基于创新能力培养的大学物理实验教学改革实践

曾利霞，华雪侠，梅策香，张 辉

（咸阳师范学院 物理与电子工程学院，陕西 咸阳 712000）

大学物理实验是高等学校理工科专业学生提升科学实验能力和素养重要的基础性实践性课程。[1-4]但目前我国多数普通高校受教学条件的限制，沿用了传统的实验教学方法，缺乏创新理念，从而制约了学生创新能力的培养及科学素质的养成。从创新人才培养需求来看，大学物理实验课程体系与当前社会发展不相适应。因此其课程体系、教学内容和教学方法必须由封闭型向开放型转变。

1 目前大学物理实验教学中存在的问题

大学物理实验作为理工科学生进校后的第一门科学实验课程，不仅使学生受到严格、系统的实验技能训练，从中掌握科学实验的基本知识、方法和技巧，更要培养学生严谨的科学思维能力和创新精神，培养学生理论联系实际、分析和解决问题的能力，特别是与当代科学技术发展相适应的综合能力，因而实验教学应该面对科技进步的新趋势和新挑战，不断有所创新，以适应人才培养的需要。目前该门课程存在以下问题。

（1）长期以来，大学物理实验教学基本上沿用多年不变的教学体系和教学内容，与当今飞速发展的前沿科学新理论、新技术脱节，传统教学模式、方法和手段更是远落后于科学技术进步的步伐。大学物理实验实际上只是处于课堂教学的从属地位，其内容往往是教科书上已有基本物理规律的简单、重复验证。20世纪后期，科学技术发展的巨大成就很少在基础物理实验中得到反映。因此，学生感到基础物理实验课枯燥无味，严重地阻碍了学习的积极性、主动性、创造性以及现代科学思维方法的形成。

（2）本科实验教学课时为每个实验2个学时，在此时间内要完成实验原理、仪器原理、熟悉仪器的操作使用及实验内容，教师只能在教学过程中将实验原理、实验步骤、仪器操作方法等尽量讲细、讲清，留给学生思考的时间极少，因此盲目操作、走过场就是必然现象，成为呆板的模仿型教学。

（3）实验是物理学的基础，物理学概念和规律大多通过不同类型实验逐步形成并确立。但是，在理论教学中，概念形成过程中缺乏实验和前期学科背景，尽管学生知道结论，却不了解物理学家实验设计目的和方法，及最终形成精确规律的思考过程。这种只知理论形式，不知其中内涵，不利于学生科学素质的形成和理论联系实际的思考能力。

2 课程改革的实践方法

现行大学物理实验教学模式不能满足面向21世纪科技发展和人才科学素质的需求。因此，建立一种适合当代科技发展，有利于培养厚基础、创新性人才的教学新体系势在必行，为此许多学者进行了相关研究，提出了一些可行方案。[5-11]文献[5]中提出了多功能实验教学平台和“进阶”式教学体系方案，以满足不同层次学生的学习需求，激发学习积极性。文献[6]提出了在大学物理实验教学中引入虚拟实验技术方案，深化实验教学在培养学生的科学研究能力和综合素质的效果。文献[7]提出大学物理实验开放式教学模式，学生可以选择实验内容，培养自主探究学习能力。文献[8]以仿真物理实验为物理实验的教学手段，创建模拟实验操作环境，使学生更好地掌握物理实验。但多数方案尚未经过实践，个别方案只在小范围、个别实验项目中进行了实践。[6-9]

基于以上原因，我们提出了有利于创新性人才培养的大学物理实验教学新模式，经过在咸阳师范学院物理与电子工程学院电子类专业的实践，发现该教学模式能有效激发学生学习的主动性，在掌握基本实验能力的同时提高了学生的创新能力，教学效果较好。教学模式涉及课程体系、教学内容、教学方法以及课程考核方法等方面。

