楊學(xué)鋒，張素真，劉錄發(fā)，崔廷軍

(德州學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院，山東 德州 253023)

1 新工科與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

為主動(dòng)應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐和服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等一系列國家戰(zhàn)略而提出的新工科概念，是我國工程教育改革的方向。新工科建設(shè)需要由四個(gè)理念來引領(lǐng)：服務(wù)國家戰(zhàn)略理念、對接產(chǎn)業(yè)行業(yè)理念、引領(lǐng)未來發(fā)展理念和以學(xué)生為中心理念[1]。新工科要求制訂柔性化的專業(yè)培養(yǎng)方案，改革課程體系和教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新教育教學(xué)方法，以適應(yīng)人才培養(yǎng)上的新要求。多學(xué)科交叉融合是新工科建設(shè)的核心內(nèi)容之一。通過多學(xué)科間耦合互動(dòng)，弱化專業(yè)界限并強(qiáng)化多學(xué)科交叉，能夠促進(jìn)學(xué)科發(fā)展和新知識(shí)、新技術(shù)的產(chǎn)生[2]。融合創(chuàng)新是新工科教育的新范式。新工科教育培養(yǎng)的是某一方面具備足夠深入的專業(yè)知識(shí)，各學(xué)科知識(shí)融會(huì)貫通，真正具有復(fù)合知識(shí)體系和工程思維的人才。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是諸多工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，其實(shí)驗(yàn)思想和實(shí)驗(yàn)方法體現(xiàn)了所有工科實(shí)驗(yàn)的科學(xué)共性，在工科教育體系中起著舉足輕重的作用。非物理專業(yè)的學(xué)生通過大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)獲得科學(xué)測量方法，培養(yǎng)科學(xué)思維模式，提高分析問題和解決問題的能力。這些都會(huì)使學(xué)生在以后本專業(yè)本學(xué)科的學(xué)習(xí)研究中受益。然而，在新工科視域下，傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程仍然存在不少問題。

2 新工科視域下大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程存在的主要問題

2.1 教學(xué)內(nèi)容陳舊，知識(shí)點(diǎn)單一，缺少交叉與融合

傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難以體現(xiàn)科學(xué)發(fā)展前沿的最新成果，陳舊過時(shí)，只是教材中已有基本物理知識(shí)的簡單重復(fù)，跟不上時(shí)代的發(fā)展，致使學(xué)生學(xué)習(xí)興趣降低。新工科建設(shè)的最主要特征是多學(xué)科的交叉融合[3]。在傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中，實(shí)驗(yàn)被簡單分割成兩門相互獨(dú)立的課程，即普通物理實(shí)驗(yàn)和近代物理實(shí)驗(yàn)。而力、熱、光、電、原又是普通物理實(shí)驗(yàn)中相互獨(dú)立的內(nèi)容，被安排在不同的實(shí)驗(yàn)室。由此可見，內(nèi)容上在物理學(xué)科內(nèi)部都少有交叉與融合，更不用說與其他學(xué)科的交叉與融合[4]。

2.2 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過多，設(shè)備過于傳統(tǒng)或過于集成，實(shí)驗(yàn)過程索然無味

目前的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致的結(jié)果就是沒有了未知性、不確定性和探索性，按部就班就能得到預(yù)想中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，缺乏科學(xué)素質(zhì)的訓(xùn)練與培養(yǎng)。另外，儀器設(shè)備越來越趨向于集成化、封閉化、數(shù)字化、整體化，操作難度降低，數(shù)據(jù)采集方便、快捷，實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)不確定性問題的幾率減少，無形中降低了對學(xué)生的訓(xùn)練作用[5]。

2.3 “灌輸式”的單一教學(xué)模式機(jī)械枯燥，缺乏趣味性和創(chuàng)新性

培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度和學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，要通過教學(xué)形式和教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)[6]。然而，一直以來大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)多采用“灌輸式”的教學(xué)模式。教師首先講解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生按部就班地按照實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行操作，得出預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。單一的教學(xué)模式和固化的教學(xué)內(nèi)容導(dǎo)致學(xué)生普遍學(xué)習(xí)興趣不高。

3 新工科視域下大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的改革探究

3.1 建立交叉、融合、貫通的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容新體系

把演示物理實(shí)驗(yàn)納入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)體系中來。演示物理實(shí)驗(yàn)(這里指由學(xué)生親自操作演示的)屬于定性與半定量實(shí)驗(yàn)，能讓學(xué)生直觀地觀察到各種生動(dòng)有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)用時(shí)短，但學(xué)生印象深刻，因而可以作為激發(fā)學(xué)生興趣，建立物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要手段。

打破力、熱、光、電、原相互隔離、孤立的實(shí)驗(yàn)體系，同時(shí)把大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)與近代物理實(shí)驗(yàn)貫通，把部分近代物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目引入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中來，實(shí)現(xiàn)學(xué)科內(nèi)部的交叉融合與貫通。

