楊有貞　曾建成

摘? 要：針對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)單一授課方式已不能有效滿足新工科人才能力培養(yǎng)的問題，該文開展微課教學(xué)方式（Online Course），延伸傳統(tǒng)教學(xué)中“教”與“學(xué)”的時(shí)間和空間，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力；增加演示實(shí)驗(yàn)為必要拓展（Demonstration experiment），加深學(xué)生對物理規(guī)律等理論知識的具象理解，有效提升學(xué)習(xí)熱情和物理思維能力；融入課程思政元素（Course Education），將知識傳授與科學(xué)精神、人文精神培養(yǎng)有機(jī)融合，內(nèi)化為學(xué)生的正向“心法”；實(shí)施以賽促學(xué)（Competition ），提升運(yùn)用物理原理解決實(shí)踐問題的能力，外化為學(xué)生的“技法”。在此基礎(chǔ)上，制定兼具過程、結(jié)果及拓展屬性的“1+1+X”考核模式，考核結(jié)果發(fā)現(xiàn)基于ODEC的教學(xué)方式與成績具有正向關(guān)聯(lián)，構(gòu)成知識傳授、能力培養(yǎng)、價(jià)值塑造協(xié)同育人模式，符合新工科背景下德才兼?zhèn)淙瞬排囵B(yǎng)的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：新工科；大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；微課教學(xué)；演示實(shí)驗(yàn)；以賽促學(xué)；協(xié)同育人

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）07-0114-05

Abstract： In view of the problem that the single teaching method of university physics experiment can no longer effectively meet the ability training of new engineering talents， this paper carries out the Online Course teaching mode ， which extends the time and space of "teaching" and "learning" in traditional teaching， and cultivates students' autonomous learning ability. Demonstration experiment is added as a necessary extension to deepen students' concrete understanding of theoretical knowledge such as physical laws， and effectively enhance their learning enthusiasm and physical thinking ability. Integrate the ideological and political elements into the course education， internalize the students' "mind method"， and enhance the learning drive; The implementation of competition has improved the ability to use physical principles to solve practical problems， and has been externalized into students' "skills". On this basis， the assessment model of "1+1+X" with both process and result characteristics is developed. The assessment results show that the teaching method based on "ODEC" has a positive correlation with performance， which forms a collaborative education model of knowledge transmission， ability cultivation， and conforms to the law of talent training with both virtue and ability under the background of new engineering.

Keywords： new engineering; experiment of college physics; online course; demonstrative experiment; promote learning through competition; collaborative education

“新工科”教育是區(qū)別于傳統(tǒng)工程視角而提出的概念，繼“一帶一路”、中國制造2025等重大規(guī)劃、新技術(shù)和業(yè)態(tài)涌現(xiàn)背景下，2017年我國首次提出“新工科”建設(shè)的概念，提出培養(yǎng)應(yīng)用型人才的必要性[1]。這就促使工程教育范式的調(diào)整，以便適應(yīng)新工業(yè)革命對人才的要求。新工科建設(shè)可以看作是“卓越計(jì)劃”的升級版，其強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)服務(wù)國家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)需求和面向未來發(fā)展的應(yīng)用型、綜合型和復(fù)合型工科人才[2]。而最首要核心是知識結(jié)構(gòu)健全，其包含5方面，其中首要是自然科學(xué)知識[3]，是工程活動(dòng)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造的基礎(chǔ)[4]。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為理工科生剛?cè)雽W(xué)的一門培養(yǎng)實(shí)踐能力的公共必修課程，對于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、探究綜合能力、創(chuàng)新能力都有著重要的作用[5]，也是培養(yǎng)“寬口徑”人才的重要一環(huán)[6]。如何重新構(gòu)建更有效的教學(xué)模式，為適應(yīng)新工科專業(yè)知識的快速更新，是當(dāng)前課程教學(xué)面臨的一個(gè)重要課題[7-8]。為適應(yīng)新背景下應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求，全國很多院校打破傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不斷探索新的模式[9-10]。但是，依然存在課程教學(xué)和評價(jià)模式相對單一的問題[11-12]，有待于進(jìn)一步探索。

本文以培養(yǎng)高校創(chuàng)新型綜合應(yīng)用人才為總目標(biāo)，開展新能源材料與器件、電子信息、通信工程等諸多新工科專業(yè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革，利用微課教學(xué)、拓展演示實(shí)驗(yàn)、增加課程思政元素并利用國家賽事指導(dǎo)學(xué)生參加競賽，使得教學(xué)過程相互銜接、補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐課程協(xié)同化培養(yǎng)人才的教學(xué)模式。

一? 開展微課教學(xué)模式

預(yù)習(xí)是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵，傳統(tǒng)課前預(yù)習(xí)多數(shù)通過書本，只能進(jìn)行理論知識的學(xué)習(xí)。單純地將實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置等抄寫在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上，對儀器的了解只能通過書本上的圖片獲得，無法建立對實(shí)驗(yàn)的直觀認(rèn)識，缺少主動(dòng)性和思考[10]。2017年課題組緊跟新時(shí)代高教發(fā)展趨勢，通過幾年的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)（微課版）[13]建設(shè)，獲批寧夏高校首批國家級一流本科課程，完成視頻72個(gè)、課件29個(gè)、文檔36個(gè)及1套習(xí)題庫（含題目300套）。這些數(shù)字資源依托華中科技大學(xué)出版社網(wǎng)絡(luò)（http：//zyjy.hust p.com/index.php？m=Subject）在線開放平臺(tái)，為學(xué)生線上自主預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)創(chuàng)造了條件，進(jìn)一步開展線下課堂教學(xué)，完成基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，課堂上基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)時(shí)間縮短18%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的成績平均提高6.4%（幾乎接近于提高了一個(gè)績點(diǎn)，尤其是分?jǐn)?shù)低的情況）。這樣以線上微課預(yù)習(xí)為先導(dǎo)的教學(xué)模式，讓學(xué)生在課堂上“活”起來，課堂外“忙”起來，延伸了傳統(tǒng)教學(xué)中“教”與“學(xué)”的時(shí)間和空間，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，有效提高了教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。

二? 增加演示實(shí)驗(yàn)為必要拓展

演示實(shí)驗(yàn)是將抽象的物理知識通過直觀、形象的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呈現(xiàn)出來，增加學(xué)生的感性認(rèn)識，引導(dǎo)學(xué)生觀察與分析物理現(xiàn)象，完成從感性認(rèn)知到理性認(rèn)知的學(xué)習(xí)過程，能夠有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和物理思維能力。為此，課題組設(shè)計(jì)并開發(fā)含力、熱、聲、電和光五類內(nèi)容有一定水平的演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并采取購置新設(shè)備、改造舊設(shè)備和自制儀器相結(jié)合的方式，注意選擇具有先進(jìn)性的儀器，合理配置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和儀器的臺(tái)套數(shù)，對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)從內(nèi)容體系到硬件建設(shè)進(jìn)行全面更新和重建，確保實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有開放性、探索性和創(chuàng)新性，并集知識性、趣味性和易用性物理現(xiàn)象為一體的特性。共構(gòu)建98個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括光學(xué)演示項(xiàng)目30個(gè)、電磁演示項(xiàng)目30個(gè)、力熱演示項(xiàng)目38個(gè)，建成演示實(shí)驗(yàn)室3個(gè)、共300 m2。部分演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容見表1。

演示實(shí)驗(yàn)通用性開放首先面向新生，具體時(shí)間是每年10月中旬，以班級、學(xué)院為單位，以力熱、光、電磁三個(gè)演示項(xