大学物理实验课程思政教学设计与实践探索

毕会英 杨 波 饶 蕾 张 欣

(北京科技大学天津学院 天津 301830)

1 课程概况与课程思政目标

大学物理实验是理工类专业的公共必修基础课,是学生进入大学以后的第一门实验课,是进行系统科学实验训练的开端,是后续实验课的基础,是连接理论与实践的桥梁.课程培养目标有3个层次:知识传播、能力提高和价值塑造.但在教学过程中发现学生有“三个缺乏”问题,第一、缺乏明确的学习目标和动力,不知道为什么而学习,对未来发展没有规划,价值感缺失.第二、学生缺乏对所学知识的正确认知,觉得物理实验课程与所学专业没有关系,对所学专业没有认同感;第三、缺乏克服困难的信心和解决问题的能力,遇到困难不知所措,不知道如何解决问题.

为帮助学生更好地成长,课程教学团队尝试在大学物理实验教学过程中,深度融入课程思政内容,提出了“一引二提”的育人目标,即在传授物理实验相关知识、方法、技能的同时,对学生进行价值“引”领,重塑正确的价值观;“提”升学生对事物正确认知的水平,“提”高学生应对困难的信心和解决问题的能力;并在教学过程中深度挖掘课程思政元素,并且以育人目标为导向,采用反向设计的原则,通过调整教学内容、改革教学方法、整合教学过程、创新教学模式,完善评价指标等方面的实践,对课程思政的教学方案进行设计,构建了“全内容、全过程、全环节”的“三全育人”模式,取得了一定的效果.本文从课程思政元素与课程思政目标、课程思政教学设计与实践探索、课程思政教学成果与创新、课程思政教学新模式、课程思政教学存在的问题及解决方案等方面,介绍在大学物理实验课程中进行课程思政建设的实践探索.

2 课程思政教学设计与实践

为达到课程思政的教学目标,对教学过程中的思政元素进行深度挖掘,并在教学理念、教学内容、教学过程、教学模式、教学评价等方面进行了一系列的实践探索.

2.1 课程思政元素与思政教学点

围绕课程思政目标,在教学过程中,深度挖掘课程思政元素,可将大学物理实验课程要求、实验背景知识、物理学史、科学家故事、实验方法、实验相关知识和应用、实验展板等思政元素有效融入课程思政教学过程中[1].

2.1.1 实验课程要求

大学物理实验是实验课,突出强调实验是验证理论正确与否的标准,进而引出“实践是检验真理的唯一标准”,鼓励学生在追求真知的道路上要坚信实践出真知.学生在实验记录测量数据时,由于操作不规范、实验误差、偶然性等因素,经常会导致实验数据偏离预期实验结果的情况发生,课程要求在遇到类似情况时,应实事求是记录数据,找出原因并提出解决方案,不能抄袭数据,培养学生“实事求是”的科学态度,并及时进行诚信教育[2].

2.1.2 实验背景知识

实验背景知识有助于学生了解实验规律的发现过程,实验环境条件、实验方法、实验遇到的困境,以及偶然出现的新问题、新现象[3].教学时可利用实验背景知识引导学生认识到:许多物理规律的发现表面上看是偶然现象,实际是科学家坚持不懈追求真理的必然结果;启发学生正确认识偶然性与必然性的辩证关系,培养学生追求真理,不断探索的创新思维能力.比如,在学习光电效应实验时,从赫兹偶然发现光电效应现象,到爱因斯坦用光电效应方程进行理论解释,再到密立根用实验方法验证光电效应方程,就是科学家不断探物究理寻求真知的过程.

2.1.3 物理学发展史

物理学史是物理学家孜孜不倦追求真理的发展史,每一个物理规律发现背后都有科学家为追求真理,无数次失败而不懈努力的故事,引导学生学习科学家为坚持真理持之以恒积极探索的科学精神,启发学生对科学精神的深度思考.比如:在讲解光电效应实验时进行知识拓展,讲解爱因斯坦因为光电效应理论获得诺贝尔物理学奖,但在量子力学发展方面的观点却具有局限性.通过介绍波尔与爱因斯坦关于量子力学的“波爱之争”,介绍爱因斯坦关于量子力学的观点.进一步引入2022年三位诺贝尔物理学奖获得者法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格的量子纠缠实验,证明爱因斯坦关于“量子力学是不完备的”“两个相互纠缠的粒子之间的作用是超距作用”等观点的错误.从而启发学生思考,如何正确看待科学家与科学家精神?在此基础上,介绍我国科学家潘建伟院士带领的团队在量子纠缠实验及量子信息通信技术方面做出的巨大贡献,激发学生的民族自豪感和科技报国的使命担当,如图1所示.

