应用型人才培养的大学物理实验教学模式探究与创新*

2021-01-25刘正钦陈超李万淳谢东

桂林航天工业学院学报 2020年4期

刘正钦陈超李万淳谢东

(桂林航天工业学院理学院，广西桂林 541004)

大学物理实验作为工科高校学生的必修基础课程，是大学生进入高校后第一门实验课程，涉及丰富的物理知识和思想、物理实验方法和技巧，为进一步学习专业性课程打下基础[1-3]。通过大学物理实验课程教学不仅让学生接受系统的实验技能训练，掌握科学实验的基本知识、方法和技巧，而且还要培养学生能够根据实验现象和所遇到问题的性质进行问题分析、解决和创新的能力。物理实验是推动世界科技进步的基础，可以说，大学物理实验教学对于培养高级技术人才来说至关重要。如此重要的一门课程却因教学模式单一、教学内容传统落后与现代工业技术脱节、考核方式起不到激励作用等，工科院校非物理专业的学生对大学物理实验不够重视，感觉枯燥无味，上课根本提不起兴趣，导致实验教学效果不佳。因此，如何通过优化大学物理实验教学设计来激发学生的学习兴趣和积极性，提高教学质量，充分发挥大学物理实验课程对培养社会所需的人才作用，是目前工科院校物理实验教学急需解决的问题。

各高校对大学物理实验教学都进行着不同程度的研究与改革，为改进与完善实验教学提供很多成功案例，如分层次教学、开展研究性教学和翻转课堂教学等[4]。这些教学改革在一定程度上提高了物理实验教学质量，培养了学生的创新意识与创新能力。然而，有些教学改革措施对于工科非物理专业的学生可能考虑的不够全面，片面追求创新却忽视对学生核心素养的培养。随着科技发展新趋势和社会所需要的应用型人才，大学物理实验教学改革应该围绕培养学生的批判性思维能力、自主学习能力以及知识迁移和构建能力等核心素养[5]。教学的改革只有不断提升学生的核心素养，才能让学生从被动学习转变为主动学习，被动接受知识转变为自我构建和创新知识。本文基于应用型人才培养，对大学物理实验教学模式进行探索与创新。

1 大学物理实验课堂教学现状与问题分析

大学物理实验是工科院校的必修基础课程，目前各个专业开设的实验教学内容都是统一的，基本上都是验证性实验，不断重复教材的定理和定律，而结合各专业特点设置的应用性实验项目几乎没有，物理实验项目与专业需求严重脱离，无法引起学生的重视，不利于调动学生的学习积极性，教学效果自然不好。各专业的学生安排的教学内容和要求都是完全统一，没有根据专业特点区别设置，培养目标和学生学习目标不明确。实验教材包含理论原理和测量原理，理论部分涉及大量复杂公式推导，对于工科院校的低年级学生来说过于偏重理论性，与实际应用结合的内容较少，让学生感觉物理实验枯燥无味，毫无兴趣可言。

在大学物理实验的传统教学中，教学模式单一，基本是以教师为中心的课堂讲授。学生首先按照教材内容自行阅读教材预习，写好预习报告，课堂上教师理论讲解、演示实验并提醒学生实验过程中需要注意的事项，学生再按照教师的演示步骤测量相应的数据，最后再根据教师给定的数据处理公式处理数据，完成实验报告。由于工科学生的物理基础较薄弱，阅读教材无法深入理解，预习报告几乎照抄课本，虽写的非常详细，但对实验的原理和目的理解不透，实验装置的结构和功能也不清晰，很难在规定的时间内完成实验操作并记录实验数据。甚至有些学生都懒得动手去操作实验器材，直接抄袭其他做完实验同学的数据。这样传统的教学模式没能达到培养学生自主学习能力和知识迁移与构建能力等核心素养的目的。考核方式也是目前大学物理实验教学面临的一大问题。工科院校大学物理实验课程考核标准主要分为实验报告和期末操作考试两部分，实验报告占30%，期末实验操作占70%。在这种考核方式下，很多学生对大学物理实验课程不够重视，不能独立完成实验和数据处理，纯粹就是为了考试过关。这种考核方式既不注重学生平时课堂参与过程，也不注重学生运用基础知识解决实际问题能力的培养。

2 基于应用型人才培养的大学物理实验教学模式的探究

如何通过优化大学物理实验教学模式来激发学生的学习兴趣和积极性，提高教学质量，充分发挥大学物理实验课程对应用型人才培养的作用，是目前工科院校急需解决的问题。针对目前的教学现状和存在问题，本文对大学物理实验教学模式进行探究与创新，通过优化教学内容、丰富教学模式以及建立新的考核标准，使课程设置更加合理，与专业及实际应用更加紧密联系，既鼓励学生自主学习又注重团队合作，培养社会所需的应用型人才。

