大学物理实验供给侧改革探索与实践

张 勇, 刘存海, 郭 冰

(海军航空大学 基础实验部， 山东 烟台 264001)

0 引 言

我校大学物理实验从1992年开始独立设课，25年来，先后经历了4次大规模的实验室搬迁和实验设备升级改造。目前共有实验设备1 000余台套，面向全校各层次学生开设实验项目58项，年均教学6万人时。25年中，大学物理实验课程建设成果丰硕，实验室建设水平显著提升，师资队伍结构日趋合理。大学物理实验课程被评为海军优秀课程、山东省优质课程，大学物理实验室被评为全军示范实验室，大学物理实验教学团队被评为海军优秀教学团队。在取得成绩的同时，应清楚地看到，还有一些不可回避的问题清晰地摆在我们面前。学生的学习积极性不高、学习动力不足的问题仍然大面积存在；学生的学习能力和创新能力距离新时期强军目标要求还有很大差距；课程建设水平始终没能取得大的突破，还有很大的改进空间。

1 大学物理实验供给侧改革的内涵

供给侧是经济领域的一个专有名词，包含劳动力、产品和服务。2016年1月，习近平主席在主持中央经济体制改革领导小组会议上明确提出经济体制改革的重点在于供给侧结构性改革。北京师范大学刘坚教授认为，“教育产业也应该进行供给侧改革，去除落后产能，优化供给结构，提高供给能力”。供给侧改革是一种方法论，大学物理实验供给侧改革是把这种普遍的方法论与大学物理实验课程的具体教学实践相结合，是理论联系实际的一次具体实践[1-4]。教育是一种服务，教育产业供给侧改革关键是要明确教什么，怎么教。国内学者目前的研究方向大都集中在教育产业[5-10]和大学层面[11-14]的供给侧改革，具体结合一门课程进行供给侧改革尚未见诸报到。大学物理实验供给侧改革就是要研究该课程的教学内容、教学模式、师资水平等要素中还有哪些结构性问题，有没有落后产能，有没有供给方式不合理和供给能力不足的问题，从而进一步优化教学内容，改善教学模式，提高教学能力，促进课程建设水平的提高和学生培养质量的提升。

2 大学物理实验供给侧存在的问题分析

从供给侧来看，大学物理实验在实验项目设置、课程教学模式和实验教学能力等方面还存在着供给结构不合理、供给方式单一、供给能力不足的问题，同时也存在一定的落后产能。

(1) 知识与能力定位错位，存在供给结构不合理问题。大学物理实验课程标准对每个实验项目都明确提出了实验目的，而这个目的的着眼点侧重于实验的知识框架和达到的程度指标。这种表述是建立在应试教育基础上的知识目标，是要求学生做什么事，做到什么程度，并不是实验教学的能力目标。单纯的从知识的角度去建构学生的能力必然会导致能力目标定位不准确、不清晰的问题，尤其是当一种能力可以由多种知识建构，一种知识可以作为多种能力载体的时候，就不可避免的产生知识重复而能力单一或者能力重复而知识单一的问题。知识与能力定位的错位反映了大学物理实验供给结构的不合理。比如分光计调整与使用项目中要求调整望远镜光轴与载物台主轴垂直，钢丝弹性模量测量实验、金属热胀系数测量实验都要调整望远镜光轴与光杠杆反光镜镜面垂直。这3个项目在内容要求上各有个性，一个是利用分光计测量三棱镜的最小偏向角，另一个是测量金属丝的抗拉伸性，最后一个是研究材料的热膨胀性质，而这3个项目在能力要求上又具有共性，都是培养学生同一个能力，就是调整光学系统的等高垂直。将同一个能力分散到三个不同的实验中去，独立地看每个项目的知识点不同，但联系起来看，能力要求又存在着大量冗余。应该深刻认识到，从能力培养的角度看，物理学科只是一个载体，力学、热学、电学、光学只是一个载体，每一个实验项目也只是一个载体，能力培养要依赖于具体的载体，但却要跳出载体从更高的视角去认识。要从能力建构的视角来观察和审视实验项目，才能避免单纯的知识堆砌。大学物理实验供给结构改革就是要从能力供给的角度去看待物理学科和实验项目，改变以知识为中心的实验项目编排方式，围绕学习能力培养和创新能力培养的总目标，按照能力逐级递升的顺序开设物理实验项目，每个实验项目确定一种能力培养指标，各指标之间最小重复，甚至可以建立以能力为中心的专题实验项目群。

