●劉文利 劉東紅 李蕾

大學(xué)物理實驗教學(xué)改革探索*

●劉文利 劉東紅 李蕾

大學(xué)物理實驗改革是當(dāng)今培養(yǎng)大學(xué)生科學(xué)探究能力、實事求是的科學(xué)態(tài)度和敢于創(chuàng)新的探索精神的必然需求。本文就大學(xué)物理實驗教學(xué)中存在的問題進行了分析，結(jié)合教學(xué)實踐，介紹了在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及考評方法等方面進行的改革性嘗試。在大學(xué)物理實驗教學(xué)中，努力為學(xué)生構(gòu)建一個研究性學(xué)習(xí)的平臺。

大學(xué)物理實驗；教學(xué)改革；創(chuàng)新能力培養(yǎng)；研究性學(xué)習(xí)

一、大學(xué)物理實驗教學(xué)存在的問題

物理學(xué)本質(zhì)上是一門實驗科學(xué)。物理實驗是科學(xué)實驗的先驅(qū)，體現(xiàn)了大多數(shù)科學(xué)實驗的共性。大學(xué)物理實驗作為一門基礎(chǔ)性實驗課程，由于具有豐富的實驗思想、方法、手段，在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實驗?zāi)芰?，分析解決問題的能力以及創(chuàng)新意識和探索精神方面具有其他實踐性課程無法替代的作用。該課程不僅應(yīng)使學(xué)生得到基本科學(xué)實驗技能的訓(xùn)練，更主要的是要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識，提高學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力、分析問題能力和創(chuàng)新能力，與科學(xué)技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力。[1]面對科學(xué)技術(shù)發(fā)展的趨勢和社會對創(chuàng)新型人才的需求，大學(xué)物理實驗教學(xué)要不斷改革創(chuàng)新。近幾年各高校對大學(xué)物理實驗進行了不同層次的多方面的改革，取得了可喜的成績和大量的寶貴經(jīng)驗，但由于教學(xué)觀念和客觀條件等各種原因，現(xiàn)行的大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方式上尚存在一定的問題，制約了大學(xué)物理實驗教學(xué)在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才方面應(yīng)有作用的發(fā)揮，不同程度的存在以下幾方面問題。

（一）教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容設(shè)置有待調(diào)整

基礎(chǔ)性實驗和驗證性實驗偏多，而與專業(yè)特點相關(guān)的應(yīng)用性實驗以及具有激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性思維的綜合性實驗和研究性實驗不足。教學(xué)內(nèi)容和實驗設(shè)備較為陳舊，與現(xiàn)代實驗技術(shù)和方法接軌不夠，難于激發(fā)學(xué)生的興趣和熱情。

（二）教學(xué)模式和教學(xué)方法有待改進

整個教學(xué)過程基本以教師為主，學(xué)生只是被動地按照實驗指導(dǎo)的步驟進行操作，按部就班的完成相關(guān)內(nèi)容，始終處于從屬的位置，缺乏獨立思考的空間，與教師之間缺乏交流與互動。在很大程度上影響了學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、獨立性和創(chuàng)造性的發(fā)揮，影響了他們科學(xué)思維方式的建立和形成，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

（三）實驗成績考核有待完善

由于每個實驗人數(shù)較多（18-20人），兩人為一組進行實驗，教師無法詳細了解每位學(xué)生的實驗操作情況，基本是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和實驗報告進行成績評定，造成了“重結(jié)果、輕過程”的現(xiàn)象，不能夠全面客觀地反映學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰Α?/p>