2.1 优化大学物理实验教学内容，构建新的课程体系

学习产出教育理念强调的是以学习期望与成果为导向的反向设计的准则，优化教学内容和设计课程体系[6]。根据科技发展新趋势和社会所需要的人才设计大学物理实验教学内容，建立起实验基础理论、基础实验、综合和研究性实验的分阶段教学内容体系。教学内容难度由简单到综合，由传统到科技前沿，由被动接受知识到提升综合能力，循序渐进、逐步提升。实验基础理论主要是讲解大学物理实验发展史与特点、基本实验方法和基础理论知识，让学生对课程的学习任务和考核有大致了解，掌握测量误差与不确定度的概念、数据记录与处理方法和实验报告撰写的基本要求。基础实验主要是测量基本物理量、使用经典实验仪器，训练学生基本测量方法、数据处理方法和撰写实验报告的基本实验技能。在完成基本实验技能训练的基础上安排综合实验，根据工科院校各专业特点和后续学习专业知识的需要，开设与专业结合紧密和科技发展相关的实验项目，如扫描隧道显微镜、巨磁阻特性、RLC电路特性等，将物理知识与思维和专业知识相融合，提升学生学习兴趣和参与度，训练学生物理实验的思维能力，拓展学生的知识面，增强学生的综合能力。研究性实验是教师给出一些与工科专业紧密相关的实验课题，让同专业学生自由组建研究小组，根据小组兴趣自由选择研究的实验课题。研究性实验贯穿整个实验教学过程，坚持以学生为主体，以教师为主导的原则，引导学生独立完成课题选择、资料收集与整理、文献阅读、实验方案设计、实验操作、实验现象分析与结论、成果演示。研究性实验课题优劣不在于难度，而在于重视学生个性化发展需求，培养学生自主学习和自主构建知识体系的能力，提升团队意识和分析与解决问题的能力。

2.2 丰富大学物理实验教学模式，激发自主学习能力

大学物理实验传统的授课模式基本采用“原理讲解、操作演示和现场指导”，这样手把手地授课模式可以让大部分学生在规定时间内顺利完成实验并做好实验数据的记录，但很难让学生深入理解实验原理，无法激发学生的学习激情。要想改变这样的教学现状，就需要从根本上增加学生自主学习的时间，提升学生自主学习的能力[7-9]。实验课前学生做好课前预习是非常关键的教学环节，简单的阅读教材并完成实验预习报告远远不够。大学物理实验教学需要充分利用优秀的在线教学视频资源，引导学生合理安排课后时间进行课前预习。教师认真观看并筛选出符合本校学生情况的在线实验教学视频，布置学生观看实验教学视频，完成实验原理、实验仪器基本介绍、实验操作演示及实验现象分析与解析等内容学习。观看完视频，实验小组成员进行讨论并完成预习报告。相对阅读教材进行预习，视频是通过动画或图像进行讲解，学生能更加直观地理解实验仪器的构造原理、操作方法以及实验现象。课堂上教师不再需要花费大量时间对实验原理、实验仪器构造和实验操作进行详细讲解，而重点讲解本实验与学生专业知识相关的内容，解决学生的疑问。学生动手操作实验时，通过问题方式引导学生完成操作并记录实验数据。课堂上把更多的时间留给学生动手操作，激发学生通过思考解决实验中遇到的问题，真正做到以学生为中心，教师引导的教学原则。课后学生以小组为单位，完成实验数据处理并进行分析，做好实验反思。通过这样的教学方式改革，一方面丰富教学内容，激发学生对大学物理实验学习的兴趣，提升自主学习的能力；另一方面提高实验教学效率，注重培养学生的动手能力。

2.3 建立新的考核标准，促进知识迁移与构建能力

评价与考核是实验教学重要组成部分，合理的评价与考核体系不仅能检验实验教学效果，还可以促进学习效果和教学质量的提高[10-11]。目前，大部分工科院校的考核方式基本采取的是平时成绩+期末考试，平时成绩占30%，期末考试占70%，这样单一的考核标准既不注重学生平时课堂参与过程，也不注重学生运用基础知识解决实际问题能力的培养。考核标准的改革应该起到促进学生从被动学习转变为主动学习，被动接受知识转变为自我构建知识，从而不断提升自身的核心素养能力。

新考核标准的设想，平时成绩占30%+研究性实验成果展示占70%。课程开课时，学生自由组建研究小组，根据教师给出的实验课题，自由选择与本专业相关的研究课题，完成课题时间贯穿整个学期。研究小组根据成员的特长与优势，合理安排任务，资料收集与整理、文献阅读、实验方案设计、实验操作、实验现象分析与结论、PPT制作、期末成果展示。整个研究过程坚持以学生为主体，自主学习，教师在学生遇到问题时给出适当的指导和帮助。期末考核主要从研究性实验的方案制定、实验操作、实验报告及实验成果展示来综合评定，这样的考核方式既重视学生平时学习的过程，又重视学生知识迁移与构建的能力。新的考核标准不再局限于课本知识的考查，更加注重的是学习过程以及应用知识能力的考查，有助于引导工科院校的学生改变自身的学习方式，提升学习能力。

3 以惠斯登电桥测电阻具体案例展开新型教学模式论述

为了更好地说明应用型人才培养的大学物理实验教学模式，我们以惠斯登电桥测电阻具体实验案例进行展开论述，教学模式逻辑图如图1所示。

图1 惠斯登电桥测电阻教学模式逻辑图

本次实验课前，教师需要提前准备好学生观看的实验教学视频，并发布在学生学习群上。实验小组组长根据组员的时间安排，组织组员进行线上观看教学视频，完成实验预习报告，并及时线上进行讨论。学生通过观看实验教学视频完成预习，对惠斯登电桥测电阻的实验原理、实验仪器基本构造、实验操作和注意事项都有比较好的了解。因此，教师在课堂上只需简单进行讲解实验原理，重点拓展与惠斯登电桥测电阻相关知识，解决学生预习过程中的疑问，把更多的时间留给学生进行实验操作。课后，学生小组完成本次实验的数据处理并完成实验报告。学生完成本次实验后，有兴趣的实验小组进行收集与惠斯登电桥测电阻相关的文献资料，提出改进实验的方案并进行实验设计与操作，最后整理资料制作PPT，期末考核时进行成果展示，教师根据学生展示的成果并给出期末考核成绩。