强化基础知识与工程素养的新工科物理实验课程体系改革与实践*

2024-04-13余雪里秦平力

物理通报 2024年1期

余雪里张昱秦平力马良

(武汉工程大学数理学院湖北武汉 430205)

为适应新形势下的大学教育改革,教育部印发了《关于在部分高校开展基础学科招生改革试点工作的意见》(也称“强基计划”),积极探索建立基础学科拔尖创新人才选拔与培养的有效机制.“强基计划”是以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,着力培养综合素质优秀或基础学科拔尖的学生,突出基础学科的支撑引领作用.高等学校是人才队伍培育的引擎和输送源头,尤其是在全球经济一体化、技术智能化、资讯网络化的新时代,社会产业亟待升级,进而导致各产业领域对交叉型、应用型、创新型等综合性优秀人才的需求十分迫切.在此“新工科”背景下,大学物理及其实验课程是工程类各专业的基础,肩负着新工科人才培养中“排头兵”的重要使命,因此,适应新形势下新工科物理实验的课程设计尤为重要[1].

由此,各高校的工科物理实验课程体系的改革与探索此起彼伏,这意味着传统分立模块的 “工科”被“你中有我,我中有你”的“新工科”取代,这是新工科诸多内涵的表观特点之一,折射出新工科人才培养的核心理念——跨界、交叉与融合以及新工科基础课程体系的建设目标——整合、优化、重组[2-3].全国不少物理实验示范中心为此做了大量的改革,不断从教学手法、教学手段与方式上去探索有利于创新人才的新培养模式.不少高校为达成这样的理念和目标,已率先在大学物理理论及实验系列课程上革新,努力实现对工科学生的批判性思维、设计性思维、工程式思维、数字化思维等能力的培养,有效凸显基础课的作用[4].国内有些高校还尝试了项目引领下的重组知识结构、打通专业壁垒、融合课程体系等的改革,将教学改革和建设重点聚焦到新工科多学科交叉的高素质复合型人才培养的基础环节上,并取得了一些成效[5-6].

1 工科物理实验课程体系改革背景

目前,全国很多省份对高考进行了“3+X”模式改革.部分学生在高中阶段没有选学物理,即使选学物理的学生在高中阶段也没进行全方位地物理实验技能训练,物理实验教学大都停留在纸上、黑板上,这是对现在工科物理实验教学体系的一个重大挑战.由于物理学习本身难度较大,再加上重视程度较20世纪有大幅度下降,这就导致大部分学生对工科物理实验普遍兴趣减,预期低,从而导致实验课程粘度小.因此,只有根据高中阶段物理实验教学现状和学生的知识结构,在原有的教学体系与模式基础上,搞好“高中+高校”间的知识衔接,优化现有实验教学内容与教学管理模式,增加学生对物理实验的兴趣,这才是目前工科物理实验教学模式改革的重中之重.

1.1 如何将课程思政元素融合到新工科物理实验课程各教学环节

众所周知,国内多数高校的工科物理实验课程教学理念多年来侧重物理知识、实验方法、实验技能和数据分析方法的传授,以及学生发现问题、分析问题、解决问题能力的培养,很少涉及学生精神品质与价值观的培养.如何在工科物理实验课程的预备预习、课堂教学、实验操作、实验报告和实验创新等环节将科学与工程素养潜移默化融入,全方位拓展物理实验教学内容的广度和深度,解决工科物理实验课程与思政理论课间的协同效应,也需要积极探索.

1.2 如何兼顾师生交流难、讨论少以及学生的个性化需求

信息化新形势下,如何发挥互联网具有的机动、灵活和个性化的优势,构建不受时空限制的物理实验教学网上平台,已经被广泛讨论.即如何在全校大面积教学对象中,有针对性地解决学生在学习过程中的个性化需求,及时交流互动,随时联系和答疑解惑,真正实现“不拘一格降人才”的教学理念,激发学生学习的主观能性,变“要我做实验”为“我要做实验”,变“填鸭式、教师指导下做实验(被动实验)”为“自主设计实验(主动实验)”,变“机械地做实验”到“有目的地做实验”,再到“实验拓展”“创新实验”的提高阶段,值得研究.

