新工科创新能力培养的实践——以普通物理实验课为例

秦玉娇

(曲阜师范大学 实验教学与设备管理中心，山东 日照 276825)

1 引言

在“互联网+”这一大背景下，各行业的发展发生了巨大的变化，理工科课程基于互联网的特点，其学习方式、教育方式与评价方式等均呈现出开放性、多样性与交互性的特点。物理学作为一门基础性的自然科学，是理工科学生认识自然、学习创新的基础，该学科以实验为基础，物理实验和物理理论同等重要，是后续各专业实验和科研的基础，其实验能力培养模式也需进一步推进。随着高等教育改革的不断深化，高校大胆尝试将各种新提出的教学模式、教学手段直接作用于实践教学，物理理论课的讲授很多是由线下搬至线上，翻转课堂、MOOC教学等新教学模式在国内外高校发展迅速。但由于物理实验课本身的操作局限性，单纯的由线上完成难度较大，学生也无法感知实际操作所具有的附加信息[1]，而未来新兴产业和新经济需要的是实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型人才。

大学物理实验旨在学生运用一般的物理实验方法驾驭基本物理量的测量步骤[2]，挖掘物理理论和实验之间的联系意识[3]。美国提倡设计实验的趣味性，仪器透明度较高，在实验的整个过程可以交流互动讨论；德国要求学生在实验前做大量准备工作，比如阅读大量与实验相关的书籍，熟悉实验仪器使用方法；我国则要求各个学校根据自身情况开展分层次教学，努力培养一专多能的人才。尤其是“双高”“双创”计划的提出，赋予了工科专业实验能力的培养目标以更高层次的界定意义，实验能力培养的过程即是创新能力、交际能力、观察能力等综合能力提升的过程。

2 平台建设

我校响应国家建设智慧校园、智慧实验室的号召，无线网络遍布校内，并成立实验教学与设备管理中心，统筹安排全校实验室管理建设，将实验开课、选课、仪器使用平台与教务系统连接，并建立了大型仪器设备使用平台和生物仿真实验室，其中大型仪器设备使用平台不仅满足本校师生科研需要，服务范围也辐射周边高校。目前学校已引入多个学习平台，平台显示如图1，学生可随时登陆学习。

图1 学校常见平台

着眼于国家提出的新工科建设，工学院依托现有资源，对传统的物理实验教学方式、教学手段、课程内容、教学评价等进行了改进，积极引入最新的信息技术，从多个环节服务物理实验授课，以期提高教学质量，努力为学生搭建全面学、深入学、持续学的平台，将激发学生的创新思维理念贯穿于培养的全过程。

3 实验能力培养

实验能力培养首先是操作动手能力的培养。基于大学物理实验课程特点，从学生课前预习、设计、实验室操作、数据处理、课后提升几个方面入手，逐步递进式的让学生接受系统实验训练，培养创新思维。

3.1 课前与课中实验创新能力的培养

我校工学院每学期需参加物理实验课的人数近800 人，以开设普通物理实验为主。具体的实施过程：

1）实验预习阶段。教师会通过QQ 群向学生发布预习内容和相关仪器操作的视频链接，视频大多取自MOOC 和爱课程网，并通过泛雅平台发布问题。学生根据课程提示，结合自身相关物理知识储备，提前通过学校的精品课程库或泛雅平台预习相关实验内容，从而将理论知识有针对性的融入到将要进行的实验中，借助虚拟仿真准备实验器材，设计实验方案，在虚拟过程中及时记录可能出现的问题，并针对该问题进行思考或通过QQ、微信群等展开线上小组讨论。

根据学生的线上反馈，教师及时掌握学生各个环节的预习情况，使后续的指导操作过程更具有针对性、目的性，有效利用了实验操作时间，降低了对实际仪器的破坏。同时，带着问题做实验也能发挥学生的主体作用，提高学生发现问题、思考问题、解决问题的能力，打破学生学习的时空限制，有效利用碎片时间，整合学习资源，培养创新思维意识。

2）在实验准备阶段。教师根据学生预习阶段的反馈采取不同的授课方式，注重营造多元化的学习氛围，同时让部分学生讲解本次实验仪器的操作要领、注意事项、背景意义、延伸应用等，而这一环节也决定了实验操作阶段会采用何种实验方案。其既能有效提高学生的综合实践能力和创新能力，又能进一步体现学生在课堂中的主体作用和教师的主导作用。

