大学物理实验生态化教学新体系的探索与实践

赵丽华，戴朝卿，王悦悦

（1.浙江农林大学 实验室与设备管理处，浙江 临安 311300；2.浙江农林大学 理学院，浙江 临安 311300）

近年来，不少高校提出培养创新人才，强化学生实践能力和创新能力的培养［1－3］。创新人才的培养必须强化基础，按金字塔模式建立基础、应用、创新3个层次的内容，在加强基础知识的同时突出应用又兼顾创新，这有利于学生个性的发展和创新人才的培养。大学物理实验课程涉及了自然界的力、热、电、磁、光等各种规律，是学生系统学习基本实验知识、实验方法和实验技能的开端［4］，是专业实验的基础，对提高学生素质具有举足轻重的作用［5－7］。

“十二五”期间，浙江农林大学确立了建设生态性、创业型大学的战略目标［8］。生态大学建设的核心是生态化教育。生态化教育的本质是“全面发展、因材施教”，教学体系也体现在以人为主体的生态适应性［9］。为此，围绕“解决适应、加强衔接、重视个性、增强能力”的教学改革思路，使教育过程成为有机生态整体，从课程体系、教学内容、模式、方法与手段、教学资源建设、学生实践等多方面、多角度进行大学物理实验教学改革，强化大学物理实验课程在学生专业发展及个性养成中的作用，明确了与专业课程间的关系，突出专业人才培养的针对性、适应性和应用性，提高了教学质量与学生学习效果［10－13］。

1 生态化实验教学新体系的提出

作为学生进入大学后第一门理论与实验相结合的公共基础课程——大学物理课，正处于学生从基础教育向高等教育、公共基础学习向专业学习两个转变的关键时期，教学新体系的结构设计从以学生为主体的两个“适应性”出发：适应素质的培养、适应能力的培养，体现生态适应性。

我们认为，目前大学物理实验教学改革的关键在于：

（1）基于生态化教育理念，着眼于教学生学会学习，从依赖教师的学习，转变为突破时空限制的自主学习，使学生“学到（做实）”→“学会（学活）”→“会学（探究）”知识，培养学生对前沿问题的敏感以及知识迁移的意识和能力。解决学生学习适应性问题，夯实学生“终身学习”的基础。

（2）从创新创业型人才培养目标出发，立足培养学生自主学习和探究能力，把教育过程看成一个有机的生态整体，包括教师、学生、课堂、内容、方法，环境设施、文化氛围，是把亲和、融合的精神贯注在每一个有机因素和环节之中，最终形成统一的生态化实验教学新体系，培养学生独立获取知识的能力，做到“授之渔”而不是“授之鱼”。

2 以“三层四模”为核心、“两个平台”为载体的生态化实验教学新体系

引入生态学上“群”、“链”的概念，以“知识模块群”、“层次链”的形式对大学物理教学体系进行全面规划，创建并实施了以下生态化教学新体系（见图1）。

图1 大学物理实验生态化教学新体系

2.1 构建以“三层四模”为核心的“平台＋模块”第一课堂教学新体系

在“平台＋模块”的第一课堂教学体系中，任课教师注重理论与实验教学的结合，教授物理所涉及到的先进技术和有代表性的成果，引导学生勇于探索、乐于实践、敢于创新。“公共基础平台”选取力、热、光、电等基础物理知识及实验，所选内容反映物理思想、注重基础，贯穿“基础性－综合性－探索性”实验三大层次，解决学生从基础教育向高等教育转变、突出素质培养的适应性问题。“专业提高模块”主要包含“力、热、电、光”四大模块，精选模块知识内容，注重模块知识的系统性和任务型学习，衔接专业课程，实现分类教学，解决学生从公共基础学习到专业学习转变，突出能力培养的适应性问题。

各模块知识层层递进、螺旋式上升，按照基本知识或操作（做实）－应用知识或仪器（学活）－探索知识或设计方案进行创新实验（探究）三阶段实施，突出学生能力的培养过程。

我校大学物理实验的教学内容将基础平台与专业提高模块相互融合，具体内容见表1。

2.2 构建以“实验网络教学平台＋自主开放实验教学平台”两大平台为载体的开放式第二课堂

实验网络教学平台主要由自行研发的导学软件、虚拟仿真软件、教学录像和教学互进系统（理论与实验习题库）4部分组成。学生通过近、远程网络教学平台进行预习、复习、数据处理，有效地保证课堂教学效果，提高学习效率。

表1 大学物理课程实验内容设置

自主开放实验教学平台分为初级 （做实）、中级（学活）和高级（探究）。初级平台主要让大一学生经基础性知识与实验系统训练后，再通过开放实验平台完成一些拓宽思维的实验项目，如简谐振动实验方法的应用研究等。中级平台主要是“四大模块”的拓展和延伸，选择适合学生专业学习需要的综合设计性开放项目，如对生物类学生开设“环境振动与低频噪声频谱分析”等实验，更能满足学生的专业学习需要，激发学生学习积极性。高级平台面向参与学科竞赛、大学生科研训练项目的学生开设具有创新性和研究性的课题，如模拟寡肽氨基酸的尺寸效应、扫描电子显微镜分析木兰属植物的花粉形态等。学生可根据自己的兴趣爱好和专业需求选择合适的开放实验项目。教师结合实验中心的具体情况安排开放时间，合理利用资源为学生提供自主开放的学习平台。

