新工科物理實驗課程改革論文

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摘要:本文從培養“新工科”人才的教育目標出發，提出了新工科背景下多學科交叉創新性物理實驗改革方案，從擬解決的問題及目的、國內外各個高校關于此問題的改革措施、多學科交叉創新性物理實驗課程的改革方案的具體思路和舉措等方面做了詳細闡述．該改革方案將傳統的物理實驗與多學科科學前沿相結合，推動教師將科研成果及時轉化為教學內容，設計開發各學科交叉融合的新型物理實驗，將為“本研貫通人才培養”奠定基礎．

關鍵詞:新工科;多學科交叉;創新性

1多學科交叉創新性物理實驗課程改革方案擬解決的問題及目的

在新工科背景下，目前我國物理實驗課程所面臨的問題主要有以下幾個方面:1)物理實驗內容陳舊過時，知識點單一，往往只是教科書上已有基本物理知識的簡單重復，實驗內容不交叉、不綜合，當前的物理實驗內容很難體現最新的科學研究成果［3］．導致物理實驗教學內容跟不上時代的發展，在當前高速發展的科學前沿新知識和新技術面前顯得格格不入;2)在傳統物理實驗教學體系中，物理實驗往往被簡單分割為普通物理實驗與近代物理實驗兩門相互獨立的課程．而其中普通物理實驗又被分為力、熱、光、電、磁等相互獨立的內容，實驗內容在物理學科內部都很少實現交叉融合．學生更難將物理實驗內容與本專業科研應用交叉聯系，這與當前發展多學科交叉新工科的目標相違背;3)傳統物理實驗課程的教學模式一般都是教師講授實驗原理和演示實驗操作，學生按照老師的操作步驟要求按部就班的按照一樣的實驗方法重復同樣的實驗內容．過程中學生各自利用實驗室配備的相同的實驗儀器完成同樣的數據測量．這樣的教學模式枯燥無味且毫無創新性和趣味性，學生不感興趣，只是機械的完成課堂任務，過程中很少有機會激發學生的創新和創造意識，很難培養學生發現問題和解決問題的能力．正因為這樣，多年來我國培養的學生與西方先進國家學生相比，雖然考試中可以發揮的很出色，但是一到解決具體問題時，就顯得很不自信，面對問題不知所措，相比之下，動手能力和創新能力就顯得尤其匱乏;4)按照傳統教學模式授課，教師方面也大多只是每節課機械的完成相同的教學內容，就教師教學而言，也很難激發教師的教學主動性和開發新實驗內容的興趣．針對以上問題，本文提出多學科交叉創新性物理實驗課程建設，從面向新工科發展和培養多樣化、創新型人才的角度來考慮，期望通過改革實現以下目標:1)將傳統的物理實驗結合多學科科學前沿，推動教師將科研成果及時轉化為教學內容，設計開發各學科交叉融合的新型物理實驗，將本專業科學前沿與物理實驗內容相結合．使學生不僅僅能熟練掌握自己專業領域的知識技能，還能夠學會融會貫通，理解各個學科之間的交叉融合．達到“舉一反三”的教學效果，為“本研貫通人才培養”奠定基礎．2)培養學生具有工程設計思維，學會用批判性的思維角度看待科學問題，進一步提高學生的創新創業能力，具有獨立自主學習的能力，具有跨學科交叉融合的新工科人才特征，具有利用所學知識解決現有實際問題的能力，并且有能力通過學習新知識和新技術去預測和解決未來科學發展過程中可能會遇到的問題．3)將現代信息技術帶入教學，比如“雨課堂”等．結合翻轉課堂的教學方法，改變目前傳統單一的“教師講、學生聽”的授課模式．通過信息化的教學手段，使學生真正融入課堂教學，調動學生的學習積極性，也充分調動教師教學熱情和激情．

