柯 磊

(上海電機學院 文理學院，上海 201306)

0 引 言

自德國2013年漢諾威工業(yè)博覽會首次提出“工業(yè)4.0”概念起，全球科技革命呈現(xiàn)出嶄新的發(fā)展態(tài)勢與特征[1-3]。2014年中德雙方發(fā)表《中德合作行動綱要：共塑創(chuàng)新》，宣布兩國開展“工業(yè)4.0”合作[4]；2015年國務院公布中國“工業(yè)4.0”規(guī)劃《中國制造2025》，明確“制造大國”向“制造強國”的轉變方向[5]；2016年工業(yè)和信息化部推進的中德智能制造14個合作試點項目啟動，開啟了新一輪智能制造革命[6]；2017年3月和2018年3月，在上海臨港召開了兩屆“智能制造應用型人才培養(yǎng)”中德論壇，積極探討“工業(yè)4.0背景下企業(yè)的人才需求”，從人才角度剖析工業(yè)的變革帶來的人才培養(yǎng)模式的改變[7-10]。這些舉措表明國家正在逐步加強高校與智能制造、裝備制造行業(yè)相關企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)應用型人才的工作。在國家積極推進地方普通本科高校向應用技術型高校轉型發(fā)展的大背景下，筆者所在的高校目前已實施“校企對接共建二級學院”，即由學校與企業(yè)組成共同體，建立起“互惠、共贏”的合作模式[11-13]。其中，對課程的重組、整合和優(yōu)化是核心的一環(huán)。大學物理實驗作為實踐教學的重要組成部分，課程的改造是全方位落實應用型人才培養(yǎng)要求的必然[14]。本文對比德國凱澤斯勞滕應用技術大學的物理實驗課程，從教學體系、師資隊伍建設等方面進行分析，提出相應的改革措施。

1 背 景

上海電機學院中德智能制造學院成立于2016年6月，是我校與德國凱澤斯勞滕應用技術大學長期合作的成果，也是學校積極響應國家戰(zhàn)略需求“新工科”建設的結果。中德智能制造學院將優(yōu)秀的德國模塊化教學模式引入學科建設中，強調(diào)基礎課與專業(yè)課的有效銜接，計劃培養(yǎng)出一批具有國際視野、熟悉國際規(guī)則、能夠參與國際交流及適應智能制造領域國際競爭的現(xiàn)場工程師。2017年10月，德國的物理實驗教師來到我校講授物理實驗課程，將德國應用型本科高校的實驗教學模式進行了展示。在德國教師的實驗課堂中，探索型教學形式和構建主義的教學方法讓人印象深刻，筆者作為與德方教師的課程合作者，參與了實驗教學的全過程，發(fā)現(xiàn)德方教師在實驗設計、安排和教學方面頗有獨到之處，可供國內(nèi)教師和學者參考借鑒。

2 教學對比

(1)實驗教學體系。大學物理實驗是國內(nèi)理工科院校普遍開設的一門專業(yè)基礎課程，作為一門實踐性和創(chuàng)新性較強的課程，大學物理實驗著重于培養(yǎng)學生綜合運用知識分析和解決實際問題的能力。但目前國內(nèi)大學物理實驗課程大多沒有針對專業(yè)特點進行設置，內(nèi)容偏單一，驗證性實驗遠多于設計性實驗，缺乏足夠的吸引力；另一方面，教師對實驗操作過程的引導和把控不夠，很多學生都是被動地進行實驗，課程要求什么，學生就做什么，學生更多關注的是獲得數(shù)據(jù)和完成報告，較少去考慮知識的應用和操作的創(chuàng)新，這必然導致系統(tǒng)培訓學生實驗方法和技能的效率不高。

