以工程思维能力培养为导向的大学物理实验教学改革与创新

樊英杰

（西北工业大学明德学院通识教育学院，西安 710124）

0 引言

近年来，随着国家战略发展和科学技术的不断进步，国际竞争形势日新月异，国家对工程技术人才的要求越来越高，需求越来越大，工程教育改革日益迫切。随着教育部组织实施的“复旦共识、天大行动、北京指南”三部曲的展开，新工科建设成为了当下教育改革话语中最为瞩目的关键词，其建设内涵主要体现在“以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念；以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径；以培养未来多元化、创新型卓越工程人才为主要目标”的人才培养模式上。新工科建设之所以体现在“新”字上，不仅仅是指高等院校对传统工科、新型工科和新兴专业的“转型升级”“存量更新”和“增量互补”上，而且还体现在对工程学科的建设工作和卓越人才的培养始终要处于“新”的状态［1-3］。

物理学是探究物质基本结构和运动规律的自然科学，物理学中的每个概念的建立、每个定律的发现都是源于工程思维和实验论证的结果。物理实验是理工科学生进入大学以来接触的第一门实践性课程，是学生接受系统实验方法和实验技能训练的开端，是应用型人才培养的有效途径，是提升学生综合素质，培养学生工程思维能力和创新思维精神以及实践动手能力的重要环节。虽然大学物理实验的地位和作用日益突出，具有其他课程无法替代的功能，但随着社会的发展和科学技术的日益进步，目前的大学物理实验教育已无法满足现代社会的需求，同时无法满足“新工科”建设下的质量与人才培养的要求［4-7］。

1 大学物理实验教学现状

（1）课程地位层次低、不重视。大学物理实验是理工科高校学生通识教育的基础课，是培养学生工程思维能力和科技创新能力的基础学科，理应受到学校各个层面的高度重视，但现实是，大部分高校的基础课程并非优势学科，有限的经费投入与仪器设备更新换代需求之间的矛盾以及教学效果和教学目标之间的落差，使得该课程在学校层面定位不高、重视程度不够［8］。具体表现：①在实验课程学时设置上，删减课程工作量，减少课程内容，少开实验项目；②在实验室建设上，经费投入少、实验套数少，仪器设备运行时间长、设备陈旧、读数误差大、难以维护；实验室面积小、环境差，严重影响教学效果［9］等。

（2）教学模式枯燥、不创新。大学物理实验课程作为高等工科学院各专业教学体系中尤为重要的必修课，不仅培养学生的实践动手能力，而且还可以培养学生发现问题、分析问题和解决问题，同时也可以培养学生的自我查阅资料以及进行公式推导和实验方案设计的能力［10］。但当前的大学物理实验教学模式受传统思想的影响，国内大部分高校实验教师尚停留在以往的教学理念之中，教学模式过于单一枯燥，这样不仅不利于学生主动接受物理实验知识，而且也不利于培养学生科技创新能力和工程思维能力。

（3）教学方法单一、不变通。通过调研，目前国内大部分高校的大学物理实验课程教学模式相对固定，教学方法比较单一，教师以自身为主体，仍然采取“课前（学生预习）——课中（教师讲解/教师演示/学生操作/教师点评）——课后（学生上交报告/教师批改）”3段式教学流程，学生学习的主动性和积极性得不到发挥，学生只能被动接受；同时也忽视物理学本身特点，没有起到与后续专业课程的兼容性和互补性，缺乏变通意识，对培养学生独立分析问题、解决问题的能力没有起到很好的作用。

（4）学生态度消极，不在意。通过教学发现，学生对实验课的重视程度远远低于理论课，一堂3 学时的实验课学生能够集中精力听讲的不到一半，这就无疑使教学效果大打折扣。不少学生在实验课程教学中只是走过程，实验中无序操作，导致实验结果出现严重偏差，甚至有可能会损坏实验设备，最终导致实验报告只能生搬硬造，甚至出现严重的抄袭现象。