3 采用了“三位一体”教学模式

我们利用自行研发的导学软件、虚拟仿真、课内外演示、教学视频、教学互进系统及BBS论坛等网络化教学资源及实验室门禁与教学监控等现代化教学管理体系，实现课前预习自学、课堂教学研讨、课后反馈拓展的“三位一体”实验教学。我校大学物理课程教学以课堂为中心，课前、课后为两翼，“中心”带动“两翼”齐飞，三者紧密结合解决学生两个“适应性”问题，实现虚拟和真实教学有机结合。

在第二课堂网络教学平台的教学互进系统中，精心设计各知识点的问题，充分利用仿真实验和导学软件的预、复习新手段，让学生带着问题听课，引导学生发现→探索→解决问题，完成学习思考过程，培养学生良好的学习习惯。该系统中通过以物理知识的实际应用为课题，要求学生分组制作与课题相关的PPT并进行课堂讲解等形式，在师生角色互换的活动中，培养学生自主学习的能力。导学软件在实验课内外与学生交互、教师在教学现场对学生个性化指导、专家通过互联网远程答疑和指导，克服课程学时数少的难题，突破教学时空限制，师生间实现资源交融交互，使学生适应大学学习，完成从中学“被动式”到大学“自主式”学习的过渡。

现以“分光计的调节和使用”实验为例介绍学生创新能力培养的过程。首先，学生根据个人兴趣、专业特点及选课建议，参照实验教材，在网络选课系统中选择实验内容和时间。然后，进入第二课堂完成预备实验，进行实验预习。学生在完全开放的预备实验室观看光学实验规范的基本操作及注意事项的视频材料，通过近、远程手段完成与之配套的预习内容，克服了课程中缺乏直观感、立体感和动态感的问题，使学生学会预习。接着，学生刷卡进入实验室完成真实实验。若学生预习未通过，实验室门禁系统会报警，学生不能进行实验。上课时，教师先提问了解学生的预习情况，然后根据学生预习的程度结合导学系统进行教学。在实验过程中，学生遇到原理、操作疑问时，通过查询导学软件自行解决，以此培养学生自主学习能力，如遇到个别性的问题，则在教师引导下由学生自主解决。课后，学生利用教学互进系统等多种形式进行课后复习。最后，在第二课堂开放实验继续进行探索研究。

4 建设了大学物理实验网络信息教学平台和教学质量监控体系

为支撑上述大学物理实验教学新体系及“三位一体”教学模式对学生自主学习、探究能力培养的顺利开展，我校建设了网络信息综合教学平台和教学质量监控体系，实现了教学过程与结果监控的有机结合。

4.1 网络信息综合教学平台

4.1.1 数字化教学资源平台

该平台由课前预习系统（仿真软件、教学视频、教学互进系统）、课堂指导系统（导学软件）、课后习题练习系统（教学互进系统）、综合信息系统和学生创新园地组成。网络教学资源平台的搭建支撑了教学过程的顺利开展，实现了学生学习的自主化、网络化和交互化，提高了教学质量和教学效率。

4.1.2 数字化管理服务平台

该平台分为教学管理系统（学生选课系统）、师生交流平台（教学反馈系统和BBS论坛）、教学评价系统和资产管理系统4个子系统。学生通过选课系统选择实验项目。教师可通过教学反馈系统了解教学督导和学生信息员反馈的信息，及时改进教学方法，提高教学质量，通过BBS论坛了解学生学习情况，做到因材施教。此外，自主开发了教学评价系统，要求学生每次实验后进行评教，便于课程组了解教师教学现状，及时提出改进措施，使教与学互相促进，共同提高。通过教学管理服务平台的运作，理顺了教学管理过程，使得优质教学资源的传承和利用达到最大化。

4.2 教学质量监控体系

该体系实现身份认证、实验预约、预习报警、分配座位、实时监控及电源控制。学生进入实验室时在数据采集终端上刷卡实时认证身份、预约信息等，数据采集终端显示用户身份、可用设备信息及控制实验室门禁开门，并接通所预约仪器设备的电源。同时，利用摄像机管控学生实验全过程及学生实际上课时间。

特别地，系统可自动判断学生的预习状态并决定学生是否可参加实验，同时还可进行学生评教监督，加强教学质量监控。每次实验前学生必须预习达到良好成绩且通过学生评教，否则不能做实验。此外，系统具有实验操作考试的安排与派位及操作考试前安排预约开放实验室让学生复习的功能。

图2 实验教学监控管理体系

5 建立多维度课程评价模式

将平时与期末结合、理论考试与操作考试结合，作出预习成绩（教学互进系统导出）、平时作业、小论文、小竞赛、小课题研究、第二课堂表现等多维度课程考核。教师针对不同层次的实验，布置不同的、个性化的作业：基础性实验训练学生数据处理能力；综合性实验要求学生自行完成数据和结果处理过程；设计性实验由教师出题，学生设计实验方案，完成一篇设计小论文。课外开放项目由学生自拟课题完成实验，以论文或作品评定成绩。

6 结束语

近几年的教学实践表明，教学新体系的实施使得学生的科学素质与创新能力得到了充分的培养。例如，在浙江省物理实验技能与创新大赛以及浙江省大学生物理科技创新竞赛中获得一、二、三等奖共计25项，并且在全国及省挑战杯、全国机器人大赛、机械创新设计、周培源大学生力学竞赛等后续学科竞赛及浙江省、国家大学生创新项目立项研究中进一步获得优异成绩。依托各种大学生科研训练项目，教师指导学生第一作者发表8篇SCI索引论文，对分光计、长直螺线管磁场测定仪等实验仪的改进获得10项国家专利授权。

（References）

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