应用型本科院校大学物理实验教学改革探讨

关 婷，李红玉

（山西能源学院基础教学部，山西 晋中 030600）

《教育部国家发展改革委财政部关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见》（教发〔2015〕7号）指出部分地方普通本科高校向应用型转变，坚持需求导向，服务地方，产教融合，培养应用型技术技能型人才，增强学生就业创业能力，全面提高学校服务区域经济社会发展和创新驱动发展的能力[1]。对应用型本科院校而言，大学物理实验课程是理工科专业必修的公共基础课，是学生进入大学后接触到的第一门科学实验课程，对于培养学生严谨的实验态度、独立自主实验、分析与解决问题、处理数据、理论联系实际和创新能力起着至关重要的作用[2-3]。本文通过分析大学物理实验教学过程中存在的问题，提出了从教学体系、教学内容、教学方法、教学手段和考核评估等方面的实验课程改革，融入课程思政，以实现促进应用型理工科院校学生发展的目的。

1.大学物理实验教学存在问题

1.1 课程体系、内容已明显滞后，难以激发学生学习积极性和创造性。

传统的大学物理实验教学中，老旧的经典物理实验，授课时很难将其与现实生产、生活和现代科学技术相联系，难以激发学生学习兴趣和学习积极性；缺乏对目前科技热点内容和实验进行实时更新并引入课堂教学，导致学生觉得学的都是“老古董”，没有引起学生对实验的好奇心，甚至造成部分学生对目前应用物理学热门领域的相关常识和知识储备量几乎为零，无法将所见和所学联系起来。实验资源有限，给予学生的选择性少，难以满足不同专业和不同兴趣的学生，不适应新工科背景下应用型本科院校的发展。而且目前很多教学仪器演变成傻瓜式操作，只要简单的连线或按几下按钮就可以显示实验结果，完成操作任务，使学生无法深入体会其中包含的物理知识和现象。教学仪器较为先进，如何改进教材、教学体系、内容、模式和方法，充分利用教学资源，让学生得到更多？由于课程内容涉及面较多，课时有限，许多院校仅开设基础性实验，忽略综合性实验和创新能力实验，使学生缺乏设计性、研究性和创造性，缺少主动思考能力，不利于学生解决工程复杂问题能力的培养。

1.2 教学模式、方式单一，导致学习效果不佳。

传统的大学物理实验课堂往往采用一次课（2-3个课时）完成一个实验项目的方式，教学过程包括学生课前预习，课中老师讲解实验目的、原理、操作步骤以及注意事项，学生操作仪器完成实验内容，课后处理数据并撰写实验报告。大部分学生来自理工科专业，认为物理实验是非本专业课程、以“走过场”的心态学习，从内心里轻视，预习只是应付老师检查，抄抄实验原理，学习效率低。在课堂上学生需掌握实验原理、内容并完成实验操作等，课堂任务重，使学生对内容思考不透彻，甚至对其中包含的物理原理也不清楚，只是按照老师讲授的实验步骤去简单机械重复实验，走马观花式地完成了实验任务，缺少主动思考和创新性思维。在传统的大学物理实验教学中，各个实验独立开展和学习，使学生无法建立实验之间内在联系，很难将所学的实验方法和思想用到类似研究中，难以达到系统学习的效果。

1.3 考核评价体系不全面，存在考核失衡的可能。

目前大学物理实验采用平时成绩100%的考核方法，主要通过实验报告的形式来评分，其中报告中包含预习报告、原始数据记录和报告正文三部分。实验预习报告虽然都是手写，没有经过理解，直接将实验原理和步骤抄到实验报告单，对课堂的教学无明显效果。受实验条件限制，实验课程很难做到每人操作一台仪器，大多是两人一组、配合实验。两人对实验的贡献可能不同，数据存在相互抄袭，因此存在考核失衡的问题。

2.大学物理实验教学改革

大学物理实验课程一般可分为力学、热学、光学、电磁学和近代物理五大版块。根据《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》（2010）[4]，鉴于应用型本科院校建设发展方案和目标，在物理实验教学前开设物理学史的启迪教育和物理原理在实际生产、现代科学技术中的应用前景介绍，激发学生的学习兴趣，做到实验前学生对实验的基本内容有大致的认识。并从课程体系、教学内容、教学方法、教学手段和考核方式5个方面对物理实验教学进行改革，设计思路如图1所示，突出物理教学中的时代性和先进性。