（5）考评方式传统、不新颖。从目前来看，国内大多数高校对大学物理实验的考评方式仍按照学生课前预习、课中实际操作、数据测量、课后实验报告4 部分成绩加权汇总为最终成绩的考评方式。这种传统考评方式导致学生重点都放在了实验报告上，而对中间环节作之甚少，甚至有些学生上课不认真听讲，课后在需要提交报告时抄袭或者篡改别人的实验报告来蒙混过关。因此说，这样的考评方式不能促进学生更好地掌握知识，也不能很好地体现学生真实水平，甚至还会助长抄袭之风。

（6）队伍建设与现状相背、不协调。实验室是培养学生实践动手能力和科研创新能力的基地，是保证高校实验教学顺利进行和提高教学质量的前沿阵地。实验技术人员是实验室建设的主力军和重要的管理者、维护者，实验技术人员的综合素质、业务水平、创新能力的高低直接关系着高校实验室建设的成败［11］。但是目前高校在实验队伍建设上存在很多的不协调，严重地影响了实验技术队伍的稳定性和工作积极性，主要表现在：①队伍建设规模与定编标准不协调；②队伍补充机制与岗位要求不协调；③队伍建设与学校重视程度不协调；④学历层次职称结构与教师要求不协调；⑤年度考核与教学任务不协调；⑥职称评审与工作业绩不协调；⑦培训体系与教师再发展不协调；⑧工程技能与“双师型”建设不协调等。

因此，鉴于国内高校（特别是地方地区）大学物理实验教学存在的问题，笔者结合国内地方高校在大学物理实验教学的现状及多年来在大学物理实验教学过程开展的一些工作尝试，提出大学物理实验教学改革的思路和改革措施，探讨作为自然科学基础的大学物理实验如何在新工科建设背景下发挥其特有功能来激发学生的学习兴趣，培养学生的科技创新能力和工程思维能力，以促进大学物理实验整体教学水平不断创新和提高。

2 大学物理实验教学改革思路和目标

大学物理实验是高等院校理工科各专业学生进行科学技能训练的一门基础课程，是培养学生利用各种工具、科学方法和工程理论进行分析问题，解决问题的开端，是培养学生工程实践技能训练的摇篮。然而，随

着科技的不断进步和国际竞争形势的日新月异，企业对工程技术人才的需求越来越高，作为国内地方高校不能盲目追求国内优势高校的办学目标和办学模式，而必须与地方发展和人才需求多元化相适应，打造具有鲜明特色的教育模式，培养具有地方特色和行业需求的生产、建设、服务和管理的一线应用型人才［12］。这就要求在大学物理实验教学过程中要紧密结合市场需求，构建以学生为主体，以工程理论与工程实践为基础，以培养具有现代科学技术和工程思维能力为要求的多层次的实践教学体系；同时构建以信息技术和互联网技术结合的多元化教学模式和灵活多变的教学方法，将课内教学与课外实践相结合，充分利用现有资源和社会环境，增强办学活力，营造良好的学习氛围，激发学生的活力，提高学生综合素质，以实现为各类岗位输送复合型、应用型科技人才［13］。

3 大学物理实验教学改革建议和措施

3.1 突破传统思维，更新教学理念

大学物理实验课程不同于其他实践课程，是学生进入大学以来的第一次实践尝试，成功与否关系着后续课程学习的态度，更重要的是在培养学生科学素养和工程思维能力方面具有其他课程无法替代的作用。高校应当站在学校的层面上突破传统思维定式，改变传统的教学理念，审时度势，高度重视大学物理实验的教学和实践工作，突出以学生为中心，强化大学物理实验在工程技能人才培养方面的突出地位，争取在实验室建设、教学环境改善、教学方法优化、师资队伍建设、绩效考评等方面给予政策支持和经费投入，争取为创建双一流学科建设方面贡献应有的智慧和力量。

3.2 整合实验内容，构建分层次的教学体系

为了增强学生学习的有效性，结合我院实际情况和新工科建设基本要求，依照训练层次和专业需求，改革原有实验教学体系，并对原有实验按照实验内容重新整合，构建以基础性、综合性、设计性、研究创新性、科技探索性实验为核心内容的5 大教学模块新体系。