(2) 部分实验项目老旧，存在局部落后产能问题。大学物理实验课程实验项目的取舍基本依据是教育部2004版“大学物理(含实验)课程教学基本要求”和2007版“军队院校基础实验室建设标准”中关于开设实验项目和各类别实验项目数量比例的建议。例如“要求和标准”中规定的实验项目包括长度量、密度、透镜焦距、电阻等传统测量实验项目。由于近几年高中教学条件的逐步改善，相关实验项目很多学生在高中已经做过，大学物理实验再重新开设就存在着重复学习的问题；但又由于高考指挥棒的副作用，很多学生高中阶段没能透彻的掌握该类实验项目，大学物理实验课程又有重新教学的必要。老旧的实验项目、老旧的测试手段是一种落后产能，如何去掉或者转化落后产能提出了新的要求。可有两种做法：① 提升教学理念，使老旧项目焕发新的生机。比如透镜焦距测量实验如果单纯的停留在一倍焦距、二倍焦距成像和牛顿薄透镜公式的层面上，它就是一个旧项目；但若转换观念，从误差控制的角度去研究，如果要求透镜焦距测量误差小于1%，那么物距、像距该怎么选择，这就是一个新的课题；再如密度测量实验，如果单纯从密度定义式和阿基米德定律去审视也是中学的内容，而从张力传感器定标、实验中材料表面气泡影响、载物筐细丝影响角度去审视又是一个新的项目。② 积极运用现代测试技术，改造老旧项目。相关“要求和标准”中在确定实验项目的同时积极鼓励将现代测试技术和测试手段运用到实验教学中。在电阻测量实验中如果还是使用伏特表和安培表测量电压和电流，这就是一个落后项目，如果运用数据采集卡测量各种电学量，再利用计算机进行实验数据处理和作图既实现了老旧项目的升级，又在教学中融汇了计算机应用技术。再如长度测量实验，在原有直尺、游标卡尺和千分尺的基础上，增加激光测距仪、激光测角仪的使用，既能使实验内容更加饱满，又能使学生接触到现代测试设备，一举两得。

(3) 教学过程个性化设计不明显，存在供给方式不灵活的问题。在多年的教育实践中，我们一直把教育的目标定位于培养什么样的人。为了促进社会的进步和发展，这种目标定位表象上看是正确的。但是在设计这个目标的时候恰恰忽略了教育的需求者，也就是人的个体差异。把所有的受教育者按照同一模具，塑造成统一的样子，并没有尊重教育需求者本身的个体差异。而这种忽略了个体差异的教育必将导致受教育者被动接受，教学过程沉闷、教学效果不高。湖南师范大学校长张楚廷教授对大学教学课堂上的沉闷状态深度担忧，他说，“课堂本是激发头脑风暴的地方，但是它却寂静得令人可怕”。实验教学的沉闷，表象上是学生学习积极性不高，学习动力不足，学习态度不端正，而深层次上反映的是实验教学工作者供给的产品不对路，供给的方式得不到认可，供给能力还有待提高。目前的实验教学模式尽管较以前有很大的改善，在基本实验、综合实验和设计性实验等不同阶段分别采用了精讲精练、少讲多练、不讲自练等方式，但仍然脱离不了教师主导课堂、主导学生思维的惯性。实验教学的基本模式仍然停留在围绕教材编写教案、设计幻灯片，按照顺序流程，将每一个实验项目的实验目的、实验原理、实验设备和实验方法步骤逐层展开的单一教学模式。教学过程中学生仍然处于一个被动的“听”的地位。实验教学模式单一，也就是作为供给侧的教师供给方式单一，供给方式不灵活，没有针对不同的个体需求提供个性供给，没有针对不同的实验项目设计个性供给。改变实验教学供给方式就是要改变课堂教学模式，大胆的探索多种教学教学模式相结合的思路。比如可以采用学生代替老师的模式组织教学。预先布置和指导一名学生熟悉一个实验项目，并要求其准备教案和教学幻灯片，在适当的时候由该名学生给一组学生讲解和指导一个实验项目的方式，这种做法一方面可以提高该学生参与实验学习的热情，另一方面由于是学生与学生之间的交流，也可以提高其他同组学生参与实验讨论的热情。还可以采用自选设备模式组织教学。首先由教师提出一个宽泛的实验题目，题目中不涉及具体的设备和方法，并提供实验室可选设备和器材清单，组织学生分组研讨方案、选择设备，自行设计和完成实验，教师跟踪过程并作适当指导，最后采用分组答辩的方式进行教学验收，这种教学模式可以充分发挥学生的主观能动性，提高学生知识检索和实验安排的能力。