图1 物理实验教学改革设计思路

2.1 课程体系

为满足应用型本科学生工程技术要求，实现培养学生综合由学生自己设计方案并基本独立完成全过程的实验。此类实验是对学生自主研究能力培养，让学生学会独立思考和解决问题，约占课程的10%，如本校开设的电表的改装与校准，太阳能电池特性测试等。

在夯实基础和学生能够接受的水平和基础上，立足实验室的实际情况，开设开放式科学小实践，围绕力、热、光、电磁和近代物理知识体系，由学生以个人或团体形式，自选题目、自主设计实验，解决困难和问题，综合运用所学知识，制定实验方案。通过教师指导、自主学习、合作学习和研究性学习，可自行独立完成实验和物理学相关竞赛，使学生了解科学实验的全过程、逐步掌握科学思想和科学方法，培养学生独立思考、独立动手能力、实践能力和创新能力。最大限度地利用实验装备和技术条件，确保实验仪器设备在学生培养中发挥最大效益。

图2 四级物理实验课程体系

实验课程可分为必修和选修两部分，根据高校专业特点和专业要求，分专业开展实验教学。如我院应用型工科按照专业领域分为地矿、能源动力、机械、环境安全四大类，目前可开展实验项目共计33个，按照教学大纲设置10个必修，其余实应用实验仪器、实验技术和实验方法解决实际问题的能力，建立四级物理实验课程体系（图2），即基础实验、综合性实验、设计性实验、科学小实践，尤其注重综合性和设计性实验，实现分层次教学。其中，基础实验要求学生掌握基本物理量的测量、基础实验仪器的使用和基本数据处理（包含误差与不确定度）等。此类实验是适应各个专业的普及性实验，约占实验课程的60%，如本校开设的长度和密度的测量、分光计的调整与使用、模拟示波器与数字示波器的使用等。综合性实验主要是综合应用力、热、光、电磁、近代物理等多方面知识、多种方法和技术开展实验，巩固和提高学生对各种实验方法和实验技术的综合运用能力，开阔学生的眼界和思路。此类实验是对基础的提升，对物理基础不同的学生要求不同，需各院校根据情况而定，约占课程的30%，如本校开设的金属丝杨氏模量的测量、液体粘滞系数的测量、光栅衍射与超声衍射和RLC电路特性研究。设计性实验根据给定的实验课题、要求和实验条件，验根据专业进行选修，使教学体系和内容有了弹性，实现因材施教，适应不同专业、不同层次学生的需求。

2.2 教学内容

通过视频、图片等方式将物理学史、实验发展历程、科技前沿和应用前景等引入预习环节中，课前充分了解实验，激发学生对实验的兴趣，加强学生对物理原理在实际生产和现代科学技术中的认识。以应用型人才的培养为目标优化大学物理实验课程的教学内容，注重坚持物理实验与其他课程结合，考虑该课程与理工科中其他课程知识的关联性；注重坚持经典与实验生产实际和科学技术结合，突出物理教学的时代性和先进性。例如金属丝杨氏模量的测量可以联系到材料力学中应力、应变和材料的刚性等内容，实验中所采用的光杠杆光学放大目前已被应用到原子力显微镜中以纳米级的分辨率获得表面结构信息中等；霍尔效应测磁场实验中可扩展到量子霍尔效应尤其是中国科学家对量子反常霍尔效应的贡献，增强学生的爱国意识，介绍霍尔效应在半导体材料、高温超导材料重要参数的测量、高斯计、磁流体发电、电磁无损探伤和汽车霍尔传感器自动开门等应用。在教学内容中设置一些自主设计实验和思考题目，让学生根据所学内容，举一反三自主完成实验，培养学生的创新思维和实践能力。