2 新工科物理实验课程体系实践

新工科背景下的工科物理实验课教学改革与建设应是尽可能多地开发教学资源,构建多样化教学模式,提供多种自主学习平台,调动学生主动学习的积极性,引导学生从“要我学” 向“我要学”转化.工科物理实验是基础中的基础,更要以培养学生扎实的基本理论、较强的基本技能和良好的基本素质作为目标.课程改革要使得工科物理实验教学模式更多形式地展现理论知识,提高学生对基础知识的兴趣、热衷于实验创新的主观能动性;课程体系构建还要依托信息化手段,推动工科物理实验的智慧化建设,扩大优质教育资源覆盖面,逐步缩小区域与城乡间的学生差距,利用现代化技术加快人才培养模式的改革,并最终达到向社会开放在线课程的远大目标;课程革新更要虚实结合与开展 “线上”和“线下”混合教学,增强学生们的真实体验感,引起学习兴趣,提高学习效果.最终课程教学设计要实现以强化基础知识学习兴趣为导向,充分调动学生的自主学习能力,鼓励实验拓展与项目创新,真正使学生体会到“学以致用”,促使学生更积极主动地探究基础知识,从实践和理论两方面提高教学质量.这对目前国家强调基础研究与教育部关于培养新工科背景下的复合型创新人才的方针具有时代现实意义.

2.1 在实验前开设预备性物理实验选修课补齐高中欠缺的基础性知识

在正式物理实验课前,先在线上开设物理实验基础技能介绍和实验操作视频,让学生在线上学习,再由系统统计学时数,达到要求时就可以参加线上测验,通过后就可以到线下专门设置的开放实验室进行一些基础性物理实验,如基本物理量的测量,验证性的实验等.这是为了给部分高中实验技能未完全达到训练要求的学生补课,起到了填平补齐作用,使全校新生整体物理实验水平基本一致,从而提高教学起点.目前,全国各省的各种高考改革使得有部分学生中学实验基础较差而没有得到必要的锻炼.尤其是伴随着高校扩招的步伐,有些学生的中学物理实验基本素质有所下降,再加上边远地区、山区的学生中学实验基础条件差而没有进行基本的实验技能训练.因此,有必要对这些学生进行补课,为提高 “物理实验 ”必修课的教学起点打好基础.正是在此背景下开设预备性物理实验课程,主要通过线上学习与线下体验相结合的课程设计,对中学实验基础欠缺的学生提升其实验技能.当然,基础好的学生也可以根据自己的兴趣,选做一些有一定难度的实验,提升实践能力.实验课程选修过程中,学生可以通过网络在线的答疑与释惑,经线下实验后将数据上传,教师再线上评判实验数据的合理性和准确性,并在此基础上对实验数据进行处理,完成对实验结果的总结与分析,最后由实验教学团队总体评分.这就为中学实验条件薄弱的学生提供了实习预演的实践场所,增加了其在后续实验课程学习中的自信心,同时全面提高工科物理实验课程的教学效果.

2.2 虚实结合开展线上线下混合式教学融和思政元素

随着网络信息技术的发展,移动终端智能化程度越来越高,社交工具已步入课堂.线上教学突破了传统课堂教学在时间、空间和人数上的限制.新的教学改革模式需要优化线上课程建设,满足内容覆盖全,做到常规内容比教材更深入细致,非常规内容(如仪器操作等)就以多媒体教学资源学习为主.期间,还可以穿插一些饱含无私奉献有爱国情怀的物理学家故事等影视资料,里面也可以有科学家们在发现物理定理和现象过程中,表现出的勇于创新、锲而不舍的科学精神,这都有助于激发学生献身科学的理想.

另外,在实验预习、课堂教学、实验操作、实验报告和实验创新等各环节也可以用相关小视频潜移默化地对学生进行科学素质教育,更能在科学重大发现和物理实验操作过程的视频学习中体会团队协作、相互诚实守信的重要性.例如在“液体表面张力系数测定”的实验教学过程中,开始可以先从水面昆虫和荷叶上的水珠等生活中的液体表面张力现象引入,再到祖国国际空间站的水滴实验,这一下就能激荡起学生的兴趣与民族自豪感,然后自然就过渡到实验原理等的讲解上,中间尤其需要重点讲解实验仪器设计难点,即微小力的精确测量,体现课程特色.实验介绍完后再总结实验的设计精妙之处,以及其中的创新思维,指出本实验就是把力学测量转换为电学的测量,不仅测量方法简单还提高了测量精度,更感悟出物理实验中最重要且普遍运用的转换思维思想.最后为了让大学生体会到“材料改变生活”的真实场景,内容甚至扩展到现今发展的纳米材料的防水技术原理,并举例纳米涂层材料和新世纪的纳米布衣服,不仅防水还防污,说明这都是利用液体表面张力的现象,使学生眼前一亮,科学兴趣定会提高不少,科学元素和工程素质培养目标被淋漓尽致的实现了.还有在“超声波声速测量”的实验中,可以先抛出现实生活中充电难的问题,让学生思考,再到世界大学生创新项目——超声波无线电充电技术,解决了这个难题,学生马上就能集中注意力,迫切想要了解超声波的奥秘,本次实验教学自然水到渠成.实验中重点介绍压电换能器的功能,实现了电-声和声-电转换,学生在这里又体会到了物理实验中广泛存在的转换思维.总结时再联系到我国的深海探测技术与领先世界的装备,超声波通讯的优势跃然纸上,最后拓展到新一代潜艇技术难点,必然激发大学生献身祖国,攻克“卡脖子”技术的热忱.