2國內外各個高校關于物理實驗課程的改革措施

由于國外先進的教學理念，它們更加突出物理實驗“設計性、研究性、探索性”的教育功能，國外著名大學各自形成了各具特色、比較完善和先進的物理實驗教學模式．德國大學所開設的物理實驗課偏重于設計性實驗．著名的德累斯頓大學(DresdenUniversity)和凱澤斯勞騰大學(KaiserslauternUniversity)對物理實驗相當重視，他們開設的“物理實驗”課程中包含很多研究性物理實驗，教材中不給出實驗步驟和過程，只提問題和要求，要求學生自行設計并完成實驗方案，過程中不僅要求學生設計具體實驗內容和實驗方案，實驗所需的儀器也需要學生開動腦筋去構思設計，實驗室不給學生提供現成的實驗儀器，需要學生自己根據設計思路，采購所需配件進行組裝，最后利用組裝好的儀器再進行測量［4-6］．這個過程雖然耗時，但是真正鍛煉了學生的動手能力和創新能力，通過該課程，使學生不僅學習了某個實驗的原理和現象，還掌握了儀器測量原理．例如，幾何光學關于薄透鏡的實驗項目，我們現在的傳統實驗是要求學生根據提供的光學元件，利用光學原理測量透鏡的焦距等，實驗枯燥又缺少實際意義，學生雖然學習了透鏡原理，但是連日常生活中的透鏡應用原理也說不清楚;德國大學將薄透鏡實驗按設計性實驗教學，實驗要求學生利用提供的若干塊薄透鏡先自己組裝透鏡組裝置，比如望遠鏡和顯微鏡等，然后再利用所組裝儀器進行觀察并測量分辨本領和放大倍率等，雖然實驗難度上比較大，但事實上這種設計性實驗對培養學生的動手能力和創新能力等方面卻有很好的效果．英國的曼徹斯特理工大學對實驗教學也非常重視，與我國高校要求大二開始做實驗不同，曼徹斯特大學要求物理專業學生從大學入學開始就著手設計性實驗的練習，學生以小組形式完成實驗，各成員之間分工合作，過程中首先需要搜集資料，然后根據整理的資料進行組內團討，整理出實驗方案，就實驗方案開展實驗，遇到問題大家一起討論尋找解決辦法，也可以根據討論結果征求教師的指導意見，取得一致意見后繼續開展實驗．在整個實驗過程中，小組內各個同學分別發揮出了各自特長，在搜集資料、實驗設計、實驗操作和論文書寫等方面分工協作完成．另外，實驗內容上，基本各個設計性實驗內容都與教師的科研工作相結合，使學生逐步了解和適應科研工作，鍛煉了學生的科學研究能力［7］．而我國大部分高校仍采取傳統驗證性物理實驗教學模式，學生在規定的時間統一完成規定的實驗內容，不利于學生創新思維的形成，嚴重制約了創新型人才的培養，與我們現在“本研貫通”的人才培養目標嚴重脫節，另外，繼續按照這種驗證性教學模式教學也不利于我國高新科學技術的發展．近年來，國內一些高校逐漸意識到該局面的嚴重性，逐步開始采取一些措施改變當前實驗教育現狀，相繼開設了一定量的研究性和設計性的實驗項目，為一部分能力較強的學生提供了進一步發展和提高的機會［8］．其中，復旦大學走在國內高校物理實驗教學改革的前列．他們所開設的設計性實驗，教材中沒有實驗步驟，只有實驗研究課題沒有實驗原理，只有一系列的問題．他們將設計性實驗以選修課的形式開設，但是授課模式近似于課題研究形式，要求學生按照實驗要求，最少一個學期完成一個研究性課題．過程中學生自己先根據課題名稱和教師列出的一系列問題查閱資料，以自學為主，自己設計實驗方案，組裝和調試實驗裝置，測量數據，完善測量裝置和方法，最后完成課題［9］．浙江大學也開設有“小課題物理實驗”，主要是設計性實驗．首先由學生根據各自興趣愛好特長等選擇所研究的課題，實驗室配備基本實驗儀器和所需基本資料等，學生按照課題要求在規定時間內完成實驗，但是由于課題的設計性和開放研究性，完成時間會較長，一般為一學期內完成，實驗授課模式不局限于課堂教學，學生隨時可與教師取得聯系，針對遇到的問題進行討論，最終完成實驗內容［10］．北京交通大學全面改革了物理實驗教學模式，核心就是變原來的解釋性實驗為設計性實驗，讓學生在親自參與和動手設計中訓練實際動手能力和數據分析能力［11］．綜上所述，國內部分高校已經開始著手創新型實驗的改革，但是就改革內容來說大多只是針對教學方法和手段進行改革，將傳統物理實驗原有內容改為設計性或研究性實驗，而并沒有針對適應新工科要求的多學科交叉特點對實驗內容做顛覆性改革．本論文提出的多學科交叉創新性物理實驗課程改革，以開發適應新工科人才培養要求的多學科交叉創新性物理實驗為目標，結合相應教學方式的改革，期望為培養多元化、創新型人才提供支撐．