图1 科学家关于量子纠缠的观点、贡献及对应思政教学点

2.1.4 科学家故事

在教学过程中,恰当引入与教学内容相关的中外物理学家故事,通过物理学家在物理学发展过程中的趣闻轶事,引发学生的思考和探索;尤其是通过中国物理学家在物理学发展中做出的巨大成就,激发学生的民族自豪感和爱国情怀,激励学生应对困难的决心和勇气.比如在讲解霍耳效应时,引入我国科学院院士薛其坤教授带领团队首次在实验中观测到“量子反常霍尔效应”的事例,鼓励学生学习科学家刻苦学习、努力探索,潜心研究的精神,不断提高自己的能力,努力为社会做出应有的贡献.

2.1.5 科学的实验思想和方法

课堂教学时,引导学生通过科学实验思想和方法寻找建立解决一般问题的方法论,以培养学生优秀的科学思维品质.例如:在学习电桥测电阻实验时,采用“逐步逼近法”寻求电桥的平衡以测量待测电阻;启发学生思考在学习和生活中遇到问题不可急于求成,可以用逐步逼近的思想,一点一点努力寻求接近问题的答案和预期结果.

2.1.6 物理实验相关知识拓展应用

通过物理实验相关知识在科技及日常生活中的实际应用及对后续课程的影响,提升学生对物理实验与学生专业之间关系的正确认知,提升对自身价值的认识和肯定,提高学生的自信心,消除对前途的迷茫和无助感.比如在学习静态拉伸法测材料的弹性模量实验时,引入塔科马大桥的坍塌事件,启发学生思考大桥坍塌的原因及弹性模量对桥梁安全的影响,警醒土木、道桥、造价、机械等专业学生在工程设计时应保持高度责任心、质量意识和安全意识.

2.1.7 实验室展板

把物理学家的生平故事,名人名言做成展板,利用走廊墙,丰富实验室的文化氛围,打造育人环境,陶冶情操,潜移默化激励学生.

2.2 课程思政实践探索

为实现课程思政目标,在教学实践过程中,进行了一系列的课程思政设计和实践探索活动.主要包括:转变教学理念、调整教学内容、改革教学方法、整合教学过程、创新教学模式、优化教学评价等方面.

2.2.1 转变教学理念

古人云:授之以鱼不如授之以渔.围绕课程思政目标,将传统的“以教为主”的教学理念转变为“以学为主”,主要包括3个方面:

第一、将传统的传授知识转变为教学生如何学习,建立解决问题方法论.第二、将重点讲授理论知识转变为理论与实际应用相结合,突出实践论的观点.第三、将以“成绩导向”的考核转变为“育人目标”为导向的考核,注重育人论,如图2所示.

图2 教学理念的转变

2.2.2 调整教学内容

教学过程中,适当调整教学内容,将思政元素巧妙融合到教学内容中,如图3所示.

图3 教学内容的调整

(1)内容进行“一减二加”的调整.减掉实验原理部分的公式推导和可以自学的内容;增加实验背景知识和物理学发展史,对学生进行辩证唯物史观和科学精神的培养;增加讲解实验内容的实际应用,加强理论与实践的连接,培养学生的实践观.

(2)学生实验采用一记一法,一分一合的方法.“记”录数据要实事求是;通过实验方“法”建立方法论;“分”组实验要协调配“合”,培养团队协作精神[4].

2.2.3 改革教学方法

采用“目标导向+问题引导”的教学方法,教学内容的设计以育人目标为导向;讲授以问题为引导,通过提出问题(进行探索)、分析问题(正确认知)、解决问题(提升能力)的步骤达到提高解决问题能力的教学目标.

2.2.4 整合教学过程

教学过程整合为课前预习、课堂教学、课后总结的线上线下相结合的模式.

(1)课前预习

要求学生利用教学管理网站和仿真实验平台等线上思政素材库对实验背景相关知识、科学家的故事和相关物理学发展史进行预习,并撰写预习报告和预习体会.

(2)课堂教学

课堂教学时,针对学生的预习情况讲解实验内容和问题.1)通过实验背景和科学实例的学习,培养学生追求真理的科学精神.2)通过实验方法建立方法论,培养学生科学的思维方法.3)通过知识拓展应用,加强学生对物理实验与所学专业之间关系的正确认知,强化学习的目标感,提升自身的价值感.4)分组实验时,培养学生的协作意识和团队精神.

(3)课后总结

课后以小组模式完成“数据处理-得出结论-分析误差-问题讨论-内化提高”的实验总结,撰写实验报告和学习体悟.这个过程是学生主动提升认知、提高能力、塑造正确价值观的内化过程.

2.2.5 创新教学模式

传统的教学模式是以课堂教学为主,辅以预习和课后实验报告;融入课程思政后,采用“课堂教学+教学网站+仿真实验+演示实验+总结讨论”的教学模式.预习时将教学网站上的 “科学家故事”和仿真实验平台上的“实验背景”作为思政素材库,供学生进行思政内容的预习;上课时,采用课堂教学+演示实验+思政教学的模式,将思政元素融入教学过程中,从而进行价值引领,提升认知,和提高能力的培养.课后采用讨论-总结-内化-提高的模式,教学模式创新导图如图4所示.