以我校為例，表1給出了中、德大學物理實驗教學體系的情況對比。從表中可見，同樣是針對應用型本科非物理專業(yè)的中國學生，中、德實驗教學上的差異是巨大的。首先是教學時長上的差別。中、德實驗均為2學分，我校的實驗學時數(shù)為32，貫穿于整個學期16個教學周，周學時為2，每個課時為45 min，實驗總時長1 440 min，共涉及12個實驗項目，平均每個實驗課時為120 min；而德國的實驗學時數(shù)為10，看似較少，但每個課時為240 min，實驗總時長2 400 min，只涉及5個實驗項目，平均每個實驗課時為480 min，是我校的4倍。較少的實驗項目和充足的實驗時間使德國的實驗課程含金量很高，一方面學生可以在實驗室充分熟悉儀器設備，結合實驗原理，自行搭建實驗平臺，思考實驗現(xiàn)象，提高動手能力；另一方面，教師可以設計創(chuàng)新實驗，適當提高實驗難度，側重于培養(yǎng)學生運用知識解決實際問題的能力。實際中，德國的實驗課堂上完成實驗的方法并不統(tǒng)一，實驗儀器連接或搭配形式多樣，而我校的實驗大多是完整的儀器設備，由學生按照一定的步驟進行測量和計算，限制了學生的思維。

表1 中、德大學物理實驗教學體系對比

(2)師生比。以30名學生的班級規(guī)模為例，我校指導教師1人，配有助教1人，師生比為1∶15；德國指導教師1人，配有助教4人，師生比為1∶6。顯然實驗課上德國教師分攤給學生的時間更多，指導學生更充分。德國的助教一般由1名實驗技術人員和3名高年級學生組成。實驗技術人員負責實驗課的各種具體準備和儀器設備的管理，并和指導教師共同確定實驗課的總體安排和單個實驗的設計。高年級學生助教是由指導教師選拔的，并需要經(jīng)過一定時間的培訓，他們主要負責解決學生在實驗過程中遇到的問題，并參與實驗結束時的口試。德國的實驗教師團隊配置合理、分工明確，大大提升了實驗課的效率。我校的實驗師資安排過于精簡，雖然也有1名高年級學生擔任助教輔助教師開展實驗，但1∶15的師生比現(xiàn)狀讓教師和助教分身乏術，往往指導學生不夠充分和全面，不能迅速解決實驗中的問題，在開放性實驗和創(chuàng)新性實驗設計上更是心有余而力不足。

(3)教學模式。從表1中只能看到形式上的區(qū)別，但實際教學效果上的差別是非常大的。我校的教學模式是預習、講解、演示、操作，德國是預習、提問、介紹、操作。實驗預習時，我校看重的是預習報告的完整性，很多學生書寫預習報告時只是生硬的將教材上的內(nèi)容搬到報告紙上，對實驗內(nèi)容一知半解，不去深入研究，一些學習積極的學生也只是把問題帶到實驗室，期望在實驗課上解決全部問題。而德國教師對學生的預習提出了非常嚴格的要求，近乎苛刻。學生必須通過預習來熟悉實驗的核心內(nèi)容和相關公式，需要做好預習筆記，包括實驗步驟和公式推導。由于德國實驗教材并不給出很詳細的實驗背景知識，而是很多思考題目和參考書目，因此學生在預習時必須查閱大量的參考書籍，這雖然在實驗前給學生施加了很大壓力，但也無形中夯實了學生的實驗基礎，讓學生在實驗前做好充足的準備工作。進入實驗室后，我校教師的教學形式是教師先講解實驗內(nèi)容，提出實驗要求，而后進行實驗演示，學生再自行操作開展實驗。這樣手把手的教學的確能在短時間內(nèi)輔導學生完成實驗，但限制了學生的思維和主觀能動性，學生完全是為了實驗結果而實驗，實驗目的集中在觀察實驗現(xiàn)象和記錄實驗數(shù)據(jù)，而并沒有真正意義上鍛煉學生的實際動手能力，學生往往是做完實驗后仍不完全清楚實驗的原理，對理論知識的理解依然停留在實驗前的水平。德國教師在學生實驗前會有提問環(huán)節(jié)，這實際上是對學生預習情況的檢查，考察學生是否理解實驗原理，如果發(fā)現(xiàn)學生的預習效果不佳，便會通知學生重新預習并另行約定時間進行實驗操作。提問環(huán)節(jié)過后，德國教師會審閱學生的預習筆記并給出分數(shù)，作為最終分數(shù)的一部分。如此的“提問—審閱—打分”設置也會反過來促使學生認真預習，同時使教師最終的評分更為客觀準確。在學生正式操作實驗前，德國教師會對實驗作簡要介紹，這種介紹并不是傳統(tǒng)意義上的告訴學生要做什么、怎么做，而是在介紹過程中不斷的拋出問題讓學生思考，有些問題是關于實驗儀器的，更多的問題則是和日常生產(chǎn)實踐有聯(lián)系的，以此來充分激發(fā)學生的好奇心和求知欲。學生通過發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題，充分鍛煉了自身的邏輯思維能力，并切實體會了如何將理論應用于實踐，解決實際問題。

