创新型人才培养的《大学物理实验》教学体系探索

崔连敏,周 群,汤 猛,马姗姗

(上海理工大学公共实验中心,上海200093)

0 引言

《大学物理实验》课程覆盖面广，具有丰富的实验思想、方法和手段，能为学生提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的专业基础性课程。它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其它实践类课程不可替代的地位。当前的《大学物理实验》课程教学存在一些弊端，已经无法满足创新型人才培养。为了激发学生的创新意识，引导学生学习兴趣，必须创新大学物理实验教学方法，优化大学物理实验课程，探索创新型人才培养的《大学物理实验》教学模式。

1 教学现状分析

(1)教学内容偏重传统实验项目，难以激发学生的创新意识。当前《大学物理实验》教学内容主要是对《大学物理》课程中已有定理或定律的验证，包括力学，热学，光学，电磁学和原子物理等传统物理学[1]，或者是相关实验仪器的操作使用，很难激发学生的学习兴趣和创新意识。

(2)教学方法侧重知识灌输，不利于培养学生的创新能力。《大学物理实验》教学过程主要包含以下两个步骤：①实验教师讲解实验目的，实验原理和实验需要注意事项，讲授实验仪器结构和使用方法等；②学生进行实际实验操作，记录实验结果并对实验数据进行处理等。教学过程缺乏互动，普遍存在以“教师为中心”现象[2]，使得实验教学枯燥无味，很难启发学生创新性思维，培养学生创新性。

(3)考试评价方式无法准确反映学生科研创新水平。《大学物理实验》课程考试评价大多依据学生每次实验结束后上交的实验报告，汇总后得到最终成绩[3]。学生将大部分精力投入到实验报告整理上，甚至出现抄袭，篡改他人实验结果等情况。这种考试评价方式无法反映学生真实实验水平，也无法准确体现学生的个人科研创新水平。

传统的实验教学已经不能适应社会发展的需要,必须对原有的实验教学内容更新和完善,建立紧跟学科前沿发展方向,以培养学生综合能力、实践创新能力为宗旨的新型教学体系。

2 教学体系探讨

2.1 建立分层次的创新大学物理实验教学内容

随着《大学物理实验》教学的长足发展，分层次实验教学已获得普遍共识并被许多高校所采用[4]。根据培养创新型人才的发展战略，上海理工大学理工科各专业的实验教学基本上可以分为3个层次：基础验证性实验、综合设计性实验以及创新性实验。通过对《大学物理实验》课程教学内容进行梳理和优化，以提高教学效率，激发学生创新学习意识为目标，建立了如下分层次创新人才培养的《大学物理实验》教学内容，其课程设计见表1。

表1 分层次创新人才培养大学物理实验课程设计

(1)第一层次是基础验证实验。基础物理实验针对全校各专业学生授课，教学内容除了基础物理理论验证例如声速测量、霍尔效应实验、单缝衍射的光强分布及缝宽测量等外，还包括例如示波器原理及使用、迈克耳逊干涉仪原理和调整等的一些常用实验仪器原理和使用。基础验证性实验是综合提高实验和创新开放性实验教学的前提，该层次的教学目标是使学生掌握基本的科学实验技能，掌握常规仪器的使用。通过多次独立完成实验的锻炼，逐步提高学生分析问题与解决问题的能力，进而提高其创新能力[5]。

(2)第二层次是综合提高实验。综合性实验是指在同一个实验中涉及到多个知识领域，综合应用多种方法和技术的实验，主要针对理工类专业学生进行教学。综合性实验目前开设了改装欧姆表、用示波器测电感、测热敏电阻的问题特性、用双缝测光波波长、热电偶测温方法、冲击电流计测螺旋线管内部和外部磁感应强度、非平衡电桥的应用、光无源器件设计性系列实验等。该层次教学目标是培养学生独立操作实验仪器，独立思考和解决问题的能力，提高学生对物理实验涉及的物理基本理论、实验方法和实验技术的综合运用能力。

(3)第三层次是创新开放实验。创新开放实验包括光波导薄膜厚度和折射率的测量、光波导传输损耗的测量、溶胶-凝胶的配制、用锁相放大器/积分放大器实现微弱信号检测、真空实验、接触角测试实验、扫描隧道显微镜实验、固体晶格动力学模拟实验、功能晶体材料物理性质模拟计算等。创新开放性实验目前仅对物理有浓厚兴趣、动手能力强的少数学生开放，条件成熟后再逐渐扩大范围。为了适应设计性和创新性实验教学的要求，学校在2016年编写出版了《大学物理创新设计实验》教材。创新性实验是以科研项目形式进行的实验研究，学生个人或团队在教师指导下选择实验课题，在通过查阅文献资料理解相关领域的理论知识和研究方法基础上，确定研究内容、研究目标，设计实验方案，进行实验数据的分析和处理，撰写实验结题报告或研究性论文。

2.2 利用移动互联网技术创新大学物理实验教学模式

随着互联网的蓬勃发展，互联网技术正在快速融入每个人生活的方方面面。当前也出现了各种基于互联网的新课程教学模式，如MOOC、微课、翻转课堂等，都使得传统的教学模式发生很大改变[6-7]。随着手机和平板电脑的日益普及，利用移动互联网技术建立移动教学和智能机器人辅助教学模式成为可能[8]。通过借助移动终端设备，学生只要登录移动互联网就能浏览信息、学习课程资源以及与教师和学生互动，这为学习者提供了随时随地的灵活学习条件。

图1 大学物理实验教学模式

①课前准备。教师在平台中或者通过微信群、QQ、email等社交软件及时公布相关的教学信息，布置需要提前预习的实验内容，并将大学物理实验课程的背景知识，实验原理，教学内容等制作成微视频、PPT等上传到大学物理实验平台上，并将提前准备的实验预习题目上传到该平台中，检验学生预习效果；②预习阶段。学生根据微信、QQ、email等收到的预习内容通知，登录到大学物理实验平台下载相应的学习资料，观看将要进行试验课程相关视频，完成预习题目并上传预习结果；③课堂教学和学习阶段。教师根据提前准备的课件内容，简化讲解内容，以解决学生疑问、组织学生分小组开展讨论等方式调动学生实验的兴趣；④课堂教学结束后，学生完成实验报告，将实验结果和实验报告上传到大学物理实验平台，学生对课堂教学和实验过程有疑问的可以通过微信、QQ、Email等多种联系方式与任课教师沟通。

2.3 增加大学物理实验考核评价方式

实验课程作为一门实践操作课程，考核评价标准的重点应当放在对学生实践能力评价方面(见表2)。为了适应对学生素质、能力考核的要求，在进行大学物理实验课程教学改革时，要逐步改革评价内容与方法。除了将平常预习实验内容、实验实际操作、实验数据处理和报告按比例计入总成绩外，还应将能体现学生创新意识的自主创新实践活动加入到评价体系中。

3 结语

《大学物理实验》作为学校大部分本科学生必修基础实验课程，是其接受系统实验方法和实验技能训练的开端，教学效果的好坏势必会影响到学生后续实验课程的学习，应以人才培养方案和课程标准的修订为契机，及时转变教学理念，以能力培养为导向，在教学内容、实验教材、教学方法、评价方式等方面进行改革。强化《大学物理实验》课程的基础作用，突出学生能力培养，切实提高教学质量、提升办学水平，改进实验考核方法，提高教与学两方面的积极性，培养与时俱进的创新型人才。

表2 大学物理实验课程考核评价标准