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大学物理实验课程改革研究

摘要:根据“新工科”建设的需要,对现有大学物理实验课程的内容及教学方法进行分析,对存在的问题进行了讨论,提出了基于“新工科”背景下的大学物理实验教学和实验评价体系的新模式。

关键词:新工科;大学物理实验;课程;教学方法;改革

为适应新一轮科技革命和产业变革的新趋势,服务国家战略和区域发展的需要,新工科理念就是在这个大背景下提出的。新工科首先是指新兴工科专业,如人工智能、大数据、云计算和机器人等,同时也是对传统工科专业的升级改造。新工科提倡注重实践,倡导交叉学科,把创新创业能力的培养贯穿到人才教育全过程。强调协同育人,持续改进创新人才的培养目标、培养方案、课程体系和教学要求。目前,新工科发展理念已经深入到国内各大专院校[13]。大学物理实验作为高等学校理工科院校必修的一门通识教育课程,是培养学生实践能力和创新能力的重要课程,在高等学校理工科专业教育中占有极其重要的地位。大学物理实验是以实践为基础,培养具有科学思维、科学素养和创新意识的人才为目标。以新技术、新产业、新业态和新模式为特征的新工科建设对人才培养的标准提出了更高的要求,要达到更高的标准,也更具体化了。因此,对于大学物理实验课程的教学就提出了新要求,也是大学物理实验课程教学改革的契机,是当今教学研究的一个热点问题[46]。但是,目前大学物理实验教学中还存在诸多问题,还不能完全适应新工科建设对人才培养的要求,本文以我校大学物理实验教学为例,分析教学中存在的问题及产生的原因,并提出了大学物理实验课程教学改革的方向和具体实施方案。

1大学物理实验课程现状分析

大学物理实验课程是一门实践性很强的基础课,主要是以锻炼学生的实验动手能力为目的,为后续专业实验和科学研究奠定基础,因此,大学物理实验课程在高等教育中占有极其重要地位,是其他课程无法取代的。但目前教学过程中还存在很多问题,难以体现学生在实验中的主体地位,也很难达到满意的学习效果,主要表现在以下几个方面:

1.1教学内容挑战度不足

目前,大学物理实验教学内容主要是以一些基础性实验为主,大都是一些经典的物理理论,然后通过简单的实验仪器多以验证性的操作完成规定的实验内容,教学内容相对单一且简单,挑战度不够。致使学生对大学物理实验的兴趣难以提升,也不利于新工科对于创新性人才培养,与新工科教育目标不符。

1.2教学方式相对单一

当前一些实验课主要还是以教师讲授为主,通常是由教师讲解实验题目对应的物理原理,实验对应的操作步骤,而往往这些步骤都是固定的顺序,有的老师还会在实验仪器上进行演示操作。但是,对于没有做好预习的同学一般不能很好地理解实验原理,做实验时也只是机械地重复老师的演示操作过程,并没有真正学到本实验的相关知识。另外还有一些学生直接抄袭他人的数据,实验效果难以保证。

1.3实验成绩评定片面化

部分高校的大学物理实验课评价体系较为片面,往往只是通过实验报告核定实验成绩,而对于学生实验预习,整个实验过程中的参与度和实验效果很少评价。虽然有些高校还加入了考试环节,但无论是理论形式的考试还是动手实验操作考试,考试内容相对固定,通过考试取得高分相对简单,学生掌握知识的程度不高,流于形式。因此,很难提起学生学学物理实验的兴趣,影响了人才培养质量。

2大学物理实验教学改革

针对大学物理实验教学中存在的上述问题,通过整合资源,建立大学物理实验教学模块化的方式进行由基础到高阶,由线上、线下融合,再到与生产科研相结合的递进式新的教学体系。

