新工科背景下大学物理实验教学改革实践

摘" 要：随着新工科教育理念的提出和实施，大学物理实验教学面临着全新的挑战和机遇。在新工科背景下，大学物理实验教学不仅要传授学生基础的物理知识和实验技能，还要注重培养学生的创新能力和综合素质。文章旨在探讨如何在新工科背景下改革大学物理实验教学，包括更新课程内容、创新教学方法以及完善评价体系。通过分析现有的教学模式并研究国内外相关改革实践，提出了一系列改革措施，旨在提高物理实验教学的质量和效果，并培养学生的创新思维和实践能力。

关键词：新工科；大学物理实验；教学改革；创新能力；实践教学

中图分类号：G420" " 文献标识码：A" " 文章编号：1673-7164（2025）02-0106-04

随着科技进步和产业转型，新工科教育成为高等教育改革的重要方面。作为工科教育基础课程之一，大学物理实验在培养学生实践能力和创新思维方面扮演着关键角色。在新工科背景下，对物理实验教学进行改革不仅需要紧跟时代潮流，更要结合工科学生的专业特点和未来职业需求。文章从新工科教育理念出发，探讨如何通过改变实验教学内容、方法和评价体系来促进大学物理实验教学的全面发展。

一、新工科背景下大学物理实验教学改革的重要性

在新工科教育背景下，全球的工程教育领域正在经历深刻的变革。这一趋势是为了应对快速技术创新和工业变革的需求，尤其是在信息技术、智能制造和可持续发展领域。新工科教育强调跨学科知识融合、创新能力培养和实践技能提升，以应对数字化、网络化和智能化时代的挑战。其目标是培养具备创新思维、实践能力和国际视野的工程技术人才，以满足未来社会和产业发展所需的复杂要求。

大学物理实验教学在工科教育中具有核心地位，其是培养学生科学思维和实验技能的重要途径。通过实验教学，不仅可以加深学生对物理理论的理解，还可以提升学生解决实际问题的能力。此外，物理实验还鼓励学生进行创新探索，旨在培养他们的科研兴趣与方法论能力。在新工科背景下，物理实验教学显得尤为重要，因为其有助于构建跨学科思维，促进技术创新，并为未来的工程实践和科学研究打下坚实基础。［1］

二、新工科背景下物理实验教学的挑战

（一）当前物理实验教学现状

当前的大学物理实验教学普遍面临一些问题，包括内容陈旧、缺乏创新和实用性不足。许多课程仍然采用传统的实验教学模式，重复进行基础物理实验，忽略了与现代工程技术的结合。这种教学方式无法激发学生的创新思维和实践兴趣，也难以有效培养学生解决复杂工程问题的能力。

实验设备和工具通常比较老旧，缺乏现代科技元素，这不利于学生对新技术的了解和应用。这导致物理实验教学与工业界最新发展之间存在一定脱节，难以满足在新工科背景下对工程技术人才综合素质和创新能力的要求。

（二）新工科背景下的新要求和挑战

新工科强调将不同学科的知识融合并应用于实际，这意味着物理实验不仅要教授基础物理知识，还要与工程实践和新技术发展密切结合，以增强实验的应用性和创新性。新工科鼓励培养学生创新和实践，这对物理实验的教学方法和内容提出了更高要求，需要更多地采用项目导向和问题导向的教学模式。

新工科教育还强调学生的自主学习能力和团队合作精神。这给教师在指导方法和实验课程设计方面带来挑战。关键在于如何有效激发学生主动探索精神和培养团队协作精神。随着科技快速发展，更新实验设备、材料，并将最新科技融入实验教学中也是适应新工科背景下物理实验教学所面临的重要挑战。

