工科物理实验中“多维度”教学模式研究

伊兆广 刘津升 许生慧 金远伟 吴庆春

（南京工程学院数理部，江苏 南京 211167）

0 引言

创新能力是高等教育人才培养质量的重要目标，教学质量是实施教学计划，完成创新能力培养的重要生命线， 提高教学质量是实现这一目标的关键所在。大学物理实验在实验方法、思想和科学数据处理上是很多学科的基础，是理工科专业学生的必修课，如何紧跟信息化发展，优化教学模式，构建“多层次”教学模式，提升学生学习的主动性和积极性是物理实验教学中亟待解决的问题。

目前国内高校教学基本确立学生在学习中的主体地位，根据不同专业学生培养目标和学生差异性形成了本校特色的教学模式，建立了基础性实验、综合性实验、设计性实验和创新性实验的多层次实验教学体系[1-3]，并借助现代互联网手段建立模拟实验平台、师生互动平台，积极交流和合作引进紧跟时代发展的实验项目，提高自己的教学质量[4，5]。 例如，浙江大学依托大学生物理学术竞赛、探究性实验、大学生物理科技创新竞赛、大学生课外学术科技作品“挑战杯”等竞赛全方位提高学生实验技能和创新能力，通过学术科研与竞赛为纽带建立创新实验室，促进学生参与学术研究和实验的热情。 复旦大学在完成基础课堂教学任务外，打破传统教学模式积极开放实验平台，开设了“自学物理实验”“综合物理实验”“设计性物理实验”“物理演示与拓展”等多层次教学模式，借助于网络信息化，通过网络答疑、bbs 等模式满足学生自我发展的个性化需要。

本文对大学物理实验教学中比较突出的三个问题进行分析，根据实验室所能提供的教学平台，结合信息化教学需要和传统的教学内容、教学方法优点，建立“多维度”的教学模式，唤醒学生参加实验的内在驱动力， 让学生根据自己个性化发展需要参与实验，建立紧密联系生活的实用型、创新型多层次的教学体系。

1 现阶段物理实验教学中的三个突出的问题

1.1 学生对实验的重视程度不够，实验之前的预习效果较差

物理实验教学中，发现非物理专业的学生物理理论功底较为薄弱，大部分学生精力主要放在本专业领域，对基础实验教学内容从思想上不够重视。 由于学生认知水平的差异和课前不能够做到认真预习，采用只照抄物理实验教材而不思考的形式敷衍了事，导致预习效果很差，课上部分同学不认真听讲或者根本听不懂，不能自主积极探索并提出问题，用科学求实的态度探索实验，对实验缺乏足够的兴趣，甚至出现编造数据等情况。 课下不认真完成数据处理及其思考题， 在完成试验后部分同学不知道实验的目的是什么，因此改变教学模式，吸引提高学生参加实验热情，加强学生对基础实验的重视度是提高实验教学的一个关键点。

1.2 实验开设内容和教学模式过于固化，学生主动参与度不够

物理实验中基础性实验是大学物理实验的主体部分，其内容涉及力学、热学、光学、电磁学、近代物理等内容，知识体系丰富而复杂。 基础物理实验部分内容过于固化，其实验项目设置的内容主要验证定律的正确性和观测物理实验现象，很少由于现代生活紧密联系的项目，不易进行知识的迁移扩展，学生主动参与的兴趣度不高。

课堂上老师教学模式以讲解和演示为主，由于课堂时间限制，部分老师只注重实验原理讲解或者实验步骤操作，没有将两者很好地结合起来，缺少与学生之间的互动和对学生独立思考能力的培养，学生参照教材和老师的讲解操作与测量， 缺乏独立的思考、观察、分析的空间，学生不理解为什么这样做，很难培养科学的创新意识和科研能力。 物理实验教学中松绑课堂模式、改革实验项目，吸引学生主动参与实验的热情是当前提高物理实验教学质量的当务之急。

1.3 新购置的智能化实验仪器过于智能化封装，需要动手操作的太少，学生很少有发挥的空间

大学物理实验教学中， 注重对学生创新能力培养，实验的目的是让学生通过实验来激发灵感，提高创新意识。 陈旧的仪器需要大量的人力时间去维护，学生操作需要大量的时间去完成，让学生在有限的时间内一人一组完成实验是很困难的。 智能化的仪器具有精度高、集成性能好、数据测量简单等优点，但是过于集成化封装，学生完成实验后往往不明所以，得到的只是一个测量结果，不利于培养学生处理数据和分析问题的能力，实验室人员对仪器的维护造成了很多的困难，只能依赖于厂家，导致仪器得不到及时维修，从而影响实验课程的正常开展。

2 改革教学课堂模式，构建“多维度”教学模式

（1）松绑固定的大学物理实验课堂教学和考核模式，以问题为导向，将实验还给学生，促进学生实验中的个性发展。

对于基本的经典物理实验项目，改变课堂以讲解内容， 完成基本定律或者基本物理常数测定的模式，活化课堂教学模式，例如，通过启发式教学、翻转课堂、复杂实验采用小组合作等，设定问题，让学生带着问题去探索，并学习总结其中基本的测量方法，学习仪器的设计原理、测量原理、材料的基本性质，唤起学生内在求知动力，将时间和课堂还给学生，提高学生分析问题和解决问题的能力。