其实,大学生做的每个实验项目都是物理经典,只要善于挖掘,了解其前世今生,就能达到知识与科学元素有机结合,教学效果就会事半功倍.如此,不仅全方位拓展了实验物理教学内容的广度和深度,还突显了工科物理实验教学的思政特色.

2.3 实施分层次渐进阶梯式教学拓展实验内容

以往的工科物理实验课基本是整齐划一的教学模式,这就导致有的学生“吃不饱”,有的学生“吃不了”.每个大学生的实际水平、能力和目标都是不一样的.教育就应适应大学生的个性化需求,分层次教学必不可少.

工科物理实验课课程设计的第一阶梯应是一般性的基础物理实验项目,能很好地衔接高中物理实验项目内容,也为后面的实践课程进行一定的知识储备,起到承上启下的作用;其第二阶梯应该是综合性物理实验项目,依据教育部工科物理实验教学大纲来统筹各实验项目,最好把类似或同类型实验项目同室设置,让学生加深理解,这样启发性更强.这也同时为不同专业的学生开设与专业课程相关的实验项目打下了基础,使得知识体系一脉相承,有利于今后的实践创新活动;其第三阶梯应该是提高性物理实验项目,适当安排一些近代物理实验和综合设计部分,实验室提供各实验仪器模块,学生根据要求自己完成组装设计,不预设任何前提,没有约束限制,更加自由与开放,也有更大的想象和创造空间,这就能充分发挥学生的主观能动性;最后的第四阶梯应该是课外实验创新部分,希望通过完整的实验实践训练后,学生能调动潜在的积极创造性,依据课题项目或为解决某一实际需求对现有实验装置进行改进或自己设计组装创新作品,并参加各种创新型赛事,检验成果.

这样就能依据全校理工相关专业的本科生现状进行不同层次的实验教学,完善分类分层次的课程体系为不同学生的学习提供了立足于基础、逐步提高、创新设计、综合开发与应用、独立研究等类型的实验,形成稳定的创新能力培养模式,使学生逐步掌握物理实验基本知识和技术,培养学生的科学实验能力和实事求是、勇于探索和钻研的科学素养,切实提高学生今后独立工作、设计和创新能力.每个实验项目内容的设置都是采取从易到难,从基础到综合再到提高,直至创新阶段,形成渐进式阶梯内容拓展模式,达到普通学生强基础,一般学生上水平,优秀学生玩创新,真正实现“因材施教”的教学理念.

2.4 设立全天候自主开放实验室开展创新实践活动

为了在实验课程完成后,让有兴趣的学生还可以继续在实验室进行实践创新活动,还必须建设一间配备常用工具、常用仪器的全年开放的创新实验室,这是培养学生创新与工程能力的关键.当学生完成从一般性实验到综合性实验再到提高性实验的系列训练后,一些结合全国各种创新大赛项目信息会在线上发布,有兴趣的学生可以自由组队,承接里面的题目,也可以自己选择课题,提交到网上.实验中心会组建由不同专业背景且经验丰富的教师组成创新教学团队,先进行网上评审,选择优秀的项目进行资助,并指派专门的教师进行一对一指导,并开展定期汇报和创新教学团队集体评议的方式推进项目,不断改进与优化项目作品.有计划地组织学生参加国内外创新大赛,渐进提高大学生的工程实践能力.

通过以上有效的组织和运行机制,从创新信息发布到学生提交方案论证再到启动项目,以及定期进行的交流评选,这就让一些有兴趣实践的学生从一年级直至毕业一直把“全天候自主开放实验室”作为第二课堂.学生通过自己的思考动手完成自己设计的作品,不仅锻炼了创造性能力,提升了想象力,也会极大地提高学生对物理实验的兴趣和热情,也为大学生各种创新大赛储备技术能力和人才,以期培养出一批拔尖有创新能力的学生,为国家输送满足新时代需求的工程创新人才[7].

3 教学改革目标

新工科物理实验课程体系实现了“预备实验+平时+期末+拓展+创新”的多维度的综合考评机制,具体采取了“实验预习(含线上预习)+实验报告”+“实验操作”+“现场实验考试”+“创新实验”+“课程思政”+“拓展加分”等的多种成绩评判.通过网上视频资源和与之相适应的教材体系建设,形成了“网上课堂”与现场实践教学相得益彰的教学效果,强化了实验室多媒体网络化教学,教师的教学与学生的学习都能够充分运用现代信息技术,拓宽了实验教学空间,有利于学生的个性化培养,更优化了教师与学生的网上互动系统,统一了教师与学生网上互动端口与平台,促进了师生之间互动交流的智能化管理,形成了新形势下的工科物理实验课程体系.