三、改革实践的方向和措施

（一）课程内容的更新与整合

更新物理实验课程，将纳米技术、量子计算、可再生能源等新兴科技领域融入实验教学，以使课程内容与当前科技进步相结合。通过结合工程案例设计实验内容，将物理实验与机械工程、电子工程等学科的实际应用相融合，提高学生对将物理知识应用于解决实际问题的能力理解。物理实验课程还应与数学、计算机科学、材料科学等其他学科相结合，注重跨学科的学习和研究，培养学生综合素质和视野。［2］

为确保教学内容与科技发展和行业需求同步，应定期评估和修订实验内容。同时鼓励教师将自己的研究工作和最新科研成果引入教学中，让学生接触物理学前沿领域。课程还设计了以项目为导向的实验任务，鼓励学生围绕一个核心主题进行深入研究，并增强他们的问题解决能力和创新能力。在课程中增加了实验设计的比重，鼓励学生自主设计实验，以提高他们的创新能力和实践技能水平。

（二）教学方法的创新

在物理实验教学中，可以采用翻转课堂的方式，鼓励学生在课前通过在线资源自主学习理论知识。而在课堂上，则主要进行实验操作和讨论，以提高学生的主动学习能力和实践技能。通过项目导向的学习方式，学生可以参与具体的物理实验项目，并进行小组合作。从问题提出到解决方案的全过程都需要他们积极参与，这样可以增强他们的实践和问题解决能力。［3］此外，还可以利用计算机模拟技术和虚拟现实（VR）技术，为学生提供模拟物理实验的机会，在安全环境下进行复杂和危险的实验操作练习。

还可以引入互动式教学工具和方法，例如通过实时反馈系统、互动问答等方式来提高课堂互动性和学生参与度。通过分析具体的物理实验案例，将抽象的物理原理与现实生活中的应用相结合，以增强学生对知识内容的理解和兴趣。除了传统形式上的考试和撰写报告之外，在评价方面还应该加入对于学生在设计、创新能力、团队合作和问题解决能力等方面的综合评价。

（三）实验技术和设备的现代化

为了提高学生的实验能力，应引入先进的物理实验设备，如高性能传感器、智能数据采集系统和精密测量仪器。应确保这些设备符合行业标准，并确保学生能有机会接触和使用。在实验中融入人工智能、物联网和大数据分析等新兴技术，让学生亲身体验并掌握这些前沿科技。开发在线实验平台和远程控制实验室，使学生可以通过网络进行实验操作，提高灵活性和可达性。

为帮助学生更好地理解实验结果，采用现代化的数据分析和可视化工具，并提供即时反馈和深入分析。建立智能化的实验管理系统，包括实验预约、资源管理以及安全监控等功能，以提高效率和安全性。在物理实验内容上，开发模拟实验和虚拟现实（VR）实验，在无法在真实环境中进行的情况下提供相应条件，拓展学生的实际体验。

（四）学生创新能力的培养

提倡一种以创新为导向的物理实验教学方法，鼓励学生在问题提出、实验设计和解决方案实施的过程中全程参与，以激发他们的创新思维。院校组织跨学科的团队项目，促使物理学、工程学、计算机科学等领域的学生合作解决复杂而现实的问题，从而提高团队协作和跨学科思维能力。院校为他们提供开放式实验环境，让其自由探索和实践自己的创意，并培养他们独立学习和独立研究的能力。［4］

定期举办或参加各种创新竞赛和科技挑战赛，例如物理实验创新大赛，激励学生运用所学知识解决真正存在的问题。院校鼓励并引导学生参与教师的科研项目，通过亲身参与研究来培养他们对科研工作的兴趣和创新能力。通过讲座、研讨会等形式引入创新思维训练，如批判性思考、问题解决等方法来提升学生的创新思维能力。

在评估体系中加入创新性和实用性指标，鼓励学生在实验设计和实施过程中追求创新和实际应用价值。由院校创建学生间合作和交流的平台，例如学生创新俱乐部、研讨小组，为他们提供交流想法和资源共享的机会。