(4)考核方式。我校是“筆試+操作”，同一套試卷、同樣的操作題目保證了考核的公平性。雖然筆試可以在一定程度上了解學生掌握實驗理論的情況，但如果學生在實驗前突擊記憶理論知識、實驗操作步驟等，也能獲得不錯的成績。因此筆試的形式不能準確評價學生，也不能從根本上激發(fā)學生的學習積極性，對于提高學生實驗能力和實踐技能的意義十分有限。德國是“口試+操作”，講究的是考核的有效性。整個口試過程持續(xù)時間30～60 min，有助教學生在旁進行記錄。德國的口試模式主要有4大特點：①口試學生的基礎理論。通常教師會提問一些反映實驗基本內(nèi)容的問題。比如在涉及單擺問題時，教師會提問用秒表記錄擺動時間時，停表時應該注意些什么？通過口試基礎理論，來把握學生在物理實驗的基礎知識、方法和技能方面訓練的程度。②口試學生的操作技能。是否能夠獨立、熟練地進行實驗操作是教師衡量學生學習效果的主要標準。在實驗室面對實驗儀器，教師會讓學生先行操作，然后根據(jù)操作發(fā)問，可以提問誤操作，也可以提問注意事項，或是提問測量結果等。通過口試操作技能，反映學生的動手和應變水平，使學生具有初步的從事科學實驗的能力。③口試強調(diào)引導和啟發(fā)?？谠嚥⒉皇菫榱穗y倒學生，而是要了解學生掌握實驗知識的深度。如果在口試中遇到學生一時回答不上來，教師并不是就此結束，而是給予適當?shù)狞c撥，循循善誘，引導學生正確的思考和解決問題。④綜合評定學生的成績?？谠嚳梢暂^為全面的了解學生掌握物理實驗基本內(nèi)容的程度和運用基本儀器進行獨立操作的能力，但德國教師也深知單次口試的成績可能存在著一定程度的偶然性。對學生個體而言，口試內(nèi)容可能有難有易，容易影響口試的成績。因此，在評定每個學生的實驗成績時，教師會綜合考慮到學生平時完成實驗的情況，結合兩者給出合理的實驗成績?？傊?，德國的口試模式非常靈活，可以直接向學生發(fā)問，也可以先觀察學生的獨立實驗操作再提問，還可以提出較難的問題后再予以啟發(fā)，這些都非常有利于全面考察學生的實際能力。

3 教學思考

通過對比中、德大學物理實驗教學，不難看出，德國高校在教學理念、教學體系、師資培養(yǎng)等方面有很多值得我們學習和借鑒的地方。德國應用型本科教育十分注重與工業(yè)需求的結合，對人才的培養(yǎng)是全方面的，是面向市場、面向社會的[15-16]。德國高校會關注企業(yè)的發(fā)展動向，以企業(yè)發(fā)展需求為依據(jù)來規(guī)劃和制定人才培養(yǎng)方案，并根據(jù)實際需求變化不斷微調(diào)課程設置，更好地服務于社會。

