新工科背景下的大学物理实验教学方法探索与实践

摘要：随着新一轮科技革命和产业变革的加速推进，新工科建设对高校的人才培养提出了新要求。大学物理实验作为工科专业的重要基础课程，应积极响应新工科建设的号召，围绕人才培养目标，以学生为中心，以学生发展为本，构建新工科背景下的大学物理实验教学方法。本文主要阐述了新工科背景下大学物理实验教学现状，探讨了新工科背景下大学物理实验教学改革方法，从实验内容、教学模式和考核方法等方面阐述了“大学物理实验”课程教学改革的主要做法。

关键词：新工科背景；大学物理；实验教学；方法探索；实践

大学物理实验是高等学校本科专业基础课程，是工科类专业的重要课程，承担着培养学生综合素质和创新能力的重要任务，在工科人才培养中发挥着不可替代的作用。随着新一轮科技革命和产业变革的加速推进，世界各国都在积极应对新一轮科技革命和产业变革，加快推进“新工科”建设。新工科是以信息技术为代表的现代科技与现代工业深度融合而形成的工程教育新形态，其核心理念是要面向未来解决真实问题，将工程教育融入大学教学全过程。因此，高校在教育教学中应积极响应新工科建设的号召，以学生为中心，以学生发展为本，构建新工科背景下大学物理实验教学方法。

一、大学物理课程教学现状

部分学校“大学物理实验”课程设置为32学时，开设的实验项目有力学、电磁学、光学和近代物理四个部分。各实验项目从不同的角度培养学生的科学研究能力和创新意识，实验内容涉及物理学的基本概念、基本原理、基本方法等，涉及物理理论知识、数学知识和计算机应用知识等内容，涉及科学研究的基本过程和方法。然而，当前大学物理实验课程存在着诸多问题，主要表现在以下几个方面：第一，实验内容陈旧。大学物理实验项目多由学生在教师指导下自主选择，因此在实验教学中教师不能主动指导学生进行实验内容的选择。第二，教学模式单一。教学方法和手段相对传统和落后，以教师讲授为主，学生被动接受知识。第三，考核方式单一。一般为笔试形式，缺乏对学生学习效果的考核机制。第四，实验教学内容与现实应用脱节。教学内容与现代科学技术发展前沿、先进生产生活实践相脱节；教学过程与学生实际动手能力培养脱节；考核方式与教学效果评价脱节。针对以上问题，有必要对大学物理实验课程进行教学改革，以适应新工科背景下的人才培养需要。

二、新工科背景下的大学物理实验教学方法应用策略

（一）加强实验课程与理论课程之间的衔接

由于大学物理实验课程的开设是在大一结束后，学生的学习目标主要是为了打好基础，因此在教学过程中应该避免将大学物理实验课程作为知识传授的工具，而应该作为培养学生分析问题、解决问题能力的课程。因此，在大学物理实验教学过程中，应着重加强实验课程与理论课程之间的衔接，强化对学生解决实际问题能力的培养。为此，可以将大学物理理论知识与实验课程内容进行有效整合，形成一门大学物理综合实验课。当讲解复杂的科学理论或学科时，往往需要涵盖广泛的知识领域，以便全面理解相关概念和原理。举例来说，在讲解电磁场理论时，我们可以深入探讨电磁场的物理原理和实验方法，这涵盖了电荷、电场、磁场等基础概念。同时，我们可以介绍法拉第电磁感应实验、库仑定律等实验方法，以便学生更好地理解和应用电磁场理论。当涉及力学时，可以将内容划分为经典力学和近代力学两个主要领域。经典力学包括牛顿力学，探讨质点的运动、力的作用等基本原理。在这方面，我们可以介绍牛顿三定律、动量守恒定律等。而近代力学则包括相对论力学、量子力学等更复杂的理论，这些理论描述了微观粒子的行为。此外，振动和波动是力学的重要分支，涉及周期性运动TZ3yfGhC388aLEIbWfz6nr+7mNiBbUjlcMk5wzzEfr8=和波的传播，包括谐振子、波动方程等内容。

（二）创新实验教学模式，实现以学生为中心的教学理念

在大学物理实验教学中，教师的使命不仅是传授知识，还要培养学生的科学素养和创新能力。为了实现以学生为中心的教学理念，需要采用一系列创新实验教学模式，创造积极的教育环境，激发学生的学习热情和主动性。首先，教师可以将学生放置在一个以问题为中心的教学环境中。这意味着在实验项目的选择和设计上，教师应该挑选那些能够引发学生思考和研究的问题。例如，可以提出一个具有挑战性的物理问题，要求学生在实验中设计方法来解决。这样的问题激发了学生的好奇心，促使他们积极参与并寻找答案。其次，鼓励学生积极参与讨论和合作。在实验课堂上，学生可以分成小组，共同探讨问题并协作完成实验。这样的团队合作不仅培养了学生的合作精神，还加强了彼此之间的学习互动，促进了知识的共享和交流。最后，教师应该充分利用现代科技和网络资源，鼓励学生自主学习和主动探索。学生可以使用互联网查找相关资料，观看实验视频，或者使用模拟软件来预测实验结果。这不仅提供了额外的学习机会，还培养了学生信息检索和科学研究的技能。在实验过程中，教师的角色是引导学生独立思考、分析问题和解决问题。教师可以提供必要的指导和建议，但不是简单地提供答案。这样，学生被激发出自己寻找解决方案的动力，提高了他们解决问题的实际能力。

