大学物理实验教学探究

裴松鹏，张晓婉

（六盘水师范学院 贵州 六盘水 553004）

物理学作为自然学科的基础，具有研究范围广、应用性强等特点，在物理化学、生物物理等交叉领域应用都很广泛。大学期间对理工科非物理专业学生的物理教学，通常包括大学物理和大学物理实验两门公共基础必修课程，两门课程都具有教学内容广、授课学生多、覆盖学校各个理工科专业的特点。物理实验课程主要包括实验操作和实验数据处理两大部分，实验项目覆盖力学、热学、电学、光学和近代物理。大学物理实验作为学生进入系统性实践操作课程的开端，是一门将理论知识与探究过程紧密联系的课程，也是一门培养应用型人才的必修课。与侧重于理论学习的大学物理课程相比，大学物理实验课程主要培养学生基本的科学实验技能和科学素养，要求学生掌握测量误差相关的基础知识、会对实验数据进行正确处理、掌握各类基本物理量的测量方法、正确使用基础实验仪器，重点培养学生理论联系实际的能力、分析问题与积极研究的精神、严谨的科学态度和创新意识。

1 大学物理实验课程教学现状

大学物理实验属于物理教学过程中的重要组成部分，不局限于解题技巧和应试能力的培养，但实验内容枯燥、授课方式单一、实验课时不足，导致很多学生不重视该课程。该课程通常与大学物理理论课同时开设，会出现“理论学习与实验进度不匹配”这一现象，导致学生独立完成实验具有一定的难度。若学生在课前不对理论知识、实验操作和数据处理等内容进行充分有效的预习，在时间和空间都有限的实验课堂上，只依靠“教师教，学生学”的传统灌输式教学模式，对实验内容无拓展、无关联、无猜想和无探究地进行实验，学生会觉得实验课程枯燥，甚至无用。即使有的学生能够在教师演示实验后完成相关实验的操作和数据记录，但大多也是依葫芦画瓢，缺乏自主学习和独立思考，对实验理解不透彻，课后提交的实验报告中实验数据的处理也是缺乏逻辑的；而有的学生学习思维固化，严重缺乏实践动手能力，难以独立完成实验。如此，很难实现大学物理实验课程的教学目标。

大学物理实验通常是由数个涵盖不同内容的单个实验组成，单个实验的考核分为以下几部分：课前预习阶段的课程音视频观看情况、预习小测、实验操作、实验报告。其中，实验操作主要考查学生是否能单独完成实验，其次是实验数据是否正确；实验报告通常都是学生课后完成，教师在批改过程中只能根据实验报告每部分的完成情况进行评分，归结下来在一定程度上是对学生的学习态度进行评分。仅凭实验数据和实验报告，不能完整地呈现学生的学习情况，教师打分时难免会有失公平，这种“重结果、轻过程”的评价方式也会打击学生的积极性。此外，实验操作和实验报告部分的评价，都过于关注实验数据的好坏，不符合大学物理实验课程的教学目标，甚至会诱导部分学生因想获取高分而篡改实验数据。单个实验分别是在不同的实验室进行，由不同的教师负责，而大学物理实验课程的综合成绩是由单个实验成绩求平均得到，不同教师的评价标准不统一，评价结果也有所差异。

教学过程融入思想政治教育（简称“思政教育”）是非常重要的，思政教育是落实立德树人根本任务的关键，在教育过程中发挥着不可替代的作用[1]。在党中央和教育部的号召下，教师应在大学物理实验课程中加强思政教育。但做好思政教育还存在一些问题，如大学物理实验课程时间紧，教师会更注重把有限的时间花在讲解实验原理和实验操作上，确保学生能够顺利完成实验；大学物理实验内容覆盖面广，课程思政教育的建设工作任务重，需要不断挖掘、积累和完善思政素材，这对授课教师团队的思政水平和教学技能都提出了挑战；且思政元素、案例和融入方式与教学内容是紧密相连的，不能大而泛，需要从实验本身出发，与实验发展历程、社会热点及专业前沿技术等紧密联系，这样才能吸引学生的注意力。只有足够丰富的思政素材和精心设计好的教学环节，才能将思政教育润物细无声地融入教学过程。