尋找大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)與材料、電子、機(jī)械、自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)、化工、生物等專業(yè)的交叉點(diǎn)與契合點(diǎn)，鼓勵(lì)教師將科研成果及時(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，開發(fā)設(shè)計(jì)出各學(xué)科交叉融合的新的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。而這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多具有綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性。最終建立演示實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、提高性實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，多學(xué)科交叉融合的四級(jí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)體系。

3.2 建立自主、開放的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式

打破傳統(tǒng)的“老師講，學(xué)生聽”的授課模式，部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中引入翻轉(zhuǎn)式的教學(xué)式，由“傳授范式”向“學(xué)習(xí)范式”轉(zhuǎn)變。

加強(qiáng)以學(xué)生為中心的MOOC、微課、虛擬仿真等建設(shè)。學(xué)生可以隨時(shí)隨地在電腦端或手機(jī)端登錄學(xué)習(xí)，擬訂初步實(shí)驗(yàn)方案，形成基于互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)開放環(huán)境。教師在課堂上不必重復(fù)基礎(chǔ)知識(shí)、基本原理的講解，而是集中精力解決學(xué)生實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種問題，教學(xué)的目標(biāo)性更強(qiáng)，教師的教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率也大大提高。

開設(shè)“小課題物理實(shí)驗(yàn)”，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。在對傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了篩選、改造，學(xué)科內(nèi)交叉融合的基礎(chǔ)上，精選其他學(xué)科內(nèi)容，結(jié)合當(dāng)前科學(xué)前沿，設(shè)計(jì)出多學(xué)科交叉融合、小課題性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生根據(jù)自己的專業(yè)、興趣、特長選擇研究的實(shí)驗(yàn)課題，3～5人組成一個(gè)小的團(tuán)隊(duì)。學(xué)生可以隨時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，也可以隨時(shí)與教師取得聯(lián)系。這種小課題性質(zhì)的開放式、探究式實(shí)驗(yàn)一般時(shí)間會(huì)較長，一個(gè)學(xué)期內(nèi)完成即可。實(shí)驗(yàn)結(jié)果要以小論文的形式呈現(xiàn)。

以大學(xué)生科技文化競賽為推手，進(jìn)一步拓展大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和空間，培養(yǎng)適應(yīng)新工科要求的創(chuàng)新性人才。當(dāng)前，大學(xué)生科技文化創(chuàng)新活動(dòng)方興未艾，大學(xué)生爭相參加到各級(jí)各類大賽中去。由于物理學(xué)的基礎(chǔ)性，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)與各種大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)有著密切的相關(guān)度，其競賽題目大多可視為物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的多學(xué)科交叉融合。大學(xué)生可以把課外科技活動(dòng)與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)課內(nèi)課外的有機(jī)融合與銜接。鼓勵(lì)跨學(xué)科、跨專業(yè)組隊(duì)參賽，提升學(xué)生的溝通交流和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。在科技創(chuàng)新活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)有創(chuàng)新潛質(zhì)的學(xué)生，使其參與到教師的科研項(xiàng)目中去，成為教師的科研助手。實(shí)驗(yàn)教學(xué)、學(xué)科競賽、科研體驗(yàn)相互銜接，最終形成“學(xué)、賽、研”一體化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)體系。

3.3 建立注重過程的多元化課程考核方式

考核方式影響著教與學(xué)的方向，進(jìn)而決定了人才培養(yǎng)的方向。因此必須發(fā)揮課程考核“指揮棒”的作用。

教育的基本屬性之一是過程屬性，對學(xué)生學(xué)習(xí)狀況的評價(jià)或考核也必然具有過程屬性。傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)考核主要以學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告為評判依據(jù)，難以體現(xiàn)學(xué)生的實(shí)際操作情況，更難以體現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。“實(shí)驗(yàn)報(bào)告定終身”的考核方式實(shí)質(zhì)上是一種完全脫離過程的終結(jié)性考核，必須進(jìn)行糾正。為此可以采用“3+1+X”模式的考核?！?”是指兼顧課前、課中、課后的全過程考核。課前學(xué)生通過閱讀教材，網(wǎng)上觀看微課、MOOC、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等形式進(jìn)行預(yù)習(xí)，并撰寫預(yù)習(xí)報(bào)告。教師通過評閱預(yù)習(xí)報(bào)告，對學(xué)生提問、交流等方式給出預(yù)習(xí)成績，完成課前考核。課堂上指導(dǎo)教師密切關(guān)注每位學(xué)生的操作情況，特別是出現(xiàn)未知問題后解決問題的能力，結(jié)合其測得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，給出操作成績，完成課中評價(jià)。課后學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師根據(jù)數(shù)據(jù)處理情況、誤差分析情況和實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論給出實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績，完成課后評價(jià)?！?”是指對課程小課題的考核。教師對學(xué)生課程小課題的進(jìn)展情況全程跟蹤，并適時(shí)進(jìn)行指導(dǎo)和交流。臨近期末，學(xué)生提交小論文并進(jìn)行答辯?！癤”是指對學(xué)生參加的與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)相關(guān)度較大的科技競賽的考核。根據(jù)獲獎(jiǎng)層次和等級(jí)在課程考核成績中額外加分?！?+1+X”的考核模式具有全過程、全角度、開放式的特點(diǎn)，是從課內(nèi)到課外，從基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能到研究創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的多元化考核。