（五）教学评价体系的完善

构建一个多维评价指标体系，用于全面评估学生的学习成果，包括知识掌握、实验技能、创新能力、团队合作和问题解决等方面。强调对实验过程的评价，不仅关注最终的实验结果，还包括实验准备、操作过程、数据分析和结果讨论等方面。引入同行评审机制，让学生相互评价实验报告和项目，并增强评价的客观性和互动性，培养学生的批判性思维能力。

为了帮助学生发现自身不足并及时改进，也为教师提供教学调整的依据，院校提供定期而具体的反馈。鼓励学生进行自我评价和反思，培养学生的自我监控和持续学习能力。结合形成性评价（如实验操作、课堂讨论）和总结性评价（如期末考试、项目报告），更全面地评估学生的学习成果。

在评价体系中平衡实践技能与理论知识，确保学生在实际操作能力和理论理解上都有所提升。利用电子评价系统收集和分析学生的学习数据，提高评价的效率和准确性。对教师进行评价方法的培训和指导，确保他们能够有效地运用新的评价体系。

四、案例分析

（一）国内外成功改革案例

麻省理工学院（MIT）通过其开放式课程平台，提供了大量的在线物理实验资源。特别是他们的“TEAL”（Technology Enabled Active Learning）项目，在电磁学课程中成功地采用了翻转课堂和小组合作学习，显著提高了学生的参与度和学习成果。

在物理实验教学方面，斯坦福大学推广了基于问题的学习方法（PBL），鼓励学生通过团队合作来解决实际问题。斯坦福还引入了多媒体和虚拟实验技术，增强了教学的互动性和趣味性。清华大学在物理实验教学中采用了“研究式学习”模式，鼓励学生参与科研项目并进行原创性研究。通过这种方式，学生能够在真实的科研环境中进行学习，提升他们的实验技能和创新能力。上海交通大学建立了现代化的物理实验中心，并配备先进的实验设备。他们还开发了多个跨领域的实验项目，涵盖基础物理知识，并结合工程、生物等领域的实际应用。

以上案例展示的是不同高校在物理实验教学改革方面的成功经验，包括教学方法的创新、实验设施的现代化以及培养学生创新能力等。这些经验对于国内外物理实验教学改革提供了有益的参考。

（二）改革实践的效果与反馈

实施的改革措施使学生在实验操作技能和实际问题解决能力方面取得显著进步。通过亲身实践，学生更深入地理解了物理理论，并能将所学知识应用于解决真实的工程问题。新的教学方法和课程设置激发了学生的创新意识，很多学生在实验中展现出了强烈的创新思维和独立研究能力，他们提出了具有创造性的实验方案和问题解决方法。

采用翻转课堂、项目导向学习等方式提高了学生的参与度，他们表现出更大的兴趣和积极性来进行学习。反馈结果显示，学生对物理实验课程满意度显著提升。教师通过采用新的教学方法和现代化教育工具来提高教育效率和质量。多数教师反映，这种新型教育方式更有效、更灵活，有助于更好地传递知识并激发学生兴趣。总体而言，这些改革措施提高了物理实验课程的教育质量和效果。不仅学生的综合素质得到提升，尤其在团队合作、问题解决能力和创新思维方面有所增强。改革实践也获得了学术界和相关行业的认可。一些学生在科学研究和工程项目中表现出色，进一步增强了课程与行业需求的相关性。［5］

五、面临的问题与挑战

（一）资源配置不足

物理实验教学改革通常需要大量的资金支持，用于购买先进设备、更新实验材料和改善实验环境。在许多情况下，学校面临资金不足的问题限制了改革的推进。许多高校的物理实验室设施过时，需要大规模更新和维护。这不仅需要投入经费，还需要时间和专业知识来确保设施现代化和安全性。实验教学改革需要教师具备高水平的专业知识和创新教学能力。然而，合格的物理实验教师尤其是具有现代化教学理念的教师培养难度较高。