(1)重視實驗教學，明確服務于專業(yè)人才培養(yǎng)的教學理念。大學物理實驗有著所有科學實驗的共性，在實驗思想、方法、手段等方面是各學科科學實驗的基礎。大學物理實驗在培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W思維，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際，尤其是與科學技術發(fā)展相適應的綜合能力等方面起著重要的作用。德國高校非常重視實驗教學，不僅實驗課時多，而且學生的實驗表現(xiàn)是人才選拔的重要依據(jù)，一些科研機構、用人單位錄用學生時，會參考學生本科期間的實驗成績。德國實驗教學中無論是教師演示實驗還是學生操作實驗，都非常注重加強與工程技術相關的專業(yè)課程的聯(lián)系，注重培養(yǎng)學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力。一些開放性的實驗設計和選做的實驗安排讓學生能夠按照自己的專業(yè)培養(yǎng)目標深化實驗操作，從不知道到知道，再到理解應用，最后到分析評價，進而創(chuàng)新創(chuàng)造，完成專業(yè)培養(yǎng)目標實現(xiàn)的矩陣，學到書本上沒有的知識。

(2)開發(fā)實驗教案，結合專業(yè)特點開展模塊化教學和層次化教學。長期以來，我國本科物理實驗的教案一直強調(diào)體系的完備和系統(tǒng)，從頭至尾基本上都是理論性很強的原理描述和細致詳盡的實驗步驟，忽略了應用性，這對于應用型本科的學生而言過于龐大和深奧，限制了學生的實踐創(chuàng)新水平。德國的教案并不統(tǒng)一，一般為教師自編，內(nèi)容緊湊精煉，主要涉及實驗原理和實驗步驟相關的問題，并附有大量的參考書目，需要學生自行查閱解決問題，這對學生的自主學習提出了較高的要求，利于學生綜合能力的提升。除此之外，德國教學中把培養(yǎng)目標相近的專業(yè)歸在一起，劃分不同的教學模塊，每個模塊內(nèi)容和側重點不同，突出專業(yè)人才培養(yǎng)目標，真正實現(xiàn)實驗教學與專業(yè)人才培養(yǎng)之間針對性服務。同時尊重學生的個體差異，因材施教，對基礎薄弱的學生適當增加課時，放緩進度，重點強調(diào)物理思維方式和基礎操作，達到層次化教學。模塊化教學和層次化教學都是為了激發(fā)學生開展物理實驗的興趣，開闊學生在專業(yè)學習上的視野，促進學生在后續(xù)專業(yè)課學習中對物理知識的熟練應用，使物理實驗的科學基礎性和工程應用性充分體現(xiàn)在學生學習和工作的整個過程中。

(3)提升教師素質，強化教師的工程背景和跨學科教學的能力。大學物理實驗教師必須了解專業(yè)課程教學內(nèi)容，才能使教學更具有針對性，實現(xiàn)為專業(yè)課教學服務的目的。讓實驗教師完全掌握專業(yè)課程教學內(nèi)容是不現(xiàn)實的，但任課教師深入專業(yè)系部，參與各專業(yè)人才培養(yǎng)方案的制定，與專業(yè)課教師探討交流，就能找到物理實驗與各專業(yè)課程的結合點，開展針對性教學。與此同時，學?？梢怨膭罱處熯M行國內(nèi)外訪學，到企事業(yè)單位掛職鍛煉。通過訪學將國內(nèi)外高校先進的教學理念、教學方法和手段引進來，促進實驗教學水平的提高；通過掛職鍛煉，熟悉行業(yè)規(guī)范和技術手段，尤其是將一些工程技術手段帶到課堂，與專業(yè)結合，在教學中突出工程技術知識的講解，使學生了解到所學知識的應用價值。

4 結 語

應用型本科大學物理實驗具有很強的綜合性和實踐性，應培養(yǎng)學生獨立思考、自主分析、解決問題的能力，才能真正使學生具備基本的科學思維和實踐能力，德國高校在這方面有很多值得我們學習和借鑒之處。當前高等教育正處于前所未有的大發(fā)展大變革時期，專業(yè)的快速發(fā)展和人才培養(yǎng)模式的不斷變化給教學提出了更高的要求。在應用型人才培養(yǎng)過程中，實踐教學環(huán)節(jié)被強化，對作為基礎課程的大學物理實驗也提出了新的要求。科學客觀地對待大學物理實驗在應用型人才培養(yǎng)中遇到的各種新問題，積極采取措施，及時解決這些問題是提高大學物理實驗教學水平的一種合理而有效的選擇。