新工科大学物理实验多维度教学模式的探索

陈淑妍，孟 霆，张晓峻，李 平，王晓峰，孙晶华

（哈尔滨工程大学物理与光电工程学院，哈尔滨 150001）

0 引言

教育部“新工科”建设的提出，明确了“三问、三构建”和“5 个更加注重”等教改思路和要求［1-3］。作为进入大学后理工科专业学生接触的第一门关于实验方法与技能训练的基础实践课，大学物理实验是培养学生综合实验能力、治学态度、创新意识及提高科学素养的基础，对新工科建设的人才培养具有重要作用。同时，新工科建设的开展也对物理实验教学提出了新的要求。但是，目前我国普通高校物理实验教学仍然存在以下问题：教学方式单一，以教师讲授和演示为主，学生更多是机械式重复，枯燥无味且毫无创新性和趣味性，难以培养学生的分析问题解决问题［4］；单一的考核方式，仍然在重复“分分分学生的命根”，很难达到以考促学的目的［5-6］；割裂的实验内容设置，与专业科研应用交叉联系少，与当前发展多学科交叉的新工科目标相违背［7］；“单打独斗”式学习，缺失了团队精神的培养［8-9］。

针对上述问题，2020 年以来，我校物理实验中心结合学校新工科人才培养的定位以及新冠疫情防控对实验教学的需求，积极探索了新工科背景下大学物理实验多维度教学模式，在教学理念、教学内容，教学质量监控体系等方面进一步改革和提升。

1 多维度教学模式设计与实施

基于我校物理实验中心“一核双翼三阶”多维实验教学体系［10-11］，通过实验内容高阶性、创新性、挑战度（“两性一度”）的建设，构建了大学物理实验多维度教学模式，如图1 所示。

图1 大学物理实验课程多维度教学模式结构

物理实验中心在原有的演示实验、验证实验、综合实验、设计实验等类型基础上，新增设了高阶实验和创新实验，构建了三阶段六层次的物理实验教学平台；在教学方法上，充分利用线上资源，采用多元化教学方法，构成课前、课中、课后的物理实验研学途径，拓展了大学物理实验学习的空间和时间。围绕物理实验知识考核、实验能力考核、实验素养考核3 个维度考核目标，实施了过程性多维度考核方式，将科创、科技竞赛等纳入大学物理实验考核，提升过程性考核的占比，实现了课-赛-研-创的有机融合。

1.1 分层次教学内容

设置了从演示实验到创新实验的6 个不同层次实验类型。通过百余项演示实验项目供学生实践体验，实现第1 阶段学生对物理好奇心的唤醒；通过力、电、声、光、热等基础、综合及设计物理实验项目，培养学生实验技能、动手实践能力、分析问题解决问题能力，实现第2 阶段的科学实验能力的培养；通过增设高阶实验和创新实验，实现第3 阶段的科研素养训练。其中，高阶实验围绕学校“三海一核”领域人才培养目标，建设了水下多物理量测量及处理创新平台，形成船海特色的高阶实验，比如海洋光学系列实验、水下声学系列实验等项目。高阶实验以线下实体实验为主，辅以虚拟仿真，学生根据实验要求和实验器材清单设计实验方案，教师检查设计方案后，学生自行完成实验项目及报告。创新实验，结合大学物理实验和专业特点，将科研成果转化为新型物理实验项目、设计研制新的物理实验仪器或实验方法，每年支持100 组物理创新实验项目。创新实验采用项目式教学方式，参考科研项目研究流程，让学生围绕具体问题进行项目方案的设计、论证、实施及总结。高阶实验和创新实验，通过团队合作，驱动学生在参与过程中循序渐进提升协作解决复杂工程问题的能力，跨学科知识融合能力，培养学生创新思维和探索精神。

1.2 多元化教学方法

充分利用实验中心的优质线下资源和丰富的线上资源开展线下和线上相结合的教学。一般情况下，大学物理实验以线下实体教学为主，线上教学为辅；在疫情防控或突发事件的情况下，可以实时进行线上与线下教学切换，灵活调整线上与线下教学课时比例，提升大学物理实验应对突发情况的能力。