（1）基础性实验。主要培养学生学习基本物理量的测量、掌握常用仪器设备的使用和了解物理实验的基本知识（包括实验室守则、考核标准、数据处理等）、流程和实验规范等。如伏安特性研究、透镜焦距的测定、重力加速度的测量、分光计的调整与使用等。其目的是确保学生夯实物理实验基础，为进一步提升学生综合实验能力打下良好基础。

（2）综合性实验。旨在培养学生综合使用多种仪器设备的能力，锻炼学生对所学知识、技能的准确运用。如杨氏模量的测定、惠斯通电桥测电阻、光栅常数的测定、热敏电阻的测量等，其目的是为了培养学生严谨细致的科学作风和独立自主分析问题解决问题的能力。

（3）设计性实验。设计性实验是源于课本又高于课本，是学生在原有实验内容的基础上自己设计方案并独立完成的实验，或以团队合作形式，围绕基础理论为题，以科研方式进行的实验。如数字温度计的设计、电表改装与校准、利用电位差计测电阻等。其目的是激发学生的学习潜能，形成专业的基本素养和基本技能，培育科技创新能力。

（4）研究创新性实验。研究创新性实验是基于综合性和设计性实验之上的，是最接近科学前沿的实践性实验。是学生在辅导老师的指导下通过研究课题自己独立设计完成的实验，如微小形变量的测量、AD590特性研究与数字温度计的设计等。其目的是为了培养学生综合运用多学科知识、技能和方法来设计实验方案，同时也要求学生能够通过所学知识去发现问题、分析问题和解决问题。

（5）科技探索性实验。科技探索性实验是物理学原理在现代生产、生活中的应用实例，引导和启发学生从理论和实践两个方面对科学实验现象做进一步的探究和思考，了解物理奥秘，揭示事物的本质。如酱油光学实验、线上小球实验等。其目的是为了进一步激发学生学习科学知识的兴趣，培养学生的综合实验素质和科技创新能力。

3.3 改变教学思维，构建多元化的教学模式

随着科学研究的不断深入，大学各个专业设置趋向于多元化，不同专业对开设大学物理实验的广度和深度要求都不一样［14］，这就决定了传统的物理实验教学模式已经不能适应当下各专业对大学物理实验基本技能训练的要求，因此，结合我院实际情况创设改变教学思维，构建多元化的教学模式，即分层次教学、项目式教学和虚实结合网络化教学，以适应当下各个专业对人才培养的要求。

（1）分层次教学。结合学院不同专业和学生的实际水平，依照物理实验的教学目的和实验内容按照基础类、综合类、设计类、研究创新类和科技探索类对教学设计进行细化，宏观上确保各个教学环节相互衔接、层层递进，尽可能发挥每个实验设备的应用功能，利用现有资源充实实验内容，确保整个教学过程连贯协调，并最大限度开发学生的主观能动性。

具体实施过程：①对计算机信息类专业完成基础类（含绪论部分共6 个）+综合类（6 个）+科技探索类（4 个）实验项目共48 学时设置课程；②对机械类专业完成基础类（含绪论部分共6 个）+综合类（8个）+设计类（2 个）+科技探索类（2 个）实验项目共计54 学时设置课程；③对工程类专业完成基础类（含绪论部分共6 个）+综合类（8 个）+设计类（2 个）+研究创新类（2 个）+科技探索类（2 个）实验项目共计60 学时设置课程。

（2）项目引导式教学［15］。主要是基于新工科建设背景下国家对工程技术人才需求出发，多方考虑如何培养学生的工程实践技能和工程思维能力，从而为学生的后续专业课程学习和尽快参与课题做好铺垫。因此，结合我院实际教学科研情况，要求各位教师在现有实验内容的基础上进一步开发设计实验项目，以科研课题的形式对实验内容进行教学。

具体操作流程：引入案例——解剖实验——学生操作——教师拓展——完成项目——回归工程。如微小形变量的测量实验，教师从工程案例（如桥梁形变、悬臂梁的形变等）中的微小形变对工程质量影响引入课题，解析课题，学生查阅文献资料设计实验方案（教师审阅、指导），学生完成实验内容（教师适当辅导），教师对实验项目点评并拓展实验项目，然后学生在教师的指导下继续完成后续课题，最后将项目成果应用于工程领域。

