新工科背景下地方本科高校大学物理实验室建设研究

简荣华 毛俊雯 沈彩万 庞涛 刘兆亮

摘 要：面对新工科建设的目标和要求，大学物理实验室建设也急需创新改革。本文以湖州师范学院为例，分析了当前地方本科高校大学物理实验室存在的不足，重点探讨了新大学物理实验室的建设改革，主要体现在：优化实验室仪器资源配置，引进先进实验设备;建设先进实验项目，开展分层次实验教学;建立培养实验教师队伍的长效机制和实验平台信息化条件提升建设，通过建设拟达到将大学物理实验室建设成为提升学生实践能力和创新能力的基地。

关键词：大学物理实验室 新工科 实验室建设 创新

为应对新一轮科技革命和产业变革，提高国家未来战略竞争力，2017年教育部正式提出建设和发展新工科建设，旨在加快培养新兴领域工程科技人才服务于以新技术、新业态、新产业为代表的新经济发展。[1]对地方高校来说，新工科建设既是挑战，更是机遇。湖州师范学院新工科建设正围绕“复旦共识”[2]、“天大行动”[3]理念和浙江省新工科建设行动倡议——“浙八味”，结合地方办学特色和优势对新工科专业及人才质量培养进行地方道路的实践探索。

大学物理实验是理工科各专业的基础课程，是学生接受系统的实验方法和实验技能训练的开端，是学生以后从事各项科学探索和工程实践的基础。随着新工科发展和教学内容的调整，大学物理实验对新工科创新型人才的培养发挥着更加重要的作用，更加需要适应新一轮科技革命对培养学生动手能力和科学精神的要求，因此在新工科的背景下，建设好大学物理实验室至关重要。本文分析地方高校大学物理实验室中软硬环境建设方面存在的一些问题，结合问题及新工科建设要求，介绍湖州师范学院大学物理实验室建设情况，希望能夠对地方高校的大学物理实验室建设提供一定的参考。

1 研究现状分析

湖州师范学院物理实验教学中心是浙江省“十三五”省级重点建设实验教学示范中心，其中大学物理实验室主要承担物理、化学、光电信息科学与工程、新能源材料与器件、电子信息工程、机械设计制造及其自动化、材料化学等20多个理工科专业的大学物理实验。由于受到地方办学条件影响，在“新工科”背景下，大学物理实验室的状况仍存在不少问题，主要体现在以下几个面：

1.1 基础实验仪器设备陈旧落后

搞好实验室硬件建设，是培养创新人才的重要物质基础和必要条件。[4]随着高等教育的快速发展地方高校的规模也在扩大，但由于对基础物理实验重视程度不够，学校将大量经费投入到科技楼、公共设施等建设中，而对传统的基础实验室的建设资金投入有限，从而导致基础实验室陈旧、落后的实验仪器仍在使用，这将严重影响教学质量，不利于对学生创新能力培养。

1.2 实验项目设置不合理

由于缺乏实验设备和实验教材的及时更新，导致大学物理实验项目内容陈旧过时，且实验项目仍以验证性的实验居多，以光电信息科学与工程专业开设的大学物理实验项目为例，共开设12个实验项目其中5个为验证性实验，而该类实验项目一般操作过程简单，缺乏不确定性，通过对学生的调查和课堂反应效果来看，学生对验证性实验缺乏兴趣，其结果对学生实验技能和创新能力的培养也成效甚微，不利于新工科创新型人才的培养。

1.3 实验人员队伍建设不够合理

在国内地方高校由于受传统思想的影响，存在对物理实验教学在素质教育中的地位和作用认识不足的问题。部分教师也存在重理论轻实验的现象，不愿对实验教学研究投入过多的精力。而对那些有理论扎实功底且有技术经验的实验技术人员，由于政策或待遇问题一直得不到重视，严重的挫伤了他们的积极性，从而影响了实验技术人员队伍的稳定性，同时也制约了实验技术人员队伍的高质量发展。[5]以我校物理实验中心为例，前几年引进技术人员4人中就有2人考取博士毕业后离校或转专任教师。

1.4 实验室信息化建设不足

实验室信息化水平相对落后，缺乏先进的实验管理系统和实验信息共享平台。传统的实验管理主要是较为繁琐的人工操作，工作效率低下，如实验室开放、教师预约排课、设备使用、设备维修记录等工作。此外，实验教学网站建设不到位，缺少实验资源共享信息平台，学生预习实验主要通过实验教材进行，而对实验仪器情况及如何操作需要在课堂中进行讲解，这些都不利于学生学习效率的提高。

2 新工科背景下大学物理实验室建设的探索

新工科背景下的大学物理实验室建设需要致力于根据“新工科”建设要求，结合本校专业的建设与发展，以学生创新能力培养为主线，改革实验室存在的不足，建设一个实验设施齐全、仪器设备精良、实验队伍结构合理、物理实验教学分层次与多模式、拓展与创新型有机结合的大学物理实验室。

