“大学物理实验”课程教学改革策略探索

李鹏

[摘 要] “大学物理实验”是面向理工科学院学生开授的通识必修基础课，该课程要求学生在学习了大学物理的基本知识后，能够借助物理实验室提供的实验仪器，通过自己动手操作，完成相应的物理实验项目，加深对物理理论的理解和融会贯通，同时增强学生的实践能力，对学生后续的专业实验和实践起到承前启后的引导作用。大学物理实验教学改革是本科教学发展的需求，重视学生独立自主学习、开拓创新，以学生为中心进行教育教学。学校“大学物理实验”教学改革中融入了课程思政，加入了虚拟仿真实验，实现了线上线下混合式的教学模式，做到推陈出新、虚实结合。

[关键词] 大学物理实验;教学改革;课程思政;虚拟仿真;线上线下混合式教学

一、目前“大学物理实验”教学现状

目前，我校共有红湖、博达、友好三个校区，每学期“大学物理实验”上课的班级总和约为100个班，学生人数约为3800人。受校区大学物理实验室面积、实验仪器台（套）数的制约，“大学物理实验”采取单班分组模式进行授课，课程的讲授教学模式相对比较单一，教学形式也不够灵活。以红湖校区为例，主要体现在以下两个方面：一方面是实验安排。“大学物理实验”课一般都在专业课、公共课排完后，再集中统一排课，时间主要安排在下午，同一时间段最多开放6间实验室，且每个实验室安排两个实验，每一个行政班级分成两大组，分别进行其中一个实验，每个实验都需要教师讲授;另一方面，由于同一个实验室安排两个实验，任课教师通常为节省出更多的时间给学生进行实验操作，会把实验目的、实验原理、实验仪器、实验步骤、测量数据表格及注意事项提前板书在黑板上，在学生上课时再进行逐一讲解，随后将实验操作向学生演示，在完成这些基本规定动作后，学生才能投入到实验当中。在“大学物理实验”的整个教学过程中，教师占据主导地位，并且还占用了大量的实验课时间，而学生只是在被动地、机械性地接受教师的授课内容，按照教师演示重复一遍实验操作即可完成实验。在这样的教学模式下，学生不需要进行积极的思考，只要按照教师实验步骤就能完成基本实验要求。这样的模式不仅束缚了学生独立思考的空间，忽略了学生在认知过程中的主观能动性，而且很大程度限制了对当代大学生独立思考能力、分析能力、理论结合实际能力、团队协作能力、创造性思维和创新能力的培养。

二、“大学物理实验”教学改革目的和意义

教学改革的目的就是要改变目前教学现状的不合理性，现代教学的理念非常清晰，就是把学生创新能力和实践操作能力的培养放在首位，而教师的主要作用是整个教学的设计者、组织者和协助者，起到引领的作用。大学物理实验究竟可以培养大学生的哪些能力，笔者认为可以从以下几个方面来体现：首先是独立实验的能力。学生通过阅读实验教材、掌握实验原理、了解实验内容及操作方法，并结合每个实验的课后问题，查询相关资料，做好实验前的预习准备;实验课中正确使用实验室提供的实验仪器及设备，独立完成实验内容并按要求撰写的物理实验报告逐步形成自主实验的基本能力。其次是分析与研究的能力。学生能够结合实验原理、实验方法及相关的物理知识对所操作的实验结果进行分析、判断、归纳与总结。掌握通过实验进行物理现象和物理规律研究的基本方法，形成初步的分析与研究的能力。再者是理论联系实际的能力。学生能够在实验操作中发现问题、分析问题并学习解决问题的科学方法，逐步提高综合运用所学知识和技能解决实际问题的能力。最后则是创新能力的培养。能够完成符合规范要求的设计性、综合性内容的实验，进行初步的具有研究性或创新性内容的实验，激发学生的学习主动性，逐步培养学生的创新能力。因此，“大学物理实验”教学改革对于学生能力的培养、对于教师教学能力的提高都意义重大。