（1）多平台融合的线上教学。疫情防控常态化背景下，大学物理实验课程教学难以保证持续性地线下进行，大学物理实验中心积极探索线上教学新载体新教法，创新线上教学内容、教学平台，切实提升学生的获得感。团队采用“QQ 群+虚拟仿真平台+雨课堂+智慧树/中心网站+微信公众号”等多种平台融合的教学模式多维度重塑大学物理实验课程，解决组织学生、信息发布、在线学习资源获取、在线实时答疑、在线授课、在线考核等问题，对演示实验、基础实验、自主DIY实验、高阶实验等不同层次实验内容实施在线教学，使学生在家在寝也能“动手”做实验，图2 所示为多平台融合教学方案。

图2 多平台融合教学方案

首先，课前通过QQ 群、雨课堂、智慧树和物理实验中心网站发布课前授课通知和预习信息，学生登录智慧树和哈尔滨工程大学物理实验中心网站即可获取学习资料包（包括课件、视频、微课等教学资源）进行预习，引导学生自学，让学生带着问题进课堂；课中，教师采用雨课堂在线直播方式授课，采用弹幕、提问等方式积极与学生的互动，吸引学生注意力，课后通过智慧树问答讨论区、QQ群在线实时答疑；基于虚拟仿真平台开展虚拟仿真实验预习、操作与考核，通过智慧树实现演示实验、自主DIY 实验的报告在线批阅；为拓宽学生的知识视野，提高学生对物理实验的兴趣，通过微信公众号推送趣味实验、前沿科学实验。

（2）线上线下混合式教学。物理实验中心最早于2016 年开始混合式实验教学模式的初步尝试，录制了“大学物理实验”慕课，在学校实验中心平台上线，用于学生课前在线预习，2018 年实验中心团队又升级了“大学物理实验”慕课，在东西部高校课程联盟上线，采用二维码的形式嵌入到实验教材当中，方便学生预习。2022 年春季学期，实验中心与科大奥锐公司联合开发了大学物理实验虚拟仿真实验项目，并已应用于实验教学中。利用线上资源实现对学生预习考核，延拓学生的学习时间和空间。

线上线下混合式教学，学生在课前可以通过科大奥锐虚拟仿真平台上的实验预习系统和仿真实验V4.0进行相关实验项目的预习，实现对学生预习的过程性考核。线下课堂教学引入“O-AMAS 有效教学”模式［12-13］，以学习结果为导向，根据不同实验的重点、难点和问题点，在课堂上抽查提问、项目小设计、游戏互动等形式激活学生的多种感官，通过教师不断给予有效反馈调动学生的积极性，让课堂活跃起来，让枯燥干巴的物理实验变得“好玩儿”起来，让“要学生学”变成“学生主动学”，实现向以学生中心课堂教学方式的转变。学生在线下实验完成之后，可以通过智慧树、QQ群等线上平台进行实验讨论和升华。正常情况下，以线下教学为主，占总课时的85%。在发生疫情和突发事件，暂时无法进行线下课程教学情况时，这个占比会进行相应调整，调整为线上实验教学为主，疫情防控允许之后再开放线下的优质实验资源，学生进入实验室操作实验仪器，进一步提升学生实验仪器操作的技能，通过多元学习方式引导学生建立物理思维“悟物穷理”。

1.3 过程性多维度考核方式

考核是检验大学物理实验教学目标达成度的重要手段。目前高校物理实验课程对学生的考核大多采用3 或3 +1 的方式。期末考试，多数高校采用笔试的方式，也有高校采用实验操作考试的方式，前者很难检验实验过程的操作调节，后者具有一定偶然性［14-15］，公平性欠佳［16-18］。面向新工科人才培养的新需求，大学物理实验中心提出并实施了过程性多维度考核方式，既为拔尖学生成长提供了快速通道，也为不能适应的学生提供“退路”，顺应不同学生的个性化发展，达到以考促学的目的。

过程性多维度考核，针对课程特点及培养目标，把物理实验考核分成3 个维度，即：物理实验知识考核、实验能力考核、实验素养考核。物理实验知识考核，包括基本实验方法及实验技能等；实验能力考核指贯穿整个实验过程中行为表现的考核，包括自主预习能力、动手实践能力，创新能力，自主探究能力以及总结能力等；实验素养考核是对学生在整个实验过程的主动性、责任心、团队精神、公德意识等主观因素的考查。围绕这3 个维度的考核，采用3 +1 +N的方式，通过线上线下结合，形成过程性多维度考核方式。3 +1 +N，即平时考核（预习考核、实验操作、实验报告）+期末考核+科创、科技竞赛，考核成绩按照各项考核的不同权重，合成一份最终成绩。其中，平时考核和科创（竞赛）为过程性考核，也是促学测评。