2 课堂的教学变革

2.1 改革教学方式

与局限于讲授为主的理论课相比，实验课有着更强的探索性和更多的实践机会，更能激发学生的学习兴趣，锻炼学生的动手能力和观察能力，在学习过程中应该着重关注学生基本实验技能和科学实验能力的培养。大学物理实验课具备一定的严谨性和系统性，在新时代教育的背景下还需要兼顾开放性和创新性[2]。但是，刚从高中进入大学的低年级学生，还较为依赖传统的灌输式学习方式，面对具有一定挑战性的独立动手探究性实验课，存在一定的紧张或恐惧情绪，且缺乏自主学习意识和动手实践能力，故培养学生养成“课前学、课中思和课后用”的学习习惯能有效激发学生学习兴趣和培养情感价值认同感。教学过程中强调以学生为主体、教师为主导，增强学生与教师之间的沟通，学生与学生之间的交流，是实现教学目标的重要举措。

课前，首先教师对本次课的教学目标和教学对象进行充分分析，精心准备教学设计，通过学习通等平台发布教学动画、教学视频、知识点框架、实验重难点、预习小测并布置相关历史资料查阅收集的任务，让学生对相关的物理基础知识、实验仪器的使用方法、数据处理方法和实验背景等内容进行初步学习。其次，学生登录个人账号，进入虚拟仿真实验，对实验流程和实验操作进一步学习。最后，学生以教材、教师提供的资料为基础，结合虚拟仿真实验的收获和疑问，查阅相关资料和文献，完成课前预习PPT的制作。

课中，随机抽取一组同学使用课前预习PPT进行本次实验的预习汇报，包括实验目的、实验原理、实验仪器、实验步骤和实验数据处理等内容；汇报结束后，其他小组同学举手提问；针对汇报组未完善或解决不了的问题，可以请其他小组同学进行补充说明或展开专题讨论。教师作为教学活动的策划者，在整个汇报和讨论过程中，随时关注教学活动的进行情况，在学生讨论内容跑偏或讨论陷入僵局的时候，及时抛出问题加以引导，锻炼学生自主思考能力的同时，也能加强学生的沟通表达能力。通过学生与学生之间的讨论，教师能及时掌握学生的预习情况并调整教学计划，形成教学共同体。汇报讨论结束后，教师进行鼓励式点评和总结，对学生理解不清的实验原理与研究方法、未提到的注意事项与生产案例进行讲解或补充，如在“测量重力加速度”这个实验中引入“重力探矿”应用这个案例，能拓宽学生视野，激发学生学习热情。

课后，建立QQ 群等课后线上交流群，方便师生沟通、学生交流，以及不同专业学生组建团队进行专题研究或参与学科竞赛。对于大学物理实验，仅课堂上的时间是完全不够学生进行自主探索和创新能力培养的，学生可以在课堂完成线下实验后，再进入虚拟仿真实验平台进一步探究；大学物理实验中心可以设定实验开放日，由教学团队的教师轮流值班，让想对实验进一步探索的学生在课后也能进入实验室进行自主探索；或者，当实验室有一批实验仪器损坏时，也可以在群里发布消息，吸引对实验仪器有兴趣的同学前来探究及观摩维修。除此之外，还能以教促赛、以赛促教，积极组织学生参加大学生物理实验竞赛、全国大学生物理学术竞赛等学科竞赛，在锻炼学生的实践能力、发掘学生创造潜能的同时，还能激发学生的创新思维，如“三线摆测量物体转动惯量”这个实验中，可以针对如摆角大小、摆线长度、摆线材质等变量对实验结果的影响展开专题研究，使实验项目化，以此进一步提高学生的科学素养。