三、“大学物理实验”教学改革策略

如何对“大学物理实验”进行教学改革，我认为主要从以下几个方面进行：首先，改变教育观念。这主要是指教师要彻底转变传统教育观念，要真正破除以“教师为中心”的教学理念，要让学生主动从传统的被动接受式学习方式转移到自主学习、合作学习、探究学习相结合的学习方式，不能让实验成为只是传授知识的工具。同时，要变教师实验演示为学生自主实验操作，即学生可以独立或团队协作进行实验操作，在遇到问题难以解决时请教师指导，这样有利于学生真正成为主体，积极参与课堂活动，有利于学生的独立性、主体性和积极性的发挥。改变教学方式。传统的教学方式是线下教学，实验更是要线下进行实际操作，而实验的理论讲解等相关内容则不一定必须以线下形式进行，线上理论学习时间更自由，线上教学大力推广已经使这种形式成为新型教学方式的潮流，顺应现代教学理念，实现线上线下混合式教学势在必行。使线下的教师理论讲解为线上的学生慕课自主理论学习，同时使学生在课堂实验操作的时间增长，有更多的时间进行思考、分析实验中的问题，通过合作完成培养方案所设计的基础性、验证性、设计性、创新性的实验，从而提高学生学习兴趣和实际操作能力。其三，优化管理模式。对于实验室房间数量、部分实验仪器台（套）数的不足限制，精心安排实验课程，通过采取分组同时在同一间实验室开设不同实验，实现实验资源优化配置，提高实验设备的利用率，使实验教学顺利有序开展。针对本校“大学物理实验”教学现状，希望能探索出一条新的教育教学改革道路。

（一）融入课程思政

2018年6月，教育部部长陈宝生在新时代全国高等学校本科教育工作会议讲话明确指出，加强课程思政、专业思政十分重要，要提升到中国特色高等教育制度层面来认识。高校要明确所有课程的育人要素和责任，推动每位专业课教师积极制定开展“课程思政”教学设计，做到课程门门有思政，教师人人讲育人[1]。2020年6月，教育部印发了《高等学校课程思政建设指导纲要》，要求把思想政治教育贯穿人才培养体系，全面推进高校课程思政建设，发挥好每门课程的育人作用，提高高校人才培养质量。“大学物理实验”作为全校通识教育必修课[2]，覆盖面广、受众人数多，融入课程思政则显得十分必要。首先组织“大学物理实验”教学团队教师共同讨论研究并进行教学大纲的修订，通过开学第一课，将开拓创新、探索精神、科学素养、团结合作、爱国奉献等内容与实验内容相结合，与实验室安全教育一同对学生进行教育。在具体实验操作中，根据实验自身特点结合思政点进行教育。譬如等厚干涉实验中，通过测量牛顿环的暗环直径来计算曲率半径，学生通过慕课学习等厚干涉的原理，得出关于牛顿环的结论，通过结论再结合慕课实验中实验操作得出的图样加深理解。以“牛顿环是如何产生的呢？”这样的问题激发学生探索兴趣，讲述相关事例：伟人牛顿在1675年制作天文望遠镜时，无意中发现当光通过一块大曲率凸透镜照射到光学平板上时，会看见在透镜与平板接触处出现一组彩色的同心环条纹，而在单色光的条件下，则是明暗相间的同心圆环，他智慧的头脑没有忽视这个发现，对这一现象进行了仔细研究，就有了著名的“牛顿环”。在实验室中，学生们可以自己动手做实验，观察到牛顿环图样，通过对图样的测量，验证了理论中的结论。学生在实验室经过教师线下指导，通过实验验证结论，这样可以让学生们切身体会到“实践是检验真理的唯一标准”的唯物主义认识论和科学探索精神[3]。

（二）加入虚拟仿真实验

虚拟仿真实验实际上是没有普通意义上实验的必备器材，而是在计算机上通过仿真软件模拟现实的效果，仿真软件通过图形化界面联系理论条件与实验过程，同时运用一定的编程达到模拟现实的效果。虚拟仿真实验的加入使得实验教学内容更为丰富，教学方式更为灵活[4]。虚拟仿真实验的引入主要基于以下目的：有些实验仪器体积比较大，价格比较昂贵，通过虚拟仿真实验同样可以实现实验操作，达到实验目的;有些实验操作需要高温高压等特殊条件，具有一定的风险，通过虚拟仿真实验能够保证实验安全。而对于公共大学物理实验，引入虚拟仿真实验主要考虑三点：一是部分实验属于综合性实验，实验仪器的台（套）数有限，由于实验学生人数多，循环使用，难免出现实验仪器损坏又无法及时修复的情况，虚拟实验可以作为补充使用;二是由于特殊情况不能够开展线下实验教学的情况，譬如2020年突如而来的新冠疫情，线下教学受到极大冲击，教师、学生不能到校上课，为保证学生课程学习不间断，线上虚拟仿真实验发挥出巨大优势;三是即便线下已开设了较全的物理实验项目，也可引入虚拟仿真实验，用于课前的预习、课中的比较以及课后的复习，作为线下实验课程无法正常开展的有效补充。