（3）虚实结合网络化教学。基于互联网（5G 技术）和信息技术下的多媒体混合式教学的一种模式，如云课堂、雨课堂、中国大学生MOOC、iLab 智慧实验室等平台［16］，通过翻转课堂、模拟实验、仿真实验、PPT课件、微课和小视频等手段进行线上线下相结合的一种实验教学方式，是一种不受时间和空间的限制，充分发挥网络媒体的作用，冲破学校围墙的束缚，实现开放式、个性化的线上线下的课程互动式的教学方式。

3.4 创新思维模式，构建多样化的教学方法和方式

目前国内大部分高校采用的是以教师为主导的传统式实验教学方法，即：“讲授——演示——模仿”的3段式教学流程，教学方法固定单一，教学效果不佳，学生只能被动式接受课程内容，特别不利于学生的探索精神、创新意识和创新能力的培养［17］。因此，为了激发学生学习的兴趣，培养学生的工程性思维、创造性思维和实践动手能力，教师就必须抛弃传统的教师主导型教学方式，采取以学生为主体的教学方法。

（1）集中授课法。指以教师为主导，学生被动接受，采取课堂整体讲授的一种教学方法，集中授课保证了全体学生掌握基本方法、基本技能、基本理论，个别指导有助于学生个性发展，主要在基础实验中多使用该方法。

（2）同伴教学法［18］。指教师在实验中巧设疑问引导学生发散思维、求异思维，多方位、多角度思考和参与讨论问题，增加学生与学生之间、学生与教师之间的互动，充分调动学生积极参与。教师利用这种多向交流的教学方法以实现教学目标，收到事半功倍的效果，不但激发了学生自主学习、合作学习的机会，又培养了学生的团队协作精神。主要在基础实验和综合性实验中使用该方法。

（3）自主实验法［19］。指实验的整个过程自主探索、启发、引导、学习、研究的过程。在这个过程中教师要注意创设实验情境和氛围，激发学生自主实验的动机，积极调动学生探索实验的积极性，让学生主动地去研究、去实验、去探索。主要在研究创新性实验和科技探索性实验中使用该方法。

3.5 创设问题情景，构建全方位评价体系

通过调研国内大部分高校的大学物理实验成绩采取平时成绩+实验成绩两部分来考评，其中平时成绩又分为考勤+预习报告两部分组成，实验成绩则为实验操作+数据测量+实验报告3 部分组成。这样的考评方式与“新工科”建设要求体现“教育新理念”的思想相违背，并不能充分反映学生的真实水平，也无法体现学生的实践动手能力和探究能力等。因此，通过多方调研+问卷调查的方式，最后采取课堂实时评价［20］+过程性评价［21］+素质教育三者相结合的多元化考核评鉴标准，其中课堂实时评价标准关注学生课堂参与度（如动手能力、提出问题的能力、语言表达能力、讨论研究能力等）；过程性评价关注学生阅读教材和查阅资料的能力、实验创新能力等；素质教育考核学生的组织协调能力、团队协作能力和实验室5S管理执行力等。

4 结语

随着高等教育改革的不断推进，新工科背景下的工科专业必将快速发展，工程化教育理念下的人才培养模式必将成为高等教育改革的主流，而作为自然科学基础的大学物理实验在新工科人才培养过程中具有责无旁贷的作用，结合我院大学物理实验教学现状和存在的问题，提出了大学物理实验教学改革的思路与措施，构建了以学生为主体，以工程理论与工程实践为基础，以培养具有现代科学技术和工程思维能力为要求的多层次实践教学体系，采取多元化的教学模式和多样化的教学方法以及全方位的评价体系，最大限度地激发了学生的活力，使学生从被动式学习转化为主动探究式学习，提高了学生的科学思维能力、实践动手能力和工程思维能力，从而为提高大学物理实验教学质量和教学效果提供了保证。