改革物理实验课程考核形式，课程考核以小论文的形式， 让学生总结学习内容中基本的原理拓展应用，多角度总结实验的基本方法。 例如，微小尺寸测量可以用光的干涉法、光杠杆法精确测量；测较长的距离可以采用激光相位补偿、时差法、红外测距等；速度测量可以用光电门、多普勒测速、传感器等；角度测量可以采用分光计等；光谱谱线测量可以用“迈克尔孙干涉法”、衍射光栅等；测温测量可采用水银温度计、热偶温度计、红外测温等；加深理解测量的基本方法，联系所学专业知识，进行知识迁移应用，例如，对开展创新项目利用学习基本方法完成基本物理量的测量、监控，服务于智能生活。

（2）构建线下物理实验和线上物理仿真实验交融的教学模式引导学生积极参与实验热情。

大学物理实验作为基础学科的实验，大部分工科学生都需要修习的一门学科，实验中心每年要面对高达4 000 多名学生，每个学生要完成10 个实验，本校实验中心专职老师只有9 个人，另有21 位代课老师，每人工作量非常大， 每位老师工作强度高， 重复性强，导致教师工作激情降低，很难对学生进行引导和创新性教学， 通过线上和线下交融的教学模式可以解放老师精力， 让老师有更多的精力参与教学教改和仪器维护，保证教学质量。 线上和线下交融的“混合式教学”，可以把课堂主导地位还给学生，让学生成为课堂的主导者而不是被动参与者，实现因材施教的高效率学习，达到以自学为主，教师引导和创新性指导为辅的教学模式。

本校搭建了线上物理仿真实验平台，初步完成了线上仿真和线下物理实操实验结合的“混合式教学”[6]。在平台上通过视频讲解形式，把实验目的、实验原理、仪器操作、数据处理及其分析总结展现给学生，特别是实验具体的操作步骤和原理的结合、仪器的详细介绍和实验的注意事项讲解，解决了学生课时不足的问题。 学生通过线上课前预习可以反复观看视频和参加仿真实验，提高了预习效果，线下实验学习中，学生可以有更多的时间进行自主操作，提高学生自主学习和动手操作能力，教师对实验的讲解点到为止，主要进行拓展、答疑和创新性引导，这样可以使学生进行独立自主、轻松有效学习。 此外通过线上提交报告，自动批改报告解放了教师， 让老师从容进行教学教改，设置两个需要学生独立完成的仿真实验项目，让学生通过查找资料、独立自主完成实验，提高学生解决问题能力和积极参与实验的热情。

（3）以物理演示实验和物理竞赛为依托，注重学生创新能力的培养。

兴趣是最好的老师， 提高学生参加物理实验兴趣，是学生自我学习提升和发展的内在动力。 通过演示实验，找到学生的兴趣点，激发其好奇心和求知欲，遇到问题让学生自己查阅资料，提高其提出问题和解决问题的能力。 建立与现代科技相联系的演示实验项目，扩展学生的眼界，打开学生创新创造的思路。 如人工智能、智能控制、机器人识别、人脸识别、循迹小车、3D 打印机、裸眼3D、通信网络等项目。 实验和大学物理理论课有机结合起来，充分发挥演示实验的补充和辅助作用。 加强理论和实验的紧密结合，转换学生抽象和物理演示实验形象结合，加深对知识的理解。 开展开放的讨论研究氛围，引起思想的激烈碰撞，营造自由的创新研究环境。

给学生制作的平台， 建立专用的创新实验室，搭建实验作品项目。 从社会研究热点问题以及生活中的感知理解出发，如新能源问题、环境问题、节能减排、智能生活等，根据生活需求和自己的实际知识储备建立项目，将学习的基本物理知识和生活需求、创造思维紧密联系起来，例如，生活中的懒人闹钟、智能垃圾桶、发电手环、温差发电、太阳能最大能量点跟踪、旧式太阳能的改造、智能花卉陪护等。 通过查阅资料、可行性分析探究，提高学生查阅资料、发现问题、解决问题的能力。 作品制作中小组成员根据成员知识能力特点、分工制作，提高团队协作能力。 疑难问题的讨论和解决，通过查阅资料、与老师探讨、组内成员讨论等，寻求最优化方案解决问题。

运用基本的知识解决问题，激发自主探索问题的兴趣。 以参加物理竞赛为平台，结合物理实验知识的基本方法，促进基本知识的消化理解，丰富自己的知识体系和提高自己解决问题的能力。 以赛促教，加强学生与老师之间的交流，回馈课堂，提高教学质量。 这样学生在作品制作中，发现问题、解决问题，提高了自己创作的兴趣，丰富了自己的知识体系。 活学活用将所学习知识迁移生活中的应用，既能提高学生主动积极思考和创新能力，又能以赛代练加深对物理基本原理理解。

总之，深化改革大学物理实验教学模式，构建以培养学生创新能力为目的的“多维度”实验教学体系，松绑过于硬化的教学模式，解放教师精力并加强学生课堂的主导作用， 唤起学生积极探索的原始动力；通过线下实操实验和线上预习、仿真实验结合，让学生选择多元化的学习方式，提高学生自己分析问题和解决问题的能力；适度开放演示实验平台，提高学生参加实验的乐趣，让学生主动参与实验，改变接收式教学模式；以物理竞赛为平台，让学生回归生活，奇思妙想构建参赛项目，以赛促教，以赛代练，提高学生的自主创作创新能力。