二、大學(xué)物理實驗教學(xué)的改革嘗試

（一）調(diào)整教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容

圍繞著培養(yǎng)學(xué)生基本科學(xué)實驗技能和提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)目標，為了開出較高質(zhì)量的大學(xué)物理實驗課，我們對課程內(nèi)容進行了重新設(shè)置。一方面，根據(jù)實驗室的現(xiàn)有條件，減少了基礎(chǔ)性實驗，增加了綜合性和研究性實驗，盡量使基礎(chǔ)性、綜合性、研究性三個層次的實驗內(nèi)容和比例趨于合理。[2，3]另一方面，在科學(xué)和技術(shù)迅速發(fā)展的今天，高等教育必須適應(yīng)社會的發(fā)展。我們在基礎(chǔ)性實驗中也加入了一定的現(xiàn)代測量技術(shù)元素，例如激光、光纖、傳感器等，增加了基礎(chǔ)性實驗的技術(shù)含量，在研究性實驗中引入了現(xiàn)代光學(xué)測量技術(shù)、自動檢測技術(shù)以及仿真實驗技術(shù)的應(yīng)用，使近代的科學(xué)技術(shù)在實驗中有所體現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理是實驗中的重要環(huán)節(jié)，我們在各個實驗中有側(cè)重地運用了不同的數(shù)據(jù)處理方法，使學(xué)生在實驗過程中，結(jié)合具體實驗不斷加深理解和掌握誤差理論和各種數(shù)據(jù)處理方法。

（二）教材建設(shè)的改進

根據(jù)實驗室現(xiàn)有實驗儀器設(shè)備的具體情況和教學(xué)大綱，由擔(dān)任實驗課的教師集體編寫并出版了大學(xué)物理實驗教材，新教材的改革思路是在保持現(xiàn)行教材原理敘述嚴謹、步驟清楚的基礎(chǔ)上，在教材的趣味性和實用性方面有所突破。具體做法是，一是對實驗發(fā)展歷程進行趣味性較強的簡介，以提高學(xué)生閱讀教材的興趣。二是增加實驗方法、儀器在實際工程中的應(yīng)用介紹，努力使學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的實驗方法和實驗技能的同時，得到更多的聯(lián)系實際應(yīng)用的啟示。此外，針對我們是面向所有工科類專業(yè)學(xué)生同時開課，實驗課學(xué)生循環(huán)不能同步的特點，將實驗理論應(yīng)用合理地分布在各實驗中，使學(xué)生結(jié)合具體應(yīng)用，更好地掌握誤差理論和數(shù)據(jù)處理方法。為了使學(xué)生在課前對實驗儀器和實驗現(xiàn)象有直觀的了解，教材中所有實驗儀器設(shè)備基本都配有實物照片，許多實驗現(xiàn)象也采用照片或較為逼真的圖片進行了描述，對學(xué)生提前預(yù)習(xí)起到了很好的作用。

（三）改進教學(xué)模式和教學(xué)方法

現(xiàn)代教學(xué)理念認為，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教師是教學(xué)過程的服務(wù)者。這就要求在教學(xué)過程中，教師要充分激發(fā)學(xué)生的求知欲，積極調(diào)動學(xué)生主動性和積極性，更多地引導(dǎo)學(xué)生自己動腦、動手去發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。[4]

圍繞著加強學(xué)生素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標，我們在調(diào)研了國內(nèi)外高校物理實驗課開設(shè)情況的基礎(chǔ)上，對上課模式進行了調(diào)整改革，把每個實驗的學(xué)生人數(shù)由18人減少至12人，把每個實驗由3學(xué)時改為4學(xué)時，將“老師講，學(xué)生照著做，課后提交實驗報告”的上課模式改變?yōu)椤罢n前預(yù)習(xí)寫討論提綱，學(xué)生自主做，課堂討論，當(dāng)堂提交數(shù)據(jù)處理”的方式。課前就把討論的問題發(fā)給學(xué)生，以便于他們查閱資料并通過實驗進行準備，整個實驗過程基本由他們自主完成，思路由他們?nèi)ハ?，困難由他們面對，問題由他們分析和解決，教師僅進行巡視和個別必要的指導(dǎo)。實驗完成后，當(dāng)堂進行數(shù)據(jù)處理。之后，用近一學(xué)時的時間由教師組織學(xué)生進行討論，以兩人實驗小組為單位，分別對不同問題進行主要發(fā)言，問題涉及實驗原理、實驗方法和操作、數(shù)據(jù)處理、實驗的歷史背景以及實驗在現(xiàn)代技術(shù)中的應(yīng)用等方面，教師最后進行點評和總結(jié)。在整個實驗過程中，學(xué)生始終是主角，更多地依靠他們自己去發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，在很大程度上激發(fā)了他們對大學(xué)物理實驗課的興趣和積極主動的探索精神。通過討論環(huán)節(jié)，使他們對實驗原理、實驗方法，以及一些有重要影響的物理實驗的歷史背景、發(fā)展過程、現(xiàn)實意義和在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用有了進一步的掌握和了解。學(xué)生積極發(fā)言，形成了生生互動和師生互動熱烈的局面。對提交的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，教師當(dāng)堂與學(xué)生進行交流，及時面對面糾正存在的問題。同時對個別有條件的實驗，在實驗室擺放了1-2套采用其它原理方法的實驗儀器，作為演示和選作內(nèi)容，以便于學(xué)生對實驗方法進行比較，開拓他們的眼界。這種學(xué)習(xí)的過程不是以學(xué)生理解、掌握確定性的知識為目的，而是注重培養(yǎng)和發(fā)展他們的創(chuàng)新性思維能力，獲得科學(xué)研究的體驗，為他們今后從事科學(xué)技術(shù)工作奠定基礎(chǔ)。在此過程中，使大學(xué)物理實驗課盡可能體現(xiàn)自主性、合作性、研究性和開放性的學(xué)習(xí)方式。