2.1建立大学物理实验教学模块

整合原有大学物理实验题目,改变以往单纯以力、热、电磁和光学不同类型分类的模式,按照不同类型、难易程度和学生知识能力相结合的方式提出大学物理实验模块化教学新思路,具体实验模块如下:(1)基础实验模块:包括实验题目有示波器的调整与使用、分光计的调整与使用、杨氏模量的测量、交流电桥实验、线圈互感系数测量、金属线热膨胀系数的测量、光栅常数的测量和透镜成像规律及焦距的测量。(2)综合设计性实验模块:气垫导轨上的实验、核磁共振实验、非线性电路的混沌实验、RLC电路实验、超声定位及成像综合实验、音叉受迫振动实验、电表的改装与校准温度传感器特性实验、光学平台上的实验、磁光调制实验、反射式单色仪的定标和光强分布实验。(3)演示实验模块:包括偏振光实验、光速测量、白光反射全息、智能白度测定、比色仪、梦幻时钟、真实的镜子和错觉画,目前对前面提到的四个新工科专业的学生全面开放,作为选做实验,学生可以根据自己的时间和专业特点预约实验。(4)虚拟实验模块:包括设计万用表实验、检流计的特性研究、示波器实验、交流谐振电路及介电常数测量、光强调制法测光速、椭偏仪测折射率和薄膜厚度、整流滤波电路实验设计、太阳能电池的特性测量、干涉法测微小量和霍尔效应实验,现虚拟实验可以实现校内网开放登录,学生可以随时注册登录虚拟实验平台自由探索,不受时间和空间的限制。(5)物理竞赛实验模块:以大学生物理实验竞赛为依托,为了给学生创造一个更为方便的实验环境,特设立单独一个实验室作为物理实验竞赛和创新实验室。该实验室给学生提供了一个可以自主学习、自主利用的创新实践平台,学生课余时间可随时到这里做各种实验,为竞赛做准备。教师会随时对实验室内的学生进行指导,有时也参与到学生的实验操作和讨论中。

2.2针对不同模块采用不同的教学方式

基础性模块实验以验证性为主,可以采用如学生预习、老师讲解学生按步骤独立完成、教师个别指导的方法;综合设计模块主要由学生根据给定的物理原理和实验仪器要求进行整个实验方案的设计,一般采用2-3人为一个小组的团队合作形式完成实验,教师在这个过程中可以只负责答疑,也可以参与到讨论中,主要突出学生的主体地位;演示实验模块可以老师讲解原理或学生讲解原理,然后动手操作来观察实验现象的方式进行;虚拟实验主要是以线上方式进行实验,不受时间和空间的限制,学生可以随时登陆进行实验的预习、操作等,达到融会贯通的目的;实验竞赛模块主要是以大学生物理实验竞赛为依托,对于有意愿和能力的学生进行指导,单独提供实验场地、实验设备和一定的经费,对参加校级、省级和国家级的大学生物理实验竞赛参赛学生提供相对开放的探索空间,另外,一些对大学生物理实验感兴趣的学生也可以申请进入到实验竞赛模块,以提高对大学物理实验的兴趣,培养自己的实践动手能力。

2.3不同实验模块的教学评价体系

改变以往学生成绩的评定中只根据实验操作和实验报告单一评价方式,如基础实验換块加大学生预习和课堂实验过程的成绩比重,加强对实验预习和实验过程的管理,提高学生对大学物理实验课的重视,也强化了实验能力;对综合设计实验模块可以采取现场展示或者PPT答辩的形式进行。以小组为单位展示本团队实验完整过程,老师和其他小组可以提问,以此加深和完善对实验的认识和理解程度,达到提高学习效果的目的;演示实验模块和虚拟实验模块可以根据课堂综合表现进行成绩评定。

3结语

本文对现有大学物理实验教学的现状和存在的问题进行分析和讨论,提出了基于“新工科”背景下的大学物理实验教学新体系,建立大学物理实验模块化教学由基础到高阶,由线上、线下融合,再到与生产科研相结合的递进式教学模式。通过强化实验过程中的各环节教学过程,提高学生参与度、实验动手能力、创新能力和综合素质,为新工科创新人才培养提供强大的支持。

参考文献:

[1]林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究,2017(2):26-35.

[2]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].髙等工程教育研究,2017(3):1-6.

[3]张映辉.适应新工科的大学物理、物理实验课程改革方向与路径初探[J].物理与工程,2018,28(5):103-105.

[4]李旭光,孙锡良,唐英,等.大学物理课程改革如何适应“新工科”建设[J].创新与创业教育,2018,9(3):129-132.

[5]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].2020(4):43-44.

[6]刘文彦,王显德.针对大学生创新能力培养的物理实验教学模式改革的探讨[J].大学物理实验,2019(2):118-120,

作者:徐瑛 王思涵 李海军 陈长波 刘俊杰 单位:长春理工大学

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