羅鍛斌

(華東理工大學(xué) 物理學(xué)院， 上海 200237)

以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式為特征的新經(jīng)濟(jì)的出現(xiàn)，國家提出了“新工科”建設(shè)作為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略行動。2017年6月16日，教育部辦公廳發(fā)布了《教育部辦公廳關(guān)于推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》(教高廳涵[2017]33號)[1-3]。“新工科”建設(shè)不僅考慮“新的工科專業(yè)、工科的新要求”，而且要求培養(yǎng)出有很好理工科基礎(chǔ)的復(fù)合型、綜合型創(chuàng)新人才以滿足新經(jīng)濟(jì)的需求[4-8]。從教育部發(fā)布的部分新工科專業(yè)，如數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)、機(jī)器人工程、物聯(lián)網(wǎng)工程、智能科學(xué)與技術(shù)、智能電網(wǎng)信息工程、光電信息科學(xué)與工程，可以看到，大數(shù)據(jù)、人工智能以及與之相關(guān)的專業(yè)是新工科專業(yè)建設(shè)中的主要內(nèi)容。從中可見，新工科學(xué)科體系必須強(qiáng)調(diào)物理學(xué)內(nèi)涵。那么面對“新工科”，的物理教育教學(xué)該如何應(yīng)對呢？在新工科課程建設(shè)中，作為重要基礎(chǔ)實(shí)踐課程——大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課，其課程體系該如何構(gòu)建？[9]顯然，新工科的人才培養(yǎng)，不只需要理工科知識，還需要學(xué)生“在更廣泛的專業(yè)交叉和融合中學(xué)習(xí)”，那么這些“新”的知識是什么，從哪兒獲取，怎么能學(xué)到？物理實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容涉及豐富的力、熱、光、電、磁等方面的物理現(xiàn)象以及相關(guān)物理量的測量，“天然地”滿足學(xué)生培養(yǎng)的上述要求。因此，基于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心這一平臺的相關(guān)實(shí)踐育人教學(xué)活動，應(yīng)如何改變教學(xué)理念、更新知識體系、調(diào)整培養(yǎng)模式以培養(yǎng)出適合新環(huán)境下的合格人才是必須面對的問題。

結(jié)合學(xué)校實(shí)驗(yàn)中心的軟硬件情況，立足物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心這一平臺，從實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與模式重構(gòu)、科創(chuàng)結(jié)合、以賽促學(xué)、產(chǎn)學(xué)研融入等方面對物理實(shí)驗(yàn)在大面積基礎(chǔ)課程中實(shí)踐育人方面進(jìn)行了改革探索，如圖1所示，取得一定教學(xué)成果并積累了一些經(jīng)驗(yàn)。

圖1 基于實(shí)驗(yàn)中心平臺的多維度實(shí)踐育人模式

1 結(jié)合“DIS”(數(shù)字信息化系統(tǒng))重構(gòu)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與模式

(1)結(jié)合DIS技術(shù)重構(gòu)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容體系

信息化技術(shù)融入傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是新時(shí)代的育人要求。目前信息化技術(shù)已經(jīng)廣泛地用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)室管理(如實(shí)驗(yàn)室信息化管理系統(tǒng))、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理(如實(shí)驗(yàn)排課選課系統(tǒng))、教學(xué)模式改革(如慕課、微課等)、教學(xué)內(nèi)容體系拓展(如線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等)的實(shí)踐育人嘗試中，根據(jù)物理學(xué)科特點(diǎn)，著眼信息化技術(shù)中突出物理效應(yīng)的傳感技術(shù)，以結(jié)合傳感技術(shù)(傳感器結(jié)合計(jì)算機(jī)或移動終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖像采集)的DIS作為切入點(diǎn)，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的物理量測量、自動控制、數(shù)據(jù)記錄、智能化數(shù)據(jù)分析等方面對傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入DIS技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和手段，對原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系進(jìn)行激活拓展，重新構(gòu)建了基于DIS的力學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)和熱學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系，如圖2所示，讓學(xué)生直接在實(shí)驗(yàn)過程中掌握與物理效應(yīng)相關(guān)的傳感技術(shù)以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理方法。這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的增加，在物理量測量手段、自動控制、數(shù)據(jù)記錄、智能化數(shù)據(jù)分析等方面讓學(xué)生得到了新的訓(xùn)練，不僅激活了學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，而且有效地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和探究能力[10-15]。