3.4 建設(shè)一支學(xué)科基礎(chǔ)深厚、具有交叉背景和工程思維的實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍

加強(qiáng)跨學(xué)科學(xué)習(xí)，構(gòu)建交叉融合的知識(shí)體系。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教師大多具有物理學(xué)背景，在本領(lǐng)域具有豐富的理論知識(shí)和較強(qiáng)的實(shí)踐能力。但他們沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過其他學(xué)科的課程，更沒有參加過其他學(xué)科的實(shí)踐活動(dòng)，難以很好地做到本學(xué)科知識(shí)與多學(xué)科知識(shí)的交叉融合。為了更好地滿足新工科視域下新型人才的培養(yǎng)需求，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教師不能故步自封，止步不前，而應(yīng)尋找對其他學(xué)科的興趣點(diǎn)，積極主動(dòng)“再充電”，培養(yǎng)跨界整合能力和多元的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

培養(yǎng)工程思維，樹立工程教育新理念?？茖W(xué)思維、工程思維和藝術(shù)思維是人類既有聯(lián)系又有區(qū)別的三種思維方式。探索與發(fā)現(xiàn)是科學(xué)思維的核心，設(shè)計(jì)與建造是工程思維的核心，而想象與虛構(gòu)則是藝術(shù)思維的核心。教育部《新工科指南》[7]明確提出要強(qiáng)化教師的工程背景。新工科視域下教師不僅要有工程背景，更要有工程思維。因?yàn)楣こ趟季S方式的培養(yǎng)是工程教育的最核心任務(wù)之一[8]。然而大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教師普遍缺乏工程思維，更缺乏工程思維教學(xué)的意識(shí)和自覺性，這種現(xiàn)狀必須得到改善。

打破校---院---實(shí)驗(yàn)中心---團(tuán)隊(duì)的縱向組織體系。“校---院---實(shí)驗(yàn)中心---團(tuán)隊(duì)”的縱向組織體系制約了廣大物理實(shí)驗(yàn)教師知識(shí)的跨界發(fā)展。應(yīng)當(dāng)打破這種縱向的組織壁壘，建立起廣泛的院院合作、校際合作、校企合作和國際交流，組建跨界發(fā)展共同體[9]，形成合作共贏的新機(jī)制。在學(xué)科相近的院級(jí)教學(xué)單位設(shè)立教師跨界發(fā)展中心，開展跨界教師培訓(xùn)和實(shí)踐活動(dòng)；校際間聯(lián)辦教師跨界發(fā)展論壇；與企業(yè)共建教師培訓(xùn)基地，促進(jìn)校企間人才的雙向流動(dòng)；派遣實(shí)驗(yàn)教師去世界高水平大學(xué)交流。

組建由教授領(lǐng)銜，理論課教師、實(shí)驗(yàn)教師、實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員、企業(yè)兼職導(dǎo)師構(gòu)成的素質(zhì)互補(bǔ)的實(shí)驗(yàn)教師團(tuán)隊(duì)。新工科視域下大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍的主要問題是工程實(shí)踐能力不足。因此，積極引入相關(guān)企業(yè)高技術(shù)、高技能人才作為實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐導(dǎo)師，可以迅速彌補(bǔ)教師隊(duì)伍素質(zhì)短板，與校內(nèi)教師形成互補(bǔ)。實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐導(dǎo)師參與對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的更新改造，自制儀器的研制，實(shí)驗(yàn)技術(shù)立項(xiàng)的申報(bào)，指導(dǎo)學(xué)生的課外實(shí)踐活動(dòng)。高水平的企業(yè)專家可同時(shí)聘為校內(nèi)青年教師的工程實(shí)踐導(dǎo)師，幫助青年教師盡快補(bǔ)齊素質(zhì)短板。鼓勵(lì)教授參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引導(dǎo)理論課教師兼職或轉(zhuǎn)崗專職實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍整體素質(zhì)。

4 結(jié)語

自然科學(xué)的基礎(chǔ)是物理學(xué)?？梢哉f學(xué)科交叉的鼻祖是物理學(xué)與數(shù)學(xué)的交叉，學(xué)科交叉的典范是物理學(xué)與化學(xué)的交叉，生物物理學(xué)則是物理學(xué)與生物學(xué)的交叉。物理學(xué)又是技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)力，物理學(xué)與技術(shù)科學(xué)的交叉形成了技術(shù)物理或工程物理。經(jīng)濟(jì)物理、社會(huì)物理則是物理學(xué)延伸到社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域所形成的[10]。由于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是對理工科各專業(yè)開設(shè)的課程，又由于物理學(xué)科的基礎(chǔ)性，對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行改革和創(chuàng)新，可以有效地破解學(xué)科壁壘、專業(yè)藩籬，打破傳統(tǒng)的院、系、專業(yè)的縱向人才培養(yǎng)格局，提高學(xué)科專業(yè)間的相容性、互補(bǔ)性、交叉性，更好地適應(yīng)“新工科”發(fā)展的需要。