2.1 以培养学生自主创新为目标，建立物理实验课程新体系

基础物理实验课程新体系分为：基本仪器操作实验、基础类实验、创新性实验三部分，形成从低到高、从基础到前沿、从知识接受到综合能力培养的逐级提高。这样，基础物理实验课不再是课堂教学内容的简单重复和验证，也不再是把力、电、光、近代物理等独立学科的实验简单地串联起来构成实验系列。基本仪器操作实验，主要内容为基本物理量的测量、基本实验仪器的使用、基本实验技能的训练和基本测量方法与误差分析等，为普及性实验。基础类实验，逐步加大综合性实验和设计性实验内容的比例及难度，激发学生的学习热情，变被动学习为主动学习。创新性实验一，要求学生在教师指导下，自己设计方案来完成实验，从而达到学生综合思维和创造能力训练。学生通过设计实验，体验成功与失败经验和教训，获得素质的提升。创新性实验二，选择大学物理竞赛题目，围绕基础物理实验，以研究方式进行实验，使学生的研究能力、创新思维、应用能力得到训练。具体实验项目设置如表1所示。

2.2 注重大学物理实验内容的时代性与先进性

大学物理实验必须与现代科学技术接轨，才能激发学生的学习积极性与热情，才能使现代科技成果渗透到传统的经典理论之中。我们将大学物理竞赛题目作为创新性实验二的备选课题，实现了将计算机技术、光纤技术、光声谱技术、磁共振技术、核物理技术、软X射线显微技术、光谱技术、真空技术、传感器技术等现代科研成果用于学生物理实验之中。选择这些内容的目的是为了从物理实验的设计思想、物理实验方法、仪器的设计原理、结构及其应用等方面拓宽学生的知识面，使综合实验能力得到提升。创新实验可以利用网络教学手段（微课和慕课等）对实验教学内容进行课前预习和课后总结，使实验教学与理论课堂教学一样，在时间和空间上得到延伸。在创新实验实施中，实验室可以为学生提供必备的实验设备和器材，在教师的指导下，学生根据自己的兴趣和时间，自主选择实验内容、提出设计方案并完成，达到不同层次自主实验的目标。

表1 课程改革后大学物理（电磁学、光学部分）实验内容

2.3 开放实验室，满足学生的探索需求

开放实验室，不仅体现在时间开放，而且在内容上也开放，是个性化教学模式，满足学生求知、探索和创新的欲望，侧重创新精神与能力提升。在开放服务实验室中，教师负责指导和审核，学生利用实验室提供的设备，自主选题、设计方案，与教师讨论和总结实验成败的原因，形成创新点，较为优秀的实验结果最终以论文形式公开发表。

此外，课程考核方式采取过程评价，基础类实验（实验操作、出勤、实验报告等）占总成绩的50%，创新类实验一（设计报告）占总成绩的40%，创新性实验二占总成绩10%，区别以往的考核方式（平时成绩50%，操作成绩50%），加大了创新能力的考核比重。

经过实践发现：（1）通过先训练学生对基本实验仪器的操作和实验方法的讲解，可以更有利于培养学生创新思维的形成，例如在讲电学部分实验之前先让学生学会使用电源、电流表、电压表、滑动变阻器、万用表、示波器等一系列电学基本仪器，这样学生在以后的基础实验和创新实验中很快就能掌握实验操作的要点，尤其是探究实验，没有教师的讲解，学生也能很好地独立完成实验。（2）通过开放实验室，设置创新实验训练内容，大大提高了学生的学习兴趣，我们开设创新实验一的时间为一周，而创新实验二的时间从开课起就布置给学生，通过资料查阅、实验方案设计并实施，学生的兴趣浓、热情高，尤其是参与到大学物理竞赛的同学，不管是在查阅资料、动手设计、数据处理等方面的能力都大为提高，同时也增加了学生对物理的学习兴趣。（3）过程评价更能体现和细化学生的学习成果，体现学生的学习能力和创新能力。

3 总结

对大学物理实验进行了课程改革，涉及课程体系、教学内容、教学方法以及课程考核方法等。实验内容主要包括基本仪器操作实验、基础类实验、创新性实验三部分，其中前两部分主要是关于基本物理量的测量以及常用测量仪器的原理及应用、基本实验方法的训练；创新性实验增加了学生自主查阅资料、自己完成实验方案设计，在教师指导下完成整个实验环节。通过这一改革方案的实践，发现学生能正确使用操作仪器并设计合理的实验方法，应用理论知识解决实验中出现的问题；创新性项目的设置，拓宽了学生的知识面，有助于综合实验能力养成；开放实验室为学生创新能力的培养提供了保障；过程评价方式更能体现和细化学生的学习成果，准确评价学生的学习能力和创新能力。因此，在今后的大学物理实验教学过程中，我们还将对课程改革的方案进行摸索、实践，力争真正促进我校创新型人才的培养，提高大学物理实验的教学质量。