3多學科交叉創新性物理實驗課程改革的主要思路和舉措

我們知道，物理學是一門非常重要的自然科學學科，它之所以重要離不開其本身所具有的社會性，物理學在我們的生活中可以說是無處不在，人們生活質量的提高離不開物理學的貢獻;另外，其重要性還體現在其所表現出的時代性上，物理學科的教學內容必須與現代科學技術的發展接軌，這樣才能保證物理學科是一門鮮活和生動的學科，才能吸引學生的學習熱情，才能激發學生的學習主動性和創造性．物理學是一門基于實驗的學科，離開了物理實驗物理學科的發展將舉步維艱．而物理實驗的教學在提高學生對物理學的興趣度和培養高科技人才方面具有重要作用，所以我們應該重視物理實驗教學．在物理實驗的教學過程中，我們不僅僅應該重視物理學原理知識的傳授與強化，更應該培養學生的自主學習能力、科學探究能力、創新創造能力和團隊協作等方面的能力．因此，我們首先要對傳統物理實驗內容進行篩選和改造，結合當前的科學前沿，設計多學科交叉融合的創新性物理實驗，編寫新的多學科交叉的綜合性創新性物理實驗教材，改變現有的物理實驗教學內容不交叉不綜合的現狀，不僅僅將基本的物理學科范圍內的力、熱、光、電、磁等內容結合起來，還要聯合其他學科內容如材料、化工、電氣自動化和機械等等工科專業，實現把物理實驗從輔助教學、驗證性實驗的教學模式中解脫出來，使學生通過綜合性物理實驗課程能將從物理實驗課中學到的嚴謹的科學思維和創新能力應用到本專業中，將物理知識與本專業科學前沿應用結合起來，真正體現物理實驗是各個學科實驗的基礎作用，使我們培養的學生具備多學科交叉融合的特征，為未來培養多元化、創新型卓越工程人才提供支撐．教學模式上，我們依靠現代化的教學手段來實現，結合微課和網絡平臺等數字化和信息化教學手段，調動教師教學熱情和學生學習積極性．另外，我們還要在實驗管理制度、考核和評價方面創新．具體措施如下:1)和相關院系和課題組積極對接，引入專業的實驗設備，為開發綜合多學科交叉融合的綜合性大學物理實驗創造實驗基礎;2)在現有的傳統大學物理實驗的基礎上進行篩選和改造，根據現今科學研究的現狀，尋找和其它醫、工科的交叉點和契合點，開發出能夠實現多學科交叉融合(物理、材料、電子、信息、機械和醫學等)的綜合性大學物理實驗內容，提升大學物理實驗的教學地位，也提高現今大學物理實驗的課程難度，改變目前大學物理實驗輔助教學的從屬地位;3)將設計的綜合性物理實驗內容進行整合，編寫新的綜合性物理實驗教材，這包含一系列簡單卻又涉及多學科知識交叉的新型綜合性物理實驗教材，這將改變當前大學物理實驗教材內容“千篇一律”的現狀，教材內容上不僅體現了物理原理和思想，更重要的是讓更多工科學生了解物理學在本專業領域中的體現，培養學生學會學以致用;4)實驗的操作模式上，采取各學科專業學生合作，學生組成團隊，利用各自專業知識分配實驗任務，首先搜集資料討論實驗方案，分析可執行度，確定方案以后自行準備實驗所需配件材料等，組內同學分工合作，相互指導，共同完成實驗，實驗過程中他們一定會用到各自的專業知識，這時候發揮他們各自的專業特長，增強其自信感，通過一輪輪討論分析，他們會產生自己的創新點，培養了學生創新創造的能力，符合“新工科”人才的培養目標．5)教學方法上，要打破傳統的“教師講，學生聽”的授課模式．我們所設計的多學科交叉的創新型大學物理實驗，采用現代先進的信息化教學方式，結合微課和翻轉課堂的教學形式，基于我們的線上學習終端，學生可以在線上獲取到實驗相關的大量學習資料，內容包括實驗設計相關素材資料、微課視頻等，基于這些材料，學生利用手機即可登陸學習，隨時隨地非常方便，基于預習內容和結合線下搜集的資料，學生基本可以擬定初步實驗方案，對于同一實驗項目，鼓勵學生選擇不同的實驗方案，并自行準備和制備所需實驗裝置．這個過程中學生可能會遇到各種各樣的問題，課堂上教師將集中解決過程中遇到的問題，不必再重復基礎知識的講解，這樣可以將大大提高教師的教學效率和學生的學習效率，實現課堂教學目標性更強．除此以外，通過網絡平臺，教師和學生的溝通將延伸到課堂外，學生可將實驗方案、過程或結果上傳至網絡平臺，接受所有學生和教師的在線點評，促進實驗方案更加完善，充分調動了學生的學習積極性和教師的教學熱情．具體過程如圖1所示．6)針對我們多學科交叉創新型實驗課程，其考核機制也將改變傳統的重視實驗結果轉向重視實驗過程，改變傳統的以教師教為核心轉向以學生學為核心，逐漸引導學生更加重視實驗過程，并在過程中實現知識內化、創新思維和能力的培養，教師將根據圖1多學科交叉綜合物理實驗教學模式實驗過程中學生表現出的學習能力、思考能力、研究能力和創新能力，綜合考慮后給以評價．下面，我們以我們所設計的一項實現了多學科交叉的綜合物理實驗項目《利用光學法測量微位移實驗》為例詳細介紹分析該課程綜合性．該實驗包含自制實驗用磁致伸縮樣品、自制產生磁場的線圈、自制直流穩壓電源等內容，涉及到了物理、材料和電氣自動化專業多學科交叉知識，涵蓋了單晶材料的制備及加工、光學基本原理、磁致伸縮原理、電磁場產生、軟磁材料特性和電流電控等基本原理，實驗內容既實現了將多學科交叉融合，又可結合了當前學科的科學前沿熱點(磁致伸縮材料)，學生以小組形式開展實驗，實驗要求包括自制實驗所需裝置和材料，學生結合自身專業特長分工合作完成實驗．協作完成實驗過程中，不僅僅將本專業領域所學專業理論知識運用到了實際中，而且通過和其他理工科專業學生共同討論，也學習到了本專業與其它專業的契合點，實驗過程中開發了學生的創新思維，培養了創新能力，符合新工科人才的培養目標．另外，該實驗內容還可以進一步拓展，例如微位移傳感器、汽車減震和微位移精準控制等，通過類似這樣的一系列簡單又綜合多學科知識的綜合物理實驗，將對打破現有傳統大學物理實驗不交叉、不融合的現狀具有重要作用，鍛煉了學生的理論聯系實際和創新創造能力，將對“新工科”人才的培養發揮重要作用．

