“新工科”背景下大学物理实验课程的教材建设

钟小丽

（华南理工大学物理与光电学院 广东·广州 510641）

0 引言

在全球“新工科”迅猛发展的形势下，华南理工大学2019年提出了“新工科F计划”，以致力于加快培养工具理性与价值理性兼备、复合知识与核心能力（思想力、学习力、行动力）兼备、家国情怀与全球视野兼备的“三创型”（创新、创造、创业）工科领军人才为己任。人才的培养离不开课程。“新工科”背景下的人才培养迫切需要一流的大学物理实验课程的有力支撑。这取决于物理学科的工程基础性和自身完备性。一方面，“新工科”背景下的人才培养是服务于新工科专业。无论是属于“存量更新”的新型工科专业，还是属于“增量补充”新生工科专业和新兴工科专业，都离不开物质世界物理原理的应用。另一方面，物理学是一门基于实验的科学，一轮完备的大学物理实验课程的学习过程就是培养和激发学生思想力、学习力和行动力的绝佳机会。因此，有必要探究如何打造“新工科”背景下的一流大学物理实验课程，使之更好地承担“现代技术源泉和先导”之责任，更好地服务华南理工大学“新工科F计划”。

高校教材是高等学校教育教学的基本依据，是解决培养什么人、怎样培养人这一根本问题的重要载体。高校教材建设是课程建设内涵式发展的重要抓手。华南理工大学作为“双一流”建设高校和高水平大学，有责任响应教育部指示（《普通高等学校教材管理办法》，教材〔2019〕3号），发挥学科优势，积极组织编写教材。因此，在大学物理实验的课程改革中，我们将教材建设作为一个重要的环节。

1 教材建设的出发点和着眼点

物理学是一门实验科学，正如著名华裔科学家丁肇中教授所说：“物理学是从物理实验中产生的”。在物理学的发展中，任何一部分物理知识的获得都离不开实验。提供事实、验证理论、测定常数、推广应用等都是实验在物理发展史中的作用。大学物理实验作为大学生进校后的第一门必修科学实践课程，是大学生接受系统实验方法和实验技能的开始，在培养学生的科学素质、实践能力、创新能力和科学精神方面起着重要的作用。此外，凭借丰富的物理学史，大学物理实验在学生的人文精神熏陶以及美育教育等方面也具有较高的价值。在教材编撰过程中，充分涵盖物理实验课程的上述特质，服务“学生为中心”的课程教育，是我们开展教材建设的出发点和着眼点。

通常，科学素养涵盖三个方面：了解科学知识；了解科学的研究过程和方法；了解科学技术对社会和个人所产生的影响。每一个大学物理实验项目都是源自特定的社会需求或个人认知，利用一定的科学手段和方法，通过一系列的实际操作和思考过程，得到特定方面的科学知识。因此，大学物理实验自身的特点决定了它是实施科学素养培养的有效途径。由于不同实验所涉及的科学素养有所不同，故教材的每一个实验（除了设计性实验和趣味实验）都包含了具有针对性的科学素养内容。

如果说科学精神可以概括为实事求是的探索精神和超越前人的创新精神，那么人文精神则是在追求人的本性过程中对人的价值、人生意义的追寻。从复合型人才或全人培养的角度，理工科学生应具备一定的人文精神。作为理工科学生的必修课，大学物理实验亦可通过引入物理实验史料使学生感受到人文精神的熏陶。教材精选的部分物理实验的背后都有一段历史故事，特别是那些获得诺贝尔物理学奖的物理实验，例如密立根油滴实验、迈克尔逊干涉仪实验、弗兰克-赫兹实验等。我们采用线下引导、线上呈现的方式，将物理实验史料融入物理实验教学，变静态知识的传授为动态知识的演变和启发，培养历史观和发展观。特别是，中国古代物理学的实验研究方法也是很先进的，比较有名的有墨家关于力学和光学的实验研究，沈括关于磁学和声学的实验研究，赵友钦的光学实验研究，特别是朱载堉关于音律理论的实验研究等，都取得了卓越的成果。此外，通过物理实验史料可以展现各国科学家在探索物质世界奥秘道路上所表现出来的怀疑、求实、进取、勤奋、创新、严谨、思辨、自强等优秀品质，对学生进行有效的强化和渗透，从而在润物细无声之中使学生受到熏陶。