（三）教学模式改革

大学物理实验教学是一种“以学生为中心”的教学模式，是新工科建设背景下对大学物理实验教学的新要求，要培养学生的工程能力、创新能力、解决复杂工程问题的能力。传统的教学模式主要是“教师讲授、学生听、教师做”，即教师在实验课中起主导作用，学生在实验课中处于被动地位，学生只需简单地接受知识，缺乏学习主动性和积极性。为了解决传统教学模式存在的问题，提高学生的学习兴趣和效率，部分学校对“大学物理实验”课程教学模式进行了改革。具体做法如下：

1.整合实验项目，重新编排实验顺序

针对不同层次的学生，设计了不同的实验项目，每个实验项目都是一个完整的实验系统。例如：在“大学物理测量技术”课程中设计了五个独立的测量项目：（1）平面镜成像；（2）阿贝定律；（3）测力与测力传感器；（4）速度测量；（5）角度测量。在每个项目中，首先给出测量目的和要求，然后通过学生预习资料了解仪器的操作方法和注意事项。学生通过预习资料掌握本项目需要使用的仪器原理和使用方法，并与预习资料对照，完成基本操作练习。之后，教师讲解该项目需要测量什么内容、采用什么样的方法和原理测量数据等内容，并给出具体实验步骤和注意事项，最后将实验操作部分交给学生独立完成。学生通过操作可以提高对实验仪器的熟悉程度、对实验原理和方法的理解程度，提高了学生学习物理实验知识的兴趣。

2.优化教学方式，线上线下相结合

在“大学物理实验”课程教学过程中，针对不同层次学生设置了不同的教学方式。对于基础较好、掌握了基本操作方法和仪器使用方法并且有一定兴趣的学生采取“线下+线上”教学模式；对于基础较差、对实验原理和仪器不熟悉或者没有兴趣的学生采用“线下+线上”教学模式；对于特别优秀和有较大兴趣的学生采取“线下+线上”教学模式。

3.改革成绩考核方法

为了调动学生学习积极性，提高学生学习质量，改变以往按照实验报告进行成绩考核方式。在成绩评定过程中考虑了以下因素：（1）认真做好预习工作；（2）对仪器操作熟练程度较高；（3）有一定实践经验；（4）学习态度端正；（5）对实验现象进行分析总结。成绩评定方法采用百分制加差等分制。

4.改进教学评价体系

新工科背景下大学物理实验教学评价体系应包括三个方面：（1）学生学习态度；（2）对仪器操作熟练程度；（3）对实验现象进行分析总结。根据以上三方面情况，采取不同的评价标准进行成绩评定。例如：对于学生学习态度方面，教师可以将学生在预习和预习报告中填写的情况作为评定成绩的参考指标；对于学生对仪器操作熟练程度方面，教师可以将学生在实验操作中填写的情况作为评定成绩的参考指标；对于学生对实验现象进行分析总结方面，可以将教师在教学过程中发现并提出问题作为评定成绩的参考指标。

（四）考核方法改革

为了激发学生学习的主动性和积极性，培养学生自主学习和实践能力，我们在考核方式上进行了改革。传统的考核方式是期末闭卷考试，主要考查学生对实验原理和基本操作的掌握情况，存在考核内容单一、主观评分不客观等问题，很难全面地评价学生的学习效果。新工科背景下的大学物理实验考核应该从学生实验方案的设计能力、实验技能的掌握程度、实验操作的规范性和实验结果分析与总结等多个方面进行全面考查。在“大学物理实验”课程中，我们主要采取了以下考核方式：（1）考勤占10%；（2）学生实验报告占40%；（3）教师阅卷占20%；（4）平时成绩占10%。新工科背景下的大学物理实验考核方法充分体现了以学生为中心和全面发展的教育理念，更加关注学生综合素质和实践能力的培养。在平时成绩方面，要求学生按时完成预习报告，并在教师讲解完整个实验流程后，就某一项实验内容进行操作练习，达到熟练掌握该部分内容的目的。同时，每项实验都要提交一份完整的实验报告。教师在批改学生的作业时，不仅要批改实验方案设计是否合理、操作是否规范，还要针对每个学生的实际情况给予适当指导。此外，部分学生在仪器使用、数据处理、计算过程等方面存在困难或者问题时，教师要积极鼓励并耐心解答。通过这种方式可以有效地提高学生对所学知识的理解和掌握程度，调动其学习积极性和主动性。