4多學科交叉創新性物理實驗改革的創新性

基于新工科背景下，我們提出的多學科交叉創新性物理實驗課程改革，這是一個重點針對適應新工科發展需要的實驗內容方面的改革，具體創新性科體現在如下幾個方面:1)實驗內容具有時代性和綜合性:打破了傳統孤立的力、熱、光、電、磁物理實驗體系，結合當前科學前沿，設計綜合物理(包含力、熱、光、電、磁等)、材料、電子、信息、機械等多學科創新性物理實驗，將改變傳統物理實驗內容不交叉、不綜合的現狀，是一項適應新工科建設需要的革命性改革;2)教學主體具有最大程度的開放性:鼓勵不同專業學生相互合作，發揮各自專業專長，自行設計組裝實驗裝置，協作完成實驗，實驗過程要參與到教師的科研中，使學生逐步適應獨立的科研工作;3)教學方法和手段的多樣性:結合微課和翻轉課堂等形式，線上、線下相結合，通過網絡實現“師—生”、“生—生”交互，使預習、復習、提問、討論的時空得以延伸，提高教學效率;4)教學考核的靈活性:針對不同實驗內容設置不同考核方法，打破以往只憑報告給分的評價方法．

5結束語

在大力發展“新工科”和建設“雙一流”大學的新形勢下，面臨競爭日益激烈的國際產業競爭力，高校加強培養多元化的創新型“新工科”人才刻不容緩，我們急需發展“新工科”和培養新工科人才，來支持國家新經濟發展的需要．大學物理實驗體現了所有工科實驗的科學共性，在培養大學生嚴謹的科學素養和創新思維能力方面具有重要作用，培養適應時展要求的“新工科”人才離不開大學物理實驗這一基礎課程。然而，僅依靠當前傳統驗證性的教學內容和模式很難實現課程的真正價值，也很難培養出符合時代要求的多元化新工科人才．因此，本文提出了新工科背景下多學科交叉的創新性物理實驗改革，其重點是首先改革傳統驗證性的實驗教學內容，對傳統教學內容進行篩選和改造，結合當前科學前沿，綜合考慮物理學實驗與其它工科專業知識的交叉點，設計開發多元化的新型綜合物理實驗;其次，教學模式上也要打破傳統的以教師為主的授課模式，讓學生自己動手解決實驗過程中從設計到測量等各種問題，結合現代信息化的教學手段提高教學效率，過程中不僅可培養學生的寬基礎，更鍛煉了學生的理論聯系實際、跨學科交叉融合和敏銳的科學思維能力，將為培養多元化、創新型的“新工科”人才提供支撐．

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作者:王立英 秦珠 廖怡 戴海濤 米文博 單位:天津大學