2.2 完善考核标准

大学物理实验是一门对学生进行基础科学实验训练的实践课程，通过对学生进行系统的实验方法和实验技能训练，为其后续学习专业实践类课程打下坚实的基础。过程性考核是大学物理实验课程考核中最重要的一个环节，在实验操作评分过程中，以检查实验数据为载体，与学生进行沟通和提问，能实现对学生学习能力、动手能力、学习态度和团队协作能力的全方位考查。首先，学生在进行实验或实验结束后对照自我评价表进行逐项自查，自我评价内容包括实验原理的掌握情况、核心实验操作的完成情况以及实验的收获情况。其次，学生完成自我评价后，再去找教师检查实验数据和提问交流，教师可以就以下几方面进行提问。①实验数据方面，随机选择一组实验数据，问学生这组数据的意义、使用的测量方法和其在后续数据处理中的作用。②实验内容方面，针对不同情况的学生，对“测量重力加速度”实验，可以选用不同的谈话内容：对于实验数据满分，且时间相对富余的学生，可以问一些拓展性的问题，如“你所了解的测量重力加速度的方法有哪些？”拓展学生的思维；对于实验数据良好，时间正好够用的学生，可以问一些基本的问题，如“本实验测量重力加速度的方法是什么？该方法测量重力加速度的原理是什么？”加强学生的自我认同和学科自信；对于实验数据不理想或实验时间不够用的学生，可以问一些简单的问题，如“你在测量重力加速度这个实验中的实验思路是怎么样的？”以增强学生的信心。③实验总结方面，请学生进行自我总结，内容包括实验过程中的收获、实验操作中的注意事项、实验中遇到的一些小故障及自己的处理方法，如实验仪器的显示器不能正常显示、光电门采集不到下圆盘通过的时间。④实验反馈方面，收集学生对教学模式、实验内容、实验仪器、实验环境等的反馈意见，利于对后续课程及时调整和完善。

故将大学物理实验课程的考核调整为预习、实验过程和实验报告三个阶段进行：预习包括在学习通发布的任务点学习、相关资料查阅收集、预习小测、课堂汇报及参与提问讨论这四部分内容，可以分别占总成绩的2%、2%、6%和15%；实验过程包括实验操作和实验数据的测量与记录、与老师的沟通和问答环节两部分内容，可以分别占总成绩的20%和30%；实验报告包括书写的格式、计算分析情况和总结，分别占总成绩的10%、10%和5%。负责单个实验的老师们应该加强沟通与交流，在学期开始前，根据自己所负责实验的教学目标，制定学生自我评价表和学生成绩考核标准，向学生公布。只有有计划、多角度和全方位地对学生进行多元化考核，才能高质量地实现教学目标和培养目标。

2.3 建设课程思政

2.3.1 教师思政

加强师德修养是自我完善的需求，是教师使命的诉求，更是时代发展的要求。作为新时代的高校教师，拥有过硬的思想政治素养是基本要求，还要具备献身科学研究、追求科学真理、循序科学规律和乐于用优秀品质感染学生等特点。只有这样，才能真正做到为人师表，才能真正做好思政教育工作。在教学前，认真备课，完善教学设计；在教学过程中，认真听学生的汇报和讨论，耐心听学生表达自己的想法，站在学生的角度思考问题；教学结束后，及时批改报告、发布教学评价、收集教学反馈、总结教学经验并完善教学资料库。

2.3.2 教材思政

教材是课程的核心，是开展课程教学的基础，也是学生进行系统学习所依，是学生和教师在整个教学过程持续阅读的文本，对学生的学习和观念的形成具有深刻影响。丰富教材内容能开阔学生视野，也能提升学生的学习兴趣，如在大学物理实验教材中设置实验背景简介、科学家趣味小故事、实验与生活、实验与科技前沿等专栏，附二维码链接到课程资料库。针对地方高校，部分学生的物理基础较差，可以每年收集学生在理论部分理解遇到的困难，以及提出的反馈意见对教材进行修订和完善，在实验原理、数据处理部分写得更详尽一些，增强教材的逻辑性，帮助学生理解；对于基础较好的学生，可以设置供学生选做的挑战专栏；对于不同专业的学生，可以设置专业拓展专栏，加强基础学习与以后专业知识学习的联系；对于有条件的高校，还可开设“小实验与你身边的大应用”等专栏，把实验与本校或当地有特色的专项科研团队和实验室相关联，激发学生的热情和自豪感。