2.1 优化实验室仪器资源配置，引进先进实验设备

传统大学物理实验室中力学、热学、电磁学和光学实验室都是各自独立的实验体系，不利于学生进行创新实践。为了让其更好的服务于学生专业学习和创新实践，需对现有实验室进行整合并优化现有实验室资源配置。此外，积极争取更多实验室经费投入，引进先进实验设备。

我校物理实验中心与时俱进，致力于实验室建设的创新改革，近几年对传统大学物理实验室进行新功能模块建设。建设后的大学物理实验室具体包括大学物理课程的基础实验模块、科技创新功能模块（含创客教育实验室、大学生科创作品中心）和大学生创新实践基地模块（含电子制作实验室、模型制作实验室和综合探究融合创新实验室）。在建设过程中对利用率不高的实验仪器设备或由于实验教学内容调整而处于闲置的仪器进行优化整合，并结合对学生创新能力培养要求，按需重新分配到各功能模块实验室。

积极争取更多经费投入，大学物理实验室仪器设备的更新必须根据新工科建设要求进行充分的论证，实验室建设中应使新建的实验项目和实验设备具有先进性。近两年我校大学物理实验室投入300余万元购置了先进的综合性、设计性、创新性等现代实验教学设备和虚拟仿真实验系统，在购置这些设备的同时对1人1套的仪器设备力求配置性能最好的最新型号，对2-3人1套的仪器尽量考虑数字化、自动化，从而让学生在学校就能接触到当前最新的实验设备和较前沿的技术测量工具。此外，积极鼓励实验教师和实验技术人员申报自制仪器项目进行仪器设备的改进与研发。近三年中心人员获自制仪器项目“光敏器件特性测试教学仪”、“新型焦利氏秤的创新设计、研制与应用”等4项并用于实验教学中，此外通过科技创新实验室和创新实践基地的建设，鼓励学生积极参加国家、省级、校级各类竞赛、申报各类科研项目和实验室开放项目，并以项目为依托改进和开发新实验设备。近三年学生依托新大学物理实验室平台以物理实验教学仪器的开发及改进为内容申请并获批国家级大学生创新创业训练计划项目1项，浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划项目3项。此外，近两年以物理实验教学仪器的开发及改进为内容参加浙江省大学生物理科技创新竞赛、浙江省大学生物理实验与科技创新竞赛和全国大学生物理实验竞赛（创新）获奖10项。

2.2 建设先进实验项目，开展分层次实验教学

新工科教育的核心是学科交叉，需对学生进行复合型专业培养，[6]而目前的物理实验教学项目内容对不同专业学生的训练上没有太大的区分，且实验项目内容陈旧过时，缺少学科交叉和综合。因此为了新工科创新人才的培养，需要根据学校工科专业特点，进一步优化实验项目内容。我校由理学院牵头组织任课教师论证大学物理实验项目建设，紧密结合各专业特点和当代实验新技术[7]，丰富大学物理实验内容。如利用计算機技术、传感器技术等现代科研成果用于大学物理实验之中拓宽学生的知识面，培养学生的综合实验能力。同时下大力气研究实验课程体系和教学内容的改革，精选验证性实验，增加综合性、设计性、探究性及前沿性等创新型物理实验项目，注重创新能力的培养，适应科技发展的需要。同时改变传统的多学时实验课依附理论课的课程设置，形成相对独立的物理实验课程体系，课程内容体现基础技能训练和研究性实验相结合原则。

实验教学中改进教学方法，改革传统的实验教学思想，把提高学生的实验技能放在第一位，授课教师采取精讲多练的教学方法，多给学生自我探索、自己动手的机会，使学生在实验活动中由被动变为主动，从而有助于培养学生的自主能力。同时实验教学上采用验证、设计、综合相结合的实验类型模式，采用必做、选做实验相结合的实验项目选题模式，并在实验项目内容实施过程中开展分层次教学，由浅而深逐步开展实验。此外，改革实验教学大纲模式，针对不同专业进行分层制定实验教学课程学时和实验模块。从而通过分层次的实验教学体系，提升大学物理实验对不同专业学生的实践能力培养。

2.3 建立培养实验教师队伍的长效机制

物理实验教学中心实行专职和兼职相结合的组织形式，依托学科优势，通过建立多种形式培养实验教师及实验技术人员的长效机制，提升与应用型人才培养相适应的实验教师队伍，从而建设满足人才培养要求的实验教学团队。