3）实验操作阶段。教师采取分组的形式，为保证每位同学都有动手操作的机会，每组组员人数一般不多于三人，组员有不同的分工，实验的每一步都需要组员间的团结协作，互相帮助。该阶段有助于强化合作意识。

4）数据处理阶段。物理实验教师提倡学生根据汇编语言编程获得多组数据，结合常用的Matlab 和Origin等软件绘制图形，在规定的时间内按照固定的格式整理总结电子版实验报告，并上传实验报告至泛雅平台，方便教师查阅，及时解决个别问题。通过这个阶段的训练，工科学生的编程能力、知识的综合运用能力以及撰写论文报告的能力得到了明显有效的提升，无形中也培养了严谨的科学态度。

5）考核评价阶段。教师依据线上讨论预习情况、实验操作情况、实验报告撰写情况等分别按照小组互评、自评和教师评价占用不同权重的方式进行考评，实现对学生实验全过程的有效监督。

通过以上节点的控制，真正实现了线上与线下的结合、虚与实的结合、教与学的结合、理论与实践的结合以及学科之间的有效融合，有助于激发学生的求知兴趣和学习动力。通过调研发现，采用这种线上与线下结合的授课方式后，学生物理实验课程的旷课率下降了12%，互动率达到90%，上课效果得到明显提升。

3.2 课后阶段实验创新能力提升培养

3.2.1 大型仪器知识科普与开展学习竞赛

为满足高年级学生科研训练需求，我校大型仪器设备使用平台教师会不定期为理工科学生科普讲解大型仪器设备使用操作步骤，针对如何完成高质量的测试，结合具体的案例进行详细介绍，包括样品制备前的准备、样品的制备、样品的固定方式、取样等多个环节介绍，方便老师同学们组成科研团队，提高测试效率，服务科研。

我校实验教学管理科会不定期的组织物理实验竞赛，涵盖基本仪器的操作，基本仪器的改进，基本仪器的拓展应用，自制实验教具、基本物理实验过程控制，基本物理实验原理的改进等。物理实验竞赛不仅能巩固学生们的基础物理实验知识，锻炼学生们的创新能力和竞争意识，也能为我校物理院学生参加国家级的物理实验竞赛奠定基础。另外，竞赛还能为老师们提高物理实验教学水平和科研能力提供借鉴，帮助其积累经验，实现以赛促学、以赛促教、以赛促改。

3.2.2 组织物理协会与科研团队

1）为满足学生个性化学习的需求，鼓励学生组建物理实验爱好者协会，培育实效性强的大学生科技创新团体，并给予一定的场地和资金支持，委派专任实验技术教师定期开展指导，助力学生新发明。期间，学生的实验能力和交际能力得到了锻炼，做到了学以致用，理论联系实际。

2）鼓励学生积极参与教师科研活动，定期参加教师科研组会，同时邀请部分同学就最近搜集到的物理相关的前沿动态和新科技、新发现做报告[4]。教师要不断增强物理实验爱好者的学习兴趣以及探索新知识的能力，从多方面、多层次引导学生发现问题、分析问题、解决问题，进而使学生的跨学科知识迁移能力与知识的综合运用能力得以提升。

3.2.3 校企合作

新工科区别于传统工科的特点之一是服务地方经济发展，借助于物理实验这门课程的优势，我校实验室还承接社会企业培训业务和实验检验业务，为企业培训相关实验人员。校企合作在提高实验室仪器使用效率的同时，也助力了企业实验队伍建设以及新产品研发，能加快科技成果转化，同时让学生亲身体验到学有所用，有的放矢。

4 结论

最近一年，学校采取的这种以线上与线下结合授课模式为主，以科研目标、竞赛项目、实际问题、校企合作任务驱动模式为辅，以课堂实际操作为主，以课下设置任务为辅的培养形式，促使学生由实验课程的聆听者、接受者变为实验的演示者和探究者，既满足了大部分学生的学习要求，也满足了部分学生个性化的需求。积极营造创新生态环境，既提升了学生的综合素质，又为其它专业性实验课程的开展提供了借鉴。下一步,将积极探索将考级证书纳入物理实验课程改革中，进一步规范物理实验课程体系和课程内容。