2.3.3 课程思政

在设计实验课程时，可以从不同环节，如课前预习环节、课堂讲解环节、实验操作过程、实验数据检查过程和课后阶段融入思政元素，从不安全的实验操作、不细心的实验数据处理和不规范的实验报告等细节出发，不断挖掘思政案例，完善思政案例库。

课前预习环节：对于实验内容相关的发展历程及有趣故事，可以在学习通以“实验趣味小视频”的形式进行系列播放；对于一些有纪念意义的实验仪器，可以通过多媒体进行展示；对于与法拉第等科学家相关的实验（如“法拉第磁光效应实验”），也可以布置学生在预习阶段，查阅该科学家对物理学的主要贡献，而在引入重力加速度测量这个实验的时候，可以列举著名地球物理学家黄大年的先进事迹，介绍他的爱国情怀、敬业精神，以及淡泊名利、甘于奉献的高尚情操；对于实验设置的目的和意义，可以布置学生，联系该实验在生活生产过程的相关应用，对比国内外的应用情况，进行介绍[3]。积极联系科技热点，激发学生的学习热情，明确学习目标，开阔学生视野，锻炼学生理论联系实际的能力。

课堂讲解环节：介绍实验原理时，以小组的形式进行汇报和提问，能锻炼学生勤于思考和善于协作的能力；对于一些在早期存在争议的实验，如“迈克尔逊干涉实验”，介绍迈克尔逊和莫雷团结协作并否定质疑物理权威概念的事例，培养学生实事求是的科学精神。启发学生提问和猜想，如对“三线摆测量物体转动惯量的实验”，可在实验讲解的过程中，向学生提问：质量相同的圆环和圆柱所测得的转动惯量是相同的吗？圆柱的转动惯量随着摆放位置越靠近空盘中心是越大还是越小呢？

实验操作及实验数据检查过程：引导学生积极思考，认真实验。教师也要细致观察，耐心指导，并静下心来听学生对所测结果的分析和想法，不能一味谴责学生，不能打击学生的积极性和信心。对“单摆法测量重力加速度实验”，有可能学生测得的重力加速度与理论值不一致，此时应鼓励学生跳出固定思维，勇于用辩证的眼光看待问题，大胆质疑，要返回实验，从多方面寻找及分析导致误差的原因，而不是忙于修改数据，掩饰结果；在“三线摆测量物体转动惯量的实验”中，需要分别对长度和时间进行5 次重复的测量，有的学生主观认为重复测量是没有意义的，故只测量一次，剩余四次数据完全重复第一次测量值，或稍做修改。在课堂上，教师应该加强监督，及时指出并纠正学生的错误想法，杜绝此类现象发生，培养学生一丝不苟、实事求是的科学态度。

课后阶段：大学物理实验课程思政的影响不仅局限于课程教学过程中，还能让学生养成善于观察、勤于思考、勇于发问、乐于探索的好习惯，潜移默化地影响学生，让他们终身受益。鼓励对物理实验感兴趣的学生报名参加物理实验竞赛，引导学生积极主动学习。

3 结语

随着时代的进步、科技的发展，学生接受新事物的渠道和能力都在不断增加和提高，但是对于大学物理实验这种较为传统的课程，教学内容随着时代变化每天不一样是不可能的，只有不断探索—实践—探索教学的手段和方法，吸引学生的注意力，培养学生的兴趣；细化评价过程，激发学生探究精神；从教师思政、教材思政和课程思政等方面入手，深度融入思想政治教育，才能满足新时代大学物理实验课程的人才培养需求。