此外，大学物理实验有助于增强理工科学生的美感意识。物理实验中的美感体现在两个方面：（1）实验设计和思维之美。2004年《物理学世界》刊登了排名前十的最美丽物理实验，其中大多数是我们耳熟能详的经典之作。这十大实验中绝大多数是科学家独立完成的，没有用到什么大型计算工具，所有实验的共同之处是它们都抓住了物理学家眼中最美丽的科学灵魂，这种美丽是一种经典，用最简单的仪器和设备发现最根本的科学概念。（2）实验学家的人格魅力之美。在物理实验的探究中，许多中外著名的物理学家不怕挫折的拼搏精神，勇于探索、实事求是的科学精神，坚持真理、为捍卫真理不怕牺牲的献身精神都是一部很好的美育教材。罗丹说过“世界上不缺乏美的事物，而是缺乏善于发现美的眼睛”。教材的附录和线上资源提供了史料线索，供学生在学习大学物理实验课程的同时，开展自我的深度思考，发现和感受物理（实验）之美。

2 教材建设的内容和特点

教材按照教育部高等学校物理基础课程教学指导分委员会颁布的《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》（2010年版）编写，共四篇：（1）预备篇，主要包括测量不确定度与实验数据处理、物理实验的基本方法、基本技术和常用仪器介绍；（2）基础篇，主要包括基础性物理实验，如力学、热学和声学实验、电磁学实验、光学实验；（3）进阶篇，主要包括提高性物理实验，如综合性实验、设计性实验；（4）探索篇，主要包括近代物理实验初步、趣味实验。该教材（钟小丽主编）已于2020年6月由高等教育出版社出版，见图1。

图1：大学物理实验教材的封面和封底

教材具有以下三个特点：

（1）线上和线下相结合。作为新形态物理实验教材，我们尽量将实验相关的物理原理和设计原理等内容集结成书，作为线下教材，便于学生研读；同时，将实验相关的具体设备以及拓展知识放在网上，作为线上教材。学生通过扫描线下教材中相应位置的二维码，实现线下向线上的跳转。从信息载体上看，线下教材主要采用文字和图片等传统模式，线上教材可采用微视频等现代模式。从知识性质上看，线下教材是“主干”，线上教材是“繁枝茂叶”。

（2）分层和分类相结合。本教材总体按照基础性实验——综合性实验——设计性实验——探索性实验的分层编排，其中基础性实验部分又采用力学、热学、声学实验——电磁学实验——光学实验的分类编排。这种编排架构清晰、均衡，便于开展不同阶段的分层实验教学以及不同专业的分类实验教学。

（3）“双课”融合的载体。大学物理理论课程（简称大学物理）和大学物理实验课程密不可分，两者携手反映了物理学的全貌。通常，大学物理和大学物理实验分别单独开课，存在一定程度上的脱节现象，学生学习体验不佳。为了培养学生完整的物理思维体系，加深对物理知识的理解，实现两门课程的有效衔接和有机融合，本教材依据知识点的相似度，采用线上教材的方式，引导学生将本课程的知识点和大学物理课程中已学的相关知识点进行关联。本校大学物理课程采用本校教师自编教材（大学物理，邓文基、郑立贤主编，高等教育出版社）。在具体的教学实践中，本校部分老师同时承担了大学物理和大学物理实验两门课程，为基于本教材的“双课”融合的教学改革提供了实施保障。因此，本教材作为“双课”融合的载体之一，必将推进华南理工大学大学物理“一流课程”的整体建设。

3 结语

在“新工科”背景下，为了实现工科领军人才的培养，需要新型教材的支撑，以形成“学生为中心”的教学局面。本文以大学物理实验课程改革为切入点，阐述了新一代信息技术背景下新型大学物理实验教材的建设情况。目前，该教材已出版和使用，获得师生一致好评。由于本教材具有灵活的线上资源更新功能，后续将结合实践需求，进一步丰富和优化线上资源库，以期有效服务华南理工大学“新工科F计划”的实施。