图4 教学模式创新导图

2.2.6 优化教学评价

传统的课程评价,采用“平时成绩+实验报告+操作考试”的方式对学生进行考核.加入课程思政元素后的教学评价,将不易量化的思政元素指标转化为可以量化的提问次数、互动次数、线上访问次数、线上学习时长、参与讨论次数、预习体会和学习体悟等指标,纳入评价考核体系,形成“思政评价+过程评价+期末考试”的具有思政育人目标导向的评价体系,以达到“全过程”的育人目标,评价方式创新导图如图5所示.

图5 评价方式的创新导图

2.3 课程思政实施过程

以光电效应为例,根据课程思政目标,实施了全过程、全环节、全内容的课程思政实践教学活动,如图6所示,具体的实施方案如下.

教学过程分为:课前预习、课堂教学、课后总结3个部分.

课前预习阶段,除了针对相关知识的预习外,还应增加实验背景和科学史的预习内容,使学生对追求真理的科学精神和批判性思维品质有个初步的认识和体会.

课堂教学包括课堂讲授、分组实验、拓展应用3部分.课堂讲授采用提问法介绍实验内容;实验过程重点讲解实验方法;小组实验采用一分一合;拓展应用,理论联系实际.

课后采用“数据处理-得出结论-分析误差-问题讨论-升华内化”模式进行总结,使学生有一个主动提升认知、提高能力、塑造正确价值观的内化过程.

3 课程思政教学效果与创新

3.1 课程思政教学效果

经过一系列的课程思政实践活动,取得了一定的教学效果.在认知方面,学生对实验课、实验课与所学专业的关系,以及自身价值的认同感提升;在能力方面,认知能力、创新思维能力和解决问题能力都有不同程度的提高;在价值观塑造方面,培养了学生的科学观和科学精神,建立科学方法论和辩证唯物主义观点,科学素养也得到一定程度的提高,如图7所示.

图7 课程思政教学效果

3.2 课程思政教学创新

教学创新主要体现在教学理念、教学内容、教学过程、教学评价、教学环境等方面,如图8所示.

图8 课程思政教学创新

3.2.1 教学理念创新

教学理念通过3个转变进行创新.从“学什么”转变为“怎么学”;从“学理论”转变为“重应用”,将“看成绩”转变为“重育人”.

3.2.2 教学内容创新

教学内容创新体现在“一减二加”.删减实验原理的公式推导部分,增加实验背景知识、物理学家故事和物理学发展史,培养学生敢于质疑的创新思维;增加实验知识相关的实际拓展应用,加强理论与实践的结合,培养学生实践论的观点.

3.2.3 教学过程创新

教学过程采用“线上线下”相结合的创新模式,增加了课前线上自主预习实验背景等内容以及线下课堂分享预习体会和课后小组总结讨论的环节,完成提升认知、提高能力、塑造正确价值观的内化过程,达到“一引二提”育人目标.

3.2.4 教学评价创新

教学评价将“成绩导向”转变为“育人目标”为导向,构建“思政评价+过程评价+期末考试”的评价体系,对课程教学效果进行有效评价,达到预期的课程思政教学目标.

4 存在问题及解决方案

课程思政是一个润物细无声的过程,不能生搬硬套.尽管我们在课程思政的教学过程中,进行了一系列的课程思政实践活动,但仍存在一些问题.主要表现在3个方面:(1)专业知识深度不够,有待进一步学习.(2)相关知识宽度不够,需加强教育学、心理学、思政课等知识的学习.(3)专业知识与其他学科知识不能很好融合.

针对以上问题,提出了相应的解决方案:(1)加强专业知识及相关物理学史的学习.(2)加强教育学、心理学、思政课等知识的学习.(3)加强学科知识的交叉融合和相互联系.

5 结束语

经过一系列的课程思政实践活动,总结出了“一个核心”“两个基本点”“三全育人”“四个创新”,“五项设计”的“1-2-3-4-5”课程思政模式,取得了较好的教学效果.即以“价值引领”为第1核心,以“提升认知”和“提高能力”为2个基本点,以“全过程、全环节、全内容”的3全育人目标为指导,通过教学理念、教学内容、教学过程、教学评价4个方面的创新,对教学内容,教学模式、教学过程、教学环节、教学评价等5个方面进行课程思政设计;学生的学习目标感和价值感明显提升,对专业和自我的认知度有所提高,团队协作意识、创新性思维能力、总结概括能力、解决问题能力都有所提高.但要做到课程思政“润物细无声”,对教师知识储备、思想境界以及各项能力都提出了很高的要求[5].因此,教师需要不断自我提升,不但专业知识扎实、还要多学科知识深度融合、不断拓宽视野,加强自身的文化素养,才能让学生在潜移默化中体会物理实验的魅力,从而达到塑造正确价值观、提升正确认知水平、提高解决问题能力的“一引二提”的育人目标.