大赛中去。由于物理学的基础性，大学物理实验与各种大学生创新活动有着密切的相关度，其竞赛题目大多可视为物理实验基础上的多学科交叉融合。大学生可以把课外科技活动与大学物理实验课程相结合，实现课内课外的有机融合与衔接。鼓励跨学科、跨专业组队参赛，提升学生的沟通交流和团队协作能力。在科技创新活动中发现有创新潜质的学生，使其参与到教师的科研项目中去，成为教师的科研助手。实验教学、学科竞赛、科研体验相互衔接，最终形成“学、赛、研”一体化创新实验体系。

3.3 建立注重过程的多元化课程考核方式

考核方式影响着教与学的方向，进而决定了人才培养的方向。因此必须发挥课程考核“指挥棒”的作用。

教育的基本属性之一是过程属性，对学生学习状况的评价或考核也必然具有过程属性。传统的大学物理实验考核主要以学生提交的实验报告为评判依据，难以体现学生的实际操作情况，更难以体现学生实验过程中发现问题、解决问题的能力。“实验报告定终身”的考核方式实质上是一种完全脱离过程的终结性考核，必须进行纠正。为此可以采用“3+1+X”模式的考核。“3”是指兼顾课前、课中、课后的全过程考核。课前学生通过阅读教材，网上观看微课、MOOC、虚拟仿真实验等形式进行预习，并撰写预习报告。教师通过评阅预习报告，对学生提问、交流等方式给出预习成绩，完成课前考核。课堂上指导教师密切关注每位学生的操作情况，特别是出现未知问题后解决问题的能力，结合其测得实验数据的准确性，给出操作成绩，完成课中评价。课后学生独立完成实验报告，教师根据数据处理情况、误差分析情况和实验所得结论给出实验报告成绩，完成课后评价。“1”是指对课程小课题的考核。教师对学生课程小课题的进展情况全程跟踪，并适时进行指导和交流。临近期末，学生提交小论文并进行答辩。“X”是指对学生参加的与大学物理实验相关度较大的科技竞赛的考核。根据获奖层次和等级在课程考核成绩中额外加分。“3+1+X”的考核模式具有全过程、全角度、开放式的特点，是从课内到课外，从基础知识、基本技能到研究创新能力、团队协作能力的多元化考核。

3.4 建设一支学科基础深厚、具有交叉背景和工程思维的实验教师队伍

加强跨学科学习，构建交叉融合的知识体系。大学物理实验教师大多具有物理学背景，在本领域具有丰富的理论知识和较强的实践能力。但他们没有系统学习过其他学科的课程，更没有参加过其他学科的实践活动，难以很好地做到本学科知识与多学科知识的交叉融合。为了更好地满足新工科视域下新型人才的培养需求，大学物理实验教师不能故步自封，止步不前，而应寻找对其他学科的兴趣点，积极主动“再充电”，培养跨界整合能力和多元的知识结构。

培养工程思维，树立工程教育新理念。科学思维、工程思维和艺术思维是人类既有联系又有区别的三种思维方式。探索与发现是科学思维的核心，设计与建造是工程思维的核心，而想象与虚构则是艺术思维的核心。教育部《新工科指南》[7]明确提出要强化教师的工程背景。新工科视域下教师不仅要有工程背景，更要有工程思维。因为工程思维方式的培养是工程教育的最核心任务之一[8]。然而大学物理实验教师普遍缺乏工程思维，更缺乏工程思维教学的意识和自觉性，这种现状必须得到改善。

打破校---院---实验中心---团队的纵向组织体系。“校---院---实验中心---团队”的纵向组织体系制约了广大物理实验教师知识的跨界发展。应当打破这种纵向的组织壁垒，建立起广泛的院院合作、校际合作、校企合作和国际交流，组建跨界发展共同体[9]，形成合作共赢的新机制。在学科相近的院级教学单位设立教师跨界发展中心，开展跨界教师培训和实践活动；校际间联办教师跨界发展论坛；与企业共建教师培训基地，促进校企间人才的双向流动；派遣实验教师去世界高水平大学交流。

组建由教授领衔，理论课教师、实验教师、实验技术人员、企业兼职导师构成的素质互补的实验教师团队。新工科视域下大学物理实验教师队伍的主要问题是工程实践能力不足。因此，积极引入相关企业高技术、高技能人才作为实验、实践导师，可以迅速弥补教师队伍素质短板，与校内教师形成互补。实验、实践导师参与对现有实验项目的更新改造，自制仪器的研制，实验技术立项的申报，指导学生的课外实践活动。高水平的企业专家可同时聘为校内青年教师的工程实践导师，帮助青年教师尽快补齐素质短板。鼓励教授参与实验教学，引导理论课教师兼职或转岗专职实验教学，提高实验教师队伍整体素质。

4 结语

自然科学的基础是物理学。可以说学科交叉的鼻祖是物理学与数学的交叉，学科交叉的典范是物理学与化学的交叉，生物物理学则是物理学与生物学的交叉。物理学又是技术进步的推动力，物理学与技术科学的交叉形成了技术物理或工程物理。经济物理、社会物理则是物理学延伸到社会科学领域所形成的[10]。由于大学物理实验是对理工科各专业开设的课程，又由于物理学科的基础性，对大学物理实验课程进行改革和创新，可以有效地破解学科壁垒、专业藩篱，打破传统的院、系、专业的纵向人才培养格局，提高学科专业间的相容性、互补性、交叉性，更好地适应“新工科”发展的需要。