2.3 教学方法

充分利用网络技术、多媒体教学软件等在内的现代教育技术丰富教学资源，拓宽教学的时间和空间。在“互联网+”的时代背景下，将线上和线下教学活动相结合，开展混合式教学，以学生为中心，在教师指导下借助现代教育信息技术打破传统教学流程[5]。针对大学物理实验涉及力、热、光、电和近代物理知识，根据目前所开设的实验项目制作视频，讲解实验背景、目的与原理、实验仪器、操作步骤、实验结果和应用前景。视频中老师按步骤操作直至出现完整的实验现象和结果，并对在实验中出现的问题及实验数据处理做详细解释，确保学生利用电脑或手机随时预习。同时老师也会提供一些电子教案、习题库、作业库、工程案例库、教学素材库、文献资料库、大赛作品库和知识检索库等提供学生参考学习，线上教学模式有助于实验完成。学生通过线上预习，很好理解实验的重点和难点，教师在实验授课中一些简单的知识点可以不讲或者少讲，把时间留给学生，让学生在实验课堂中动起来，教师在实验室随时准备给学生答疑，指导学生开拓思维，培养创造力。课后老师在线下发布作业和开放性思考题，学生将自己的作业和想法传到线上平台，老师批阅后，可以采用线上线下相结合的方式答疑，对于学生活跃度，建立奖惩机制。应用型本科院校大学物理实验形成线上和线下混合式教学，以学生自主学习为主，教师指导相结合的教学方式，从而激发学生学习兴趣和创新能力。

2.4 教学手段

目前大部分高校的物理实验采用实验室实体教学的方式，但存在着离开了实验室就无法开课的问题。在“新冠”疫情的影响下，为确保学生随时随地实验，迫切需建设大学物理远程实验系统，实现远程网络教学平台。可通过在实验教学平台上分类导入物理实验资源库，建立教师管理系统和学生学习系统，利用图片、文字、录像、Flash动画和3D交互系统，实现远程实时交互信息化网络教学平台，打破时间、空间和仪器的限制，实现教学的开放性。例如模拟示波器的使用中，实体教学学生仅仅在课堂学习使用示波器，课时紧张使学生对示波器具体的原理和使用时可能出现的问题却不清楚。建立模拟示波器的使用模拟仿真系统可包含实验背景介绍、实验仪器操作使用和内部结构展示三个环节，学生可通过电脑鼠标点击仪器操作按钮轻松实现自行练习，就像学习使用手机一样，熟能生巧，深入掌握每个按键的作用；通过拆解式教学，直观的学习模拟示波器的原理，使实验教学体延伸到课堂之外，教学效果更直观更具体。在日常教学中，实现实体教学和仿真模拟实验平台相结合，“能实勿虚，虚实结合”的教学模式，努力营造创新应用型人才培养的多元化教学环境。

2.5 考核方式

根据应用型本科人才培养的要求，克服传统考核方式的弊端，强调学生实验学习的过程，建立全过程性评价按权重计算的考核体系。主要体现为学习过程中学生主动观看的预习、线上答题、讨论、实验操作、报告展示和期末考试等多方位、多角度的严格考核。具体可将大学物理实验考核分成两部分，平时表现70%和期末考试30%。平时成绩主要包含线上预习互动（20分），线上答题和讨论（10分）、实验操作（30分）和实验报告（40分），期末考试分理论考试（30分）和实验考试（70分）。采取多方位、多角度的考核方式，注重平时环节的考察，注重学习过程的考核，使考核评价更趋于合理和公平，也可激励学生的学习积极性和主动性。

3.课程思政

从生产生活中的现象出发，引导学生学会观察、学会思考，激发学生对实验的兴趣；通过介绍同一实验不同解决方法，教育学生多角度、多思维处理实际问题，要勤于思考，敢于创新；指导学生分组开展实验，培养学生团队合作精神和责任心；要求学生认真观察、客观真实地记录实验数据，认真分析实验结果，培养学生严谨的科学态度和实事求是的工作作风；让学生自主设计实验，锻炼学生的科学思维和创新意识。将实验课程与思想政治理论课同向同行，巧妙地进行价值引领与知识传授的融通，实现立德树人润物无声，“接地气”开展思想政治教育[6]，实现教学的价值塑造、知识传授、能力培养全方位提升，为区域经济发展培养高素质复合型应用人才。

4.结语

通过对应用型本科大学物理实验课程体系重构，实现线上线下混合式教学，创新评价考核机制，充分调动学生的积极性，主动性，培养实践能力和创新能力，实现高素质应用型人才的培养。