一些先进的实验材料和设备难以获得，尤其是在非主要城市的学校。维护和更新这些材料和设备也是一个持续挑战。进行实验教学需要足够的操作空间和设备存储空间。随着学生人数不断增加，实验室空间可能成为制约因素。高质量的实验教学不仅需要先进设备，还需良好的技术支持与服务。

（二）师资培训不足

随着教育模式转变，教师需要更新教学理念，以适应更加以学生为中心的教学方法。这意味着他们不仅要传授知识，还要引导学生进行探索和创新。在新工科背景下，物理实验教学对于教师来说需要熟悉最新的实验技术和设备。对于许多教师来说，掌握这些新技术是一项挑战。他们需要设计创新且有教育意义的实验，这不仅要求深厚的专业知识，还需要丰富的实验操作经验和创新能力。

物理实验教学改革鼓励跨学科整合。因此，教师需要具备跨学科教学能力，超出了一些传统专业领域之外。为了保持与最新的教学方法和科技发展同步，他们需要定期参加专业发展培训。然而，在接受培训时可能会投入额外的时间和资源。在评估学生的学习成果并提供建设性反馈方面也需要具备相应的能力。这意味着他们必须具备评估技能和良好的沟通能力，才能推进教学改革。

（三）学生适应性问题

随着教学方法的创新，学生需要适应更加主动和自主的学习方式。对于那些习惯了传统教学模式的学生来说，这可能是一项挑战。在新工科背景下，跨学科整合非常重要，因此学生需要掌握不同学科的知识，这可能会增加他们的学习难度，尤其是对于基础知识掌握不够牢固的学生而言。面对先进的实验设备和复杂的实验技术，一些学生可能会感到不适应或有压力，特别是对技术不太熟悉的同学。［6］

新工科教育注重培养创新能力，但并非所有学生都习惯或擅长创新思维和实践。这需要学生在学习过程中逐渐培养和提升。虽然团队合作对于学业和未来职业都非常重要，但并非所有学生都适应或能够有效地进行团队合作。新的学习方式要求学生具有更强的自我管理能力，包括时间管理、自我激励和自主学习能力。为了解决这些适应性问题，学校可以提供适应性培训和辅导，帮助学生适应新的学习环境和要求。此外，在教学过程中，教师需要关注学生的适应情况，并在需要时提供必要的指导和支持。

六、结语

在新工科背景下，大学物理实验教学改革是一个涉及多个方面的系统工程，需要综合考虑课程内容、教学方法、技术支持和评价体系等。通过文章的讨论和分析可以看出，改革实践不仅可以提高物理实验教学的质量，还有助于有效培养学生的创新能力和实践技能。未来随着教育资源的增加和教学技术的进步，大学物理实验教学将变得更加多样化和个性化，以更好地满足新工科教育的需求。

参考文献：

［1］ 彭东青. 新工科背景下大学物理实验教学改革实践［J］. 湖北开放职业学院学报，2023，36（24）：176-178.

［2］ 刘文彦，齐丽晶，杨雪. “新工科”背景下大学物理课程智慧教学改革的探究与实践［J］. 大学物理实验，2023，36（06）：126-130.

［3］ 郭伟杰. “新工科”背景下的大学物理实验教学改革探索［J］. 教育现代化，2019，6（80）：67-68.

［4］ 王莉，李会鹏，王卫强，等. 新工科背景下高校公共基础课教学改革与实践：以大学物理课程为例［J］. 大学教育，2023（13）：29-32.

［5］ 秦玉娇，李勤玉. 新工科背景下大学物理实验课程教学改革与探索［J］. 中国现代教育装备，2022（19）：92-94.

［6］ 付林杰，王献立，许坤，等. 关于新工科背景下大学物理实验课程教学改革的思索［J］. 科技风，2020（12）：43-44.

（荐稿人：黄振晗，莆田开放大学高级实验师）

（责任编辑：敖利）

作者简介：陈立军（1978—），男，本科，莆田开放大学实验师，研究方向为物理学。