在期末考试成绩方面，主要采取笔试与机试相结合的方式进行。其中笔试占40%，机试占60%。在考试内容方面，教师结合学生的具体情况制定出不同难度、不同层次、不同类型的考试题目，如简单题、中等题、复杂题等。例如“大学物理实验”课程中“示波器示波方式”这一考点要求学生对示波器进行测量及处理后，得出波形图和峰值信号等信息；又如“测力系统位移—时间关系曲线”这一考点要求学生对测力系统进行测力和测程等基本操作后测量出各测力值及相应位移；又如“测量物体密度”这一考点要求学生在此基础上对物体密度进行测量。此外还有些考点要求学生根据自己的理解进行作答。总体上看，笔试题目难度适中、综合性较强。

（五）构建新的实验教学体系

新工科建设对大学物理实验提出了新的要求，因此，新的物理实验教学体系应以“基础、综合、应用”为主线，构建三层次四模块的教学模式。

1.基础实验

该模块包含基本实验技能训练和基本物理概念的掌握两个方面。基础实验主要培养学生正确的思维方法和实验技能，提高学生自主学习、动手操作等能力。

2.综合实验

该模块主要培养学生的创新意识和实践能力，涉及大学物理实验中的多个相关内容。综合实验不仅要培养学生动手操作能力，还要培养其分析问题和解决问题的能力，同时也要注重培养学生综合应用知识的能力。在此阶段，可将大学物理实验课程与计算机、数学、物理等相关课程进行有机融合，培养学生自主学习、协作学习等能力。

3.应用实验

该模块主要是为后续应用物理专业课程作铺垫。应用物理专业课程既有基础理论知识又有实践技能，通过应用物理专业课程可以有效地将大学物理实验中所学到的基础理论知识应用于实际工作中。例如，在大学物理实验课程中，通过测量分析一系列典型的光学测量仪器（如激光测距仪），可以了解其基本原理、操作方法和使用注意事项等。

4.创新实验

该模块是为培养学生创新思维和创新能力而设置的。在大学物理实验课程中，可开设一些创新性实验项目，鼓励学生积极参与相关领域的研究活动，以激发学生的科研热情和科研兴趣。例如，在大学物理实验课程中开设“激光干涉测量与傅里叶变换”等创新性实验项目；在大学物理实验课程中开设“利用平面镜反射测量镜面反射系数”“利用凸透镜对物体进行聚焦”等创新性实验项目；在大学物理实验课程中开设“利用平板电脑测量物体的厚度”“利用电容传感器测量电路输入阻抗”等创新性实验项目。通过这些创新性项目的开展，学生能够更好地了解学科前沿知识和学科发展动态，激发学习热情。

（六）实验教学与社会实践相结合

社会实践是大学生接触社会、了解国情、增长才干、奉献青春的重要途径，也是大学生综合素质教育的重要内容。在大学物理实验课中加入社会实践活动，让学生在学习理论知识的同时，有机会接触和了解社会，增强学生的社会责任感，提高其实践能力。如通过“绿色照明”的社会实践，让学生了解照明光源在实际生活中的应用，以及人们在日常生活中是如何使用照明光源的；通过“科学研究”的社会实践，让学生了解科学研究过程中如何确定测量参数、如何记录测量数据以及如何计算测量结果；通过“职业生涯规划”的社会实践，让学生了解如何通过自己的努力进入职业生涯发展阶段，并为以后更好地适应工作岗位做好准备。

结语

新工科建设要求高校必须要转变教育思想和教育理念，把培养学生的创新精神和实践能力作为人才培养的目标。在具体实践中，教师通过重构课程内容体系、探索新型实验教学模式、改革考核方式等方面进行改革探索，取得了较好的效果。“三融合四结合”的教学模式和“两融合四结合”的考核方式可以更好地激发学生学习兴趣、提高学生实验技能和培养学生创新能力，对培养符合新工科建设要求、适应新时代发展需要的创新型人才具有一定参考价值。

参考文献：

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［4］翟淑琴，李秀平.新工科建设背景下大学物理实验教学探索［J］.教育理论与实践，2020，40（03）：5658.

基金资助：2021年河北省教育厅科技处自筹经费项目“ⅡⅥ族半导体量子点的第一性原理研究”（ZC2021006）

作者简介：赵玉娜（1981—），女，汉族，河北邯郸人，硕士，副教授，研究方向：大学物理。

*通讯作者：马俊刚（1982—），男，汉族，河北邯郸人，本科，高级实验师，研究方向：大学物理实验。