虚拟仿真实验室一般情况都是在PC端实现。根据上学期虚拟仿真线上教学的实际情况反馈，少数民族学生构成的班级个人拥有计算机的比例约为三分之一，其他班级拥有的比例在七成以上。从数据上看到，还是有一部分学生无法通过自身条件完成虚拟仿真实验课程。然而学生智能手机的拥有和使用率却接近百分之百。为此，我们改革中的另外一项就是联合相关公司積极开发手机端的虚拟仿真实验App，使学生通过手机随时随地开展实验，不再受计算机设备、空间场地的限制。

（三）实现线上线下混合式教学模式

本校“大学物理实验”课程实现线上线下混合式教学模式。线上，学生主要观看慕课视频。要求每位学生在课前通过手机或电脑访问慕课视频所在学堂云平台，分别浏览物理实验的两个慕课视频，对实验的原理和实验的操作部分进行自主学习。以当下比较流行的慕课作为参照，根据培养方案和本校学生实际情况，制作了大学物理实验的慕课视频，视频采用高清720p格式。每一个实验的慕课视频都分成实验原理和实验操作两个独立的部分。实验原理部分介绍每一个实验的实验目的、实验原理、实验仪器、实验数据收集及处理等;实验操作部分由制作慕课的教师演示实验仪器的使用、操作和测量过程。线下，学生进入实验室后，根据慕课视频的内容对仪器的使用方法、测量过程进一步进行了解，有不懂的地方可以再次通过手机或实验室投影设备浏览学习平台上的实验慕课视频。教师在“大学物理实验”的教学过程中，不再重复性地讲解实验原理、实验操作等部分内容，而是针对学生在仪器使用、数据测量过程中或是实验中思考的相关问题，有针对性地线下解答或探讨。由此实现一位任课教师同时给多班（实验室）多组学生进行实验指导，提升教学效率。对于多班（实验室）授课的实际情况，配备研究生助教，协助授课教师进行答疑解惑和实验室安全管理。研究生助教的配备不仅满足“大学物理实验”教学改革的需要，保证课程的顺利开展，也给研究生的教学实习工作提供了途径。另外，针对大学物理实验报告也进行有效调整。大学物理实验报告分为课前预习部分（客观题）和课后数据采集处理（主观题）两部分，并通过雨课堂进行发布。学生课前完成预习部分的内容，学习平台及雨课堂会直接评判，课后完成实验报告主观题的相应内容拍照上传，系统会将两部分内容自动生成一套完整实验报告，任课教师只需通过计算机或者手机及时批改实验报告主观题部分，大大简化了线下布置批改实验报告的繁冗工作。电子版的实验报告格式更统一、收集更方便、批改方式更多元化、存档更节省空间、更节约成本，间接地为保护环境做出贡献。

（四）民汉学生合组实验

新疆是一个多民族共同居住的地区，新疆大学也是由各民族大学生共同构成。由于地区发展的差异，在教育领域实际上存在教育资源不均衡的情况，有些地区师资力量和水平还有待提高，对于教育教学质量略有影响。物理是实验基础学科，理论建立在实验基础之上。学校实验设备资源的配置存在一定的不足，使得学生独立思考、动手实际操作、实验能力的基本训练受到限制。虽然国家已经大力推行国语教育，但是部分少数民族学生使用国家通用语言的能力还有待提高，这对于学生的基础性学习造成一定的影响。当部分少数民族学生通过努力考入大学之后，上述因素对于这部分学生后期的学习仍存在影响。这方面的改革主要是通过将实验班级分组，让民汉学生结成对子和小组，相互学习、相互交流，通过分组结对子的形式，在加强民族团结的同时，促进学生相互了解、相互学习、共同进步[5]。

本校大学物理实验教学改革的进行，推进了课程建设的步伐，提高了教师参与教学改革的热情，丰富了教学模式，激发了学生实验课程学习的兴趣，真正回归以本为本、以学生为中心的本科教育教学。

参考文献

[1]陈宝生.坚持以本为本 推进四个回归 建设中国特色、世界水平的一流本科教育[R].在新时代全国高等学校本科教育工作会议上的讲话，2018-06-21.

[2]陈恒雷，吴钊峰，凌海秋，朱春花.融入“思政教育”的物理类通识教育课程建设[J].教育教学论坛，2020（9）：42-43.

[3]张英.“大学物理实验”教学中“课程思政”的探索[J].广东化工，2019，46（16）：189.

[4]吴若霞，刘慧萍，李玲，刘俐，陈沙，曹蓉，刘平安，张国民.建设虚拟仿真实验平台的意义与内容初探[J].中国中医药现代远程教育，2017，15（5）：48-49.

[5]张伶，陈恒雷，朱春花.民族预科教育中基础物理教学改革探讨[J].教育教学论坛，2020（9）：155-156.