(4) 师资队伍创新教学能力不高，存在供给能力不足问题。熊宏齐教授将实验对于创新型人才培养的作用归纳为4个方面，即创新意识、创新思维、创新技能、创新品格。创新是物理教育本质的自然回归，符合素质教育的理论和实践的要求。实验渗透着方法教育，对养成良好习惯，训练意志品质有积极作用，是提高素质的重要途径。而解决创新型人才培养问题的关键在于教师，在于教师的创新教学能力。目前的实验教学过程，教师关注点在于如何将书本的知识、实验内容告诉学生，如何指导学生完成实验内容，而并没有将着眼点放在培养学生学习能力和创新能力上。知识是无穷尽的，是永远学习不完的；相反，恰恰是能力的培养才是终生受用的。一个实验不重要，一个知识点也不重要，重要的是学习能力和创新能力。而对于学习能力和创新能力的培养重点就是要求实施教师转型。教师是实验教学的供给主体，教师转型要求广大教师除了要具备经典的传道、授业、解惑等教学基本素养以外，还要具备创新素质，做到科学与人文并重、基础和创新融通、规范和个性并存，鼓励和引导学生去发现实验设计、实验方法、实验结论及数据处理中的问题，并能够从多种角度去解释这些问题，在引导过程中促进学生去发现更多的问题，并创造性的利用掌握的知识来解决新的问题。比如霍尔效应实验中一般教学对于负效应的消除的方法是总结4种负效应随着磁场方向和工作电流方向的改变的变化规律，再根据消减法则合理改变励磁电流和工作电流的方向，叠加计算消除负效应，实验中需要改变4次电流开关的组合方式。但教学中如果尝试引导学生去发现这4种负效应以及霍尔效应有什么共同点，发现随着工作电流和磁场方向的改变，爱廷豪森效应和霍尔效应变化方向相同，而能斯特效应和里纪-勒杜克效应变化方向相同，不等位电压独立变化，这样原有的4种负效应按归类处理的思想重新规划，只要改变两次开关组合方式，在采用消减法则即可得到霍尔效应，这种创新思路：① 更符合物理上的归类处理思想，使各种负效应间的关系更明确；② 可以达到简化操作步骤的目的，甚至还可以在这种思想引领下进行实验设备的创新改造。再如三线摆测量刚体转动惯量实验中[11]，传统的方法是采用转动惯量叠加原理，利用总的转动惯量减去无载荷时的下圆盘转动惯量得到待测刚体的转动惯量，这种方法中将相关长度量、重力加速度、质量和周期等物理量作为参考标准，但如果采用下圆盘无载荷时的转动惯量作为参考标准，因其是规则柱体，可以通过其质量和半径直接计算得到，再采用总转动惯量与无载荷时转动惯量的比值关系来计算待测刚体的转动惯量，既可以减少对相关长度量的测量，也不需要考虑当地重力加速度，达到减少测量，提高精度的目的。

3 大学物理实验供给侧改革的实践

从2014年开始，课程组从课程标准、教学内容、教学模式、师资队伍培养和学生创新能力培养等5个方面着眼供给侧存在的问题，实施精准改革，举洪荒之力，进行了大量的实践探索，取得了良好的效果。