(a) 結(jié)合DIS的力學(xué)傳感器系列實(shí)驗(yàn)

(2)結(jié)合DIS技術(shù)重構(gòu)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程演示教學(xué)模式

①針對物理實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容中比較抽象和難以理解的原理及操作內(nèi)容進(jìn)行演示性教學(xué)，獲得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。主要應(yīng)用如下：

在“鐵磁材料磁滯回線測量”實(shí)驗(yàn)(大面積實(shí)驗(yàn)，24組實(shí)驗(yàn)儀器，每人一組)的教學(xué)演示中引入電流、電壓傳感器，更加直觀地在教學(xué)過程中向?qū)W生演示材料的退磁過程(退磁過程一直是該實(shí)驗(yàn)學(xué)生操作的難點(diǎn))；該實(shí)驗(yàn)演示工作整理已發(fā)表[16]。在“太陽能電池伏安特性測量”實(shí)驗(yàn)(大面積實(shí)驗(yàn)，24組實(shí)驗(yàn)儀器，每人一組)的教學(xué)演示中引入相應(yīng)傳感器，可以更加方便地改變相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，更加快捷地向?qū)W生演示實(shí)驗(yàn)室光照條件、太陽能電池板溫度、負(fù)載等參數(shù)對伏安特性的影響；該實(shí)驗(yàn)演示工作整理已發(fā)表[17]。在變阻器與電路控制實(shí)驗(yàn)中(大面積實(shí)驗(yàn)，24組實(shí)驗(yàn)儀器，每人一組)，利用電流和電壓傳感器，演示制流與分壓電路的制流特性和分壓特性；該實(shí)驗(yàn)演示工作整理已發(fā)表[18]。

②以DIS技術(shù)作為主導(dǎo)模式，通過公選課的方式開設(shè)《演示實(shí)驗(yàn)拓展》教學(xué)，不但激活了實(shí)驗(yàn)中心演示資源，而且激發(fā)了學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的興趣和探究熱情，引導(dǎo)學(xué)生參與演示實(shí)驗(yàn)探究和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。目前《演示實(shí)驗(yàn)拓展》公選課程已經(jīng)開設(shè)兩年，每學(xué)期來自全校各專業(yè)人數(shù)超過30人。在這些學(xué)生中，根據(jù)學(xué)生的興趣和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生參與各項(xiàng)物理實(shí)驗(yàn)競賽，取得了較好教學(xué)實(shí)踐效果。

③把DIS拓展至移動終端，嘗試非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。利用智能手機(jī)的各種傳感器以及相關(guān)應(yīng)用軟件(Phyphox、Physics Toolbox Suite、Tracker等)，目前設(shè)計(jì)開發(fā)了近20個(gè)非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生可以在非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境(在宿舍或居家)進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這是一種基于智能手機(jī)的新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生表現(xiàn)出極大的興趣。此次疫情期間，初步提出的基于智能手機(jī)平臺的部分實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，為保證“停課不停教，停課不停學(xué)”起到了很大作用。2020年春季疫情期間，學(xué)校近3 000名不能返校的學(xué)生選做了這些居家實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程內(nèi)容的一部分；2020年春季和秋季學(xué)期，不能返校上課的我校留學(xué)生(2020年春季19人，秋季24人)也通過這些非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完成了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程(University Physics Experiment)的居家教學(xué)。疫情期間和后疫情時(shí)期，這種非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式讓學(xué)生在全開放的非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，極大地鍛煉了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、動手操作、數(shù)據(jù)采集分析、報(bào)告總結(jié)、口頭表達(dá)等能力；同時(shí)在大學(xué)物理課程的教學(xué)演示、學(xué)生對物理原理的理解、日常生活現(xiàn)象的解釋與應(yīng)用等方面有直觀的作用，而且在更深層次的拓展物理教育、提高國民科學(xué)素養(yǎng)上有重要意義。結(jié)合移動終端傳感技術(shù)進(jìn)行非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的相關(guān)工作，自編了講義，同時(shí)已經(jīng)整理完成相關(guān)論文[19]。其中“Measurement of the speed of sound through resonance in air columns as a homemade experiment”已被美國物理教師協(xié)會(AAPT)的期刊The Physics Teacher錄用。