一是制定相关激励政策吸引高水平青年教师，尤其是有工科背景的教师和高水平技术人员充实到实验教师队伍，并担任实验教学课程的责任人，从而提升整个物理实验教师队伍水平;二是进一步明确实验教师的职责。既要根据教学计划、实验教学大纲规定的内容全面完成授课任务，又要引导和指导学生开展实验室开放项目、毕业设计以及其它学生科研项目;三是激励实验教师和实验技术人员参与网络培训、实验教研活动、科研活动和学术交流等。只有不断吸收新知识，研究新问题和学习最新教育教学文件，才能树立新工科背景下的最新教学理念，把新的教学手段、新的实验方法及技术和新的成果引入到物理实验教学中去。四是鼓励实验技术人员参加学历提升计划，并制定相关政策激励技术人员返岗工作。此外，提高实验技术人员待遇和地位，保证实验技术人员队伍的相对稳定。五是在全面完成实验教学任务的同时，建立起对外开放的管理机制。通过政策鼓励教师利用中心的设施设备开展科研和服务地方工作，扩大实验中心的影响力。

2.4 实验平台信息化条件提升建设

实验室信息化、网络化建设是当前先进实验室重要特色和发展趋势。在新工科背景下需要充分利用信息化、网络化资源优势对大学物理实验课程的实施体系和传统教学模式进行改革，进一步提升大学物理实验教学和实验室管理信息平台。我校从以下几个方面进行物理实验平台信息化提升：（1）建设实验资源共享信息平台和实验教学管理平台。近三年物理实验教学中心投入近60万元建设有物理实验教学资源库系统、物理实验预习系统、实验考试系统和实验报告智能评阅系统。通过这些系统平台既可以为教学的有效开展提供各类素材;也可以方便教师出题、准备预习资源、安排实验预习及学生在线预习，让学生通过课前预习、模拟操作完成对仪器的直观认识、实验原理及仪器原理的理解;还可以完成学生作业管理，实现设置实验模板、安排学生报告、教师评阅报告等功能，从而提高实验教学效率。（2）建设大学物理虚拟仿真实验平台。物理实验教学中心已建有包含力学、热学、电磁学、光学和近代物理实验的大学物理实验虚拟仿真网站平台，能实现大学物理实验课程辅助教学网站的功能。（3）在物理实验中运用虚拟仪器。在传统实验教学中实验数据、手绘波形由学生用笔记录，在实验数据采集和处理上处于落后模式。为推进实验课堂信息化，在新大学物理实验项目中，对部分实验项目的实验过程中采用虚拟测试系统，如采用虚拟示波器通过连接电脑或手机对信号进行显示和处理，即可替代传统示波器有效降低成本，又可帮助学生生成电子实验报告。（4）加强仪器信息化管理水平建设。随着科学技术的发展，二维码技术具有信息容量大、制作简易、扫描和识读方便的特点，可以比较好的应用于实验室信息化管理中。在实验室建设过程中对现有仪器实现进行二维码识别，达到可以通过电子说明书帮助学生在预习和实验过程中所用，同时基于信息化可以随时将产品问题实时推送给厂商，缩短故障排除时间，从而减少仪器故障对课堂效率的影响。此外，进一步加大实验资源信息化建设，通过制作仪器操作视频教程并共享，实现可让学生完成实验预习和实验教学指导功能。

3 结束语

以培养学生实践能力和创新能力为核心，在“新工科”背景下对大学物理实验项目进行创新改革，通过整合实验室资源构建大学物理实验室新模块，以“物理实验技能与专业及科学研究相融合”的创新型人才培养思路改进实验教学方法，构建大学物理实验课的分层次的实验教学体系，进行强化基础训练、培养科学素质与创新能力的分层次培养模式，同时通过建立培养实验教师队伍及稳定实验技术人员队伍的激励机制和积极利用信息化技术与资源提升实验室平台信息化水平。建成的新工科背景下的大学物理实验室，能为新工科创新型人才的培养起到积极的促进作用。

基金项目：浙江省高校实验室工作研究项目（YB202008）;教育部产学合作协同育人项目（202101154030）。

参考文献：

[1] 吴爱华，杨秋波，郝杰.以“新工科”建设引领高等教育创新变革[J].高等工程教育研究.2019，（01）：1-7+61.

[2] “新工科”建设复旦共识[J].高等工程教育研究.2017，（01）：10-11.

[3] “新工科”建设行动路线（“天大行动”）[J].高等工程教育研究.2017，（02）：24-25.

[4] 李红阳，王立峰，高永丰，等.高校实验教学示范中心建设与创新型人才培养[J].实验技术与管理.2010，27（09）：111-114.

[5] 饶永超，王树立，嵇炜，等.关于高校实验室队伍建设的分析与设想[J].教育教学论坛. 2019，（34）：18-19.

[6] 林健.多学科交叉融合的新生工科专业建设[J].高等工程教育研究.2018，（01）：32-45.

[7] 王青.近代物理和高新技术物理与“新工科建设”—《物理与工科》“新工科建设”栏目开篇语[J].物理与工程，2017，27（6）：3.

作者简介：

简荣华：（1982—），男，江西高安人，硕士，物理实验中心副主任。研究方向：凝聚态光学性质、物理实验技术及实验室建设与管理。