(1) 创新课程标准。以学生学习能力和创新能力培养为主线建立弹性课程标准，从能力评价入手倒逼学生学习能力和创新能力的提升，改变以往规定学时、规定项目、规定考核方式的死板做法，做到项目数量和项目性质选择权力放宽、项目执行学时和学习方式放宽、课程考核方式和考核时间放宽，进一步加强能力指标建设，能力评价标准从严。逐步建立了学生实验能力指标体系和实验能力评价体系，并在2016级学生中进行了评价试验。建立了课程标准动态修改制度，平均每年修改1次课程标准，年更新实验项目数量不低于5%，引进新的实验项目和实验技术、淘汰落后的实验项目和实验技术。

(2) 新编《大学物理实验》教材。自编《大学物理实验》教材1部，2015年3月由国防工业出版社出版。全书以全新的理念和视角对大学物理实验教学内容进行了重新组织。突出学习能力和创新能力培养这个主题，按照物理学的二级学科分支这条主线，从基本器材和经典仪器入手，超越仪器设备型号限制，主张自主搭建实验环境，强调实验方法的通用性和普适性，注重实验文化生成和军事素养培树。全书共包含100余种实验方法和200余项实验任务，涵盖了军队院校大学物理实验教学基本要求中的全部内容。作为海军航空工程学院大学物理实验教材已使用4 000册，其他部队院校作为教参使用100余册。教材在亚马逊、天猫、京东等知名网站上公开销售。

(3) 创新课堂教学模式。从20个基础实验项目中选取6个项目作为教改样本。以研讨式实验教学法为基本切入点，结合各实验项目特点，凝练教学问题，完善教学过程，分别形成了以探究式、研讨式、翻转课堂为主的教学设计案例及配套教学资源。将4个项目在不同组的学生中分别进行了教学应用试点。对比试验表明课上学生自主操作的时间占比由1/2增加至2/3，学生自主发现问题数量较对比组平均提高了10%，其中由自主问题衍生的创新主题平均提高了5%，部分主题已产生创新成果，并在各类竞赛中获奖。学生自主发掘问题的能力有所提高，问题范围由单一的设备操作扩展为实验设备改进、实验方法对比、实验对象转换、数据处理多样化等多个方面。

(4) 培养“双师型”教学队伍。建立了实验教学队伍培养5年规划，确定了“工程师+讲师”师资队伍培养计划。通过选派教员外出学习或进修，系统解决能力不足问题；选派教员外出参观或调研，系统提升教员的知识阅历；选派教员外出参加各类教学竞赛和比赛，系统了解外校教学情况，借鉴优秀教学经验；聘请外校专家进校讲学，扩大优秀经验的普及面，专家领域不仅局限于物理学，还包括教育学、军事领域和企业精英。3年中共聘请5名外校专家来教研室讲学，选派5名教师到外校进修，参加各级各类教学竞赛12人次，获得各级各类奖项6项，参加各类学术会议和教学研究会议12人次，召开内部教学研讨会40余次，共发表学术研究论文和教学研究论文100余篇，大学物理实验课程组被确定为海军优秀教学团队。

(5) 开展创新实践活动。从2010年开始，课程组以军队院校物理创新大赛和山东省大学生物理创新大赛为牵引，以学院“探索之路”选修课程为依托，以“砾石”物理创新俱乐部成员为核心团队，构建了“大赛牵引、课程依托、团队支撑”的大学生物理创新活动组织体系。6年中共申报实用新型专利1项；组织学生参加军队院校物理创新大赛2届、山东省大学生物理创新大赛4届，获得特等奖2项，一、二、三等奖49项；推出创新型实物作品100余项，开发三维虚拟物理实验项目20个，学生独立发表学术研究论文5篇，共有462名学生参与到物理创新活动。

4 结 语

大学物理实验课程供给侧改革是一个需要不断探索和完善的主题，尤其是针对供给侧存在的问题还要进一步分析和细化，对供给能力的培养还需要进一步在制度化、精细化上下功夫。进一步提高广大教师对课程教学供给侧改革的认识，高度重视学生创新能力的培养，提高供给质量，进而提高人才培养质量，满足未来高技术战争对创新型军事人才的需求。

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