每個實驗學(xué)生人數(shù)的減少使教師有時間和精力對學(xué)生進行一對一的指導(dǎo)，對學(xué)生的實驗操作情況有更直接的了解。擔(dān)任實驗課的教師對課堂討論方式也做了大量有益的嘗試，取得了很多寶貴的經(jīng)驗。雖然每個實驗增加了一學(xué)時，但學(xué)生感覺課程內(nèi)容充實，課堂時間利用率高，收獲大。與此同時，這種互動式、開放式教學(xué)也對我們教師的知識水平和能力提出了更高的要求。使我們更加深刻地認識到，要做一名合格的教師，不僅要具備扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識，還應(yīng)該具有與本專業(yè)相關(guān)的多學(xué)科知識，了解學(xué)科前沿的發(fā)展動態(tài)。具備了寬厚和與時俱進的知識，才能在授課中做到深刻而具有啟發(fā)性，自如而又游刃有余。因此，教學(xué)模式的改變也調(diào)動了教師的積極性，促使教師自身通過不斷學(xué)習(xí)提高知識層次、豐富知識面，追蹤了解最新科學(xué)研究進展，不斷增加和更新自己的知識儲備，更好地引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實驗?zāi)芰?、嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度、主動的探索精神和積極的創(chuàng)新思維。通過這樣的教學(xué)過程，也能夠使學(xué)生感受到科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過程是曲折的，一種實驗思想和方法也不是一蹴而就的，科學(xué)每向前推進一步，都要經(jīng)歷艱苦的工作甚至是漫長的過程。而且，人類對于客觀世界的認識還有待于完善，還有大量的問題有待解決和發(fā)展。

根據(jù)我們對學(xué)生做的問卷調(diào)查結(jié)果，教學(xué)模式的改變收到了很好的反響，得到了學(xué)生的普遍肯定和歡迎。認為這種上課模式使他們在掌握實驗研究的基本方法的同時，提高了分析能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了科學(xué)思維和創(chuàng)新意識。學(xué)生的正面反饋又極大地鼓舞了教師進行進一步教學(xué)改革探索的積極性，形成了一種良性循環(huán)。

為了進一步深化教學(xué)改革，我們又購置了部分儀器設(shè)備，建立起了演示實驗室，以開闊學(xué)生眼界，增長見識。著手進行了多項實驗改造工作，在現(xiàn)有的部分綜合性實驗中引入研究性實驗的內(nèi)容，提高大學(xué)物理實驗的層次，這類實驗的開發(fā)是以科研實踐為主題，讓學(xué)生盡早了解科研的方法和過程，接觸更多書本以外的知識，了解現(xiàn)代物理的發(fā)展趨勢和核心技術(shù)的應(yīng)用，鍛煉他們的獨立科研能力。通過由基礎(chǔ)到綜合和研究性實驗的層次化教學(xué)過程，進一步吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和研究能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，努力將大學(xué)物理實驗課建設(shè)成學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的重要平臺。[5]