不同实验类型采用不同的考核方法，比如声速测量、弹性模量测定这类基础实验项目采用线上预习考核与线下考核混合式考核方法，引力波实验这种前沿物理实验采用线上考核方法，演示实验采用线下考核，科创、科技竞赛以线下考核为主。无论线上还是线下考核，皆围绕“知识—能力—素养”3 个维度进行。其中，科创、科技竞赛的考核，更强调创新与探究的能力考核，通过立项答辩、中期检查、结题检查，实验竞赛培训等方式进行，实时诊断学情，增加创新训练的覆盖面，提高创新性和挑战度实验项目的比例，以激发学生的创新动力为目标。

每学期初拟定考核方案，告知学生。比如2022 年度春秋两学期我们采用平时成绩（预习、操作、实验报告）占60%，期末考试成绩占40%，演示实验设计报告成绩前5%的同学可以参加答辩，答辩成绩优秀者最终总成绩加分，并推荐“物理仪器创新设计”专题立项，或推荐参加物理实验类竞赛选拔；完成一项高阶实验和创新实验可以替代两项选做实验项目；参加科创、竞赛的学生，依据其表现额外予以加分奖励。平时成绩的占比依据不同实验特点会有所调整，比如2022 年春秋两个学期开设的线上虚拟仿真实验项目，实验预习占比30%、仿真操作占比30%、实验报告占比40%，而高阶实验和创新实验，则采用4∶3∶3的占比。图3 是2022 年度大学物理实验中心施行的过程性多维度考核方案。

图3 过程性多维度考核方案

2 多维度教学实施效果及学生反馈

大学物理实验课程实施多维度教学模式以来，同学们对大学物理实验课程评价满意度达到95%以上，课程目标达成度达到0.84 以上。线上实验，同学们互助互学，学生评价良好；线下课堂开展了丰富多彩“好玩儿”的小活动，比如我讲你问他答、分组讨论等，活跃了课堂氛围，激活了课堂。图4 所示为实施多维度物理实验教学模式之前（2019 年）与之后（2022 年）秋季学期参与课程学习的学生物理实验考核结果分布图，其中2022 年有28 人因通过物理仪器创新实验立项而获得考核优秀。考核结果表明：多维度物理实验教学模式有效地降低了不及格率，点燃了学生们对物理实验课程的热情，达到了以考促学的基本目标；同时，优秀率也一定程度降低，表明分层次教学、多维度过程性考核，提升了物理实验教学的“两性一度”，让优秀更“货真价实”。

图4 2019与2022年物理实验多维度考核结果

此外，全面增强了学生科创比赛竞争力。物理实验教学中心联合校团委组织并实施了大学生“物理仪器创新设计”专题立项，每年吸引上百名同学参与。2022 年，共有108 人参加物理仪器创新实验立项选拔，占总人数的3%。开展的“物理演示仪器创新设计大赛”“全国大学生物理实验竞赛预选赛”“全国大学生物理学术竞赛预选赛”，为同学们提供了展示科技创新成果的平台。近年来，学生参加全国大学生物理实验竞赛，取得了优异的成绩，2021 年教学赛获得一等奖1 项、二等奖2 项，2022 年创新赛获得二等奖3项、三等奖1 项。

为促进教学持续改进，2022 年秋季学期末对参加大学物理实验的同学进行了物理实验多维度教学效果调查问卷，735 名学生进行了反馈。同学们对目前物理实验提出了一些建议或意见，表达了他们的收获和体会。根据提条归纳出频率最高的4 条，如图5 所示，表明多维度教学取得良好效果，问题主要集中在继续深化多维度考核、丰富线上线下混合式教学手段，提升学生科学实验能力与实验效率。

图5 物理实验多维度教学效果问卷反馈统计

3 结语

大学物理实验课程采用多维度教学模式，减小了后疫情时代突发事件对实践实验类课程的冲击和影响，为工科物理实验教学改革提供一种新范式，有效支撑哈尔滨工程大学新工科改革。考核结果和学生反馈表明，该教学模式使学生逐渐从传统教学的配角中摆脱出来，成为课堂真正的主人翁，让大学物理实验教学“活”起来，激发学生的科创动力，增强学生创新探索意识提升。今后，大学物理实验课程将进一步加大科创、竞赛在过程考核中的占比，持续改进线上线下混合式教学以及线下课堂教学，提升大学物理实验课程目标的达成度。