(3)圍繞實(shí)踐育人探索嘗試，以賽促學(xué)，結(jié)合挑戰(zhàn)杯、大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽、全國大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽、光電設(shè)計(jì)大賽、校船模制作大賽(平均每學(xué)期不少于20人，如圖3所示)、大學(xué)物理競賽(每學(xué)期約100人)等多層次實(shí)踐競賽提升了實(shí)踐育人高度。

(a)

(4)科、創(chuàng)結(jié)合，通過科研課題和大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動挖掘?qū)嵺`育人深度?？蒲蟹床附虒W(xué)是重要的實(shí)踐育人途徑。通過大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目、科研教研小課題等融入到探究性實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容中去，因材施教，分層次提升育人深度。近幾年基于實(shí)驗(yàn)中心平臺，實(shí)施市級以上大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目20余項(xiàng)。同時(shí)，結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目、科研教研小課題等鼓勵師生參與教學(xué)研究并發(fā)表教研論文，近70人次的本科生參與了相關(guān)教研論文工作，師生發(fā)表相關(guān)教研論文30余篇。上述學(xué)生教研結(jié)果中，結(jié)合力學(xué)傳感器實(shí)驗(yàn)深入研究了混沌擺及混沌現(xiàn)象: 利用非線性動力學(xué)系統(tǒng)研究混沌現(xiàn)象，該工作得到了《物理與工程》期刊的公眾號推薦。學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)拓展提出全息光柵制作新途徑?；诠饷羧玖戏肿庸庵氯∠驒C(jī)制的全息光柵制作實(shí)驗(yàn)，并得到了《物理與工程》期刊的公眾號的特別推薦?？?、創(chuàng)結(jié)合不僅營造了實(shí)踐教學(xué)中的研究氛圍，更為提升實(shí)踐育人中的學(xué)生探究能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了積極重要的途徑。

(5)立足應(yīng)用，加強(qiáng)校企合作，融入產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人拓展實(shí)踐育人寬度。近幾年，物理實(shí)驗(yàn)中心一方面與知名企業(yè)聯(lián)合共建實(shí)驗(yàn)，如與德國PHYWE(提供價(jià)值150多萬的實(shí)驗(yàn)儀器)共建實(shí)驗(yàn)室；另一方面積極探究產(chǎn)學(xué)研合作，近年分別與四川世紀(jì)中科光電有限公司、安徽省科大奧銳科技有限公司、大恒新紀(jì)元科技股份有限公司、杭州博源光電科技股份有限公司通過教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目共建實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)平臺，極大拓展了實(shí)踐育人寬度，對學(xué)生立足應(yīng)用，培養(yǎng)能力起到了良好作用。

2 結(jié) 語

總結(jié)了基于學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心平臺，在實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與模式重構(gòu)、科創(chuàng)結(jié)合、以賽促學(xué)、產(chǎn)學(xué)研融入等方面對物理實(shí)驗(yàn)在大實(shí)踐育人方面進(jìn)行的改革探索。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)踐育人的基礎(chǔ)，重點(diǎn)分享了在結(jié)合“DIS”(數(shù)字信息化系統(tǒng))重構(gòu)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與模式上的一些嘗試和成果。此外，通過以賽促學(xué)提升實(shí)踐育人高度，科、創(chuàng)結(jié)合挖掘?qū)嵺`育人深度，產(chǎn)學(xué)研融入拓展實(shí)踐育人寬度，這些多維度結(jié)合措施全面提高實(shí)踐育人模式和內(nèi)涵，獲得了較好的實(shí)施效果。