（四）建立科學(xué)合理的大學(xué)實驗考核評價細則

近幾年，大學(xué)物理實驗雖然是獨立設(shè)課，但基本是通過實驗操作和實驗報告兩部分綜合成績來進行考核，其中以實驗報告為主。這種考核顯然是不全面的，比較容易過關(guān)，很容易導(dǎo)致學(xué)生對實驗課的重視程度不夠，馬虎應(yīng)付，這對于工科類學(xué)生的實驗?zāi)芰蛣?chuàng)新能力的較高培養(yǎng)要求是不相適應(yīng)的。為此，我們根據(jù)考核內(nèi)容在培養(yǎng)學(xué)生能力和素質(zhì)中所起的作用，合理設(shè)置權(quán)重，制定了切實可行、科學(xué)合理的實驗考核細則。學(xué)生每一個實驗的成績由實驗操作、數(shù)據(jù)處理和討論三部分成績構(gòu)成，每一部分所占權(quán)重根據(jù)各實驗的難易程度和側(cè)重面來確定，學(xué)生預(yù)習(xí)的情況可以通過三個環(huán)節(jié)得到充分反映。每個實驗成績都在最后成績中占有一定比例。代替每次提交實驗報告，我們選擇少部分實驗提交實驗報告，以鍛煉學(xué)生撰寫實驗報告的能力。此外還要求學(xué)生每學(xué)期撰寫一篇實驗論文，讓低年級的學(xué)生了解論文撰寫的基本格式和過程，也計入最后成績?？己朔绞降恼{(diào)整，使學(xué)生感受到一定壓力，但同時也提高了他們的興趣，調(diào)動了他們的積極性和主動性。對每個實驗都能認真預(yù)習(xí)，積極思考，盡量掌握實驗的精髓，學(xué)有所得。

面對科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展和社會對創(chuàng)新型人才的迫切需求，國家大力提倡和實施素質(zhì)教育，大學(xué)物理實驗課應(yīng)該在該過程中起到更為重要的作用，應(yīng)力爭把大學(xué)實驗課建設(shè)成為一門適應(yīng)時代發(fā)展培養(yǎng)高素質(zhì)人才的基礎(chǔ)學(xué)科，大學(xué)物理實驗的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)更多地反映科學(xué)研究過程，跟蹤科技發(fā)展動態(tài)，教學(xué)手段應(yīng)改變傳統(tǒng)的單一教學(xué)模式，逐步向自主性、研究性和探索性的學(xué)習(xí)模式過渡，因此大學(xué)物理實驗的教學(xué)改革是一項長期而艱巨的任務(wù)。我們對于大學(xué)物理實驗的改革雖然取得了初步的成效，得到了學(xué)生的肯定，但還需在各方面的大力支持下，廣大教師在教學(xué)實踐中做大量的工作去不斷完善，才能使大學(xué)物理實驗教學(xué)在創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)中發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

[1]高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會.理工科類大學(xué)物理實驗課程教學(xué)基本要求（2010年版）[M].北京：高等教育出版社，2010: 15-18.

[2]安文.普通物理實驗課中開展綜合設(shè)計性實驗教學(xué)研究[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2007，（5）.

[3]周殿清.普通物理實驗中綜合性、設(shè)計性實驗的開設(shè)[J].物理實驗，2005，（1）.

[4]魏江，汪昭，李嘉亮.大學(xué)物理實驗改革研究[J].常熟理工學(xué)院學(xué)報（教育科學(xué)），2013，（6）.

[5]黃云霞，徐淑武.大學(xué)物理實驗改革中研究性學(xué)習(xí)模式的應(yīng)用[J].黑河學(xué)刊，2012，（11）.

（責(zé)任編輯：何言）

劉文利/山東大學(xué)物理學(xué)院教授，博士，研究方向為凝聚態(tài)物理劉東紅/山東大學(xué)物理學(xué)院副教授，大學(xué)學(xué)歷，研究方向為原子分子物理李蕾/山東大學(xué)物理學(xué)院副教授，碩士，研究方向為凝聚態(tài)物理

山東省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃重點課題“注重素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的大學(xué)物理教學(xué)改革探索”（項目編號2011GZ090）；山東省高等學(xué)校教學(xué)改革立項課題“大學(xué)物理實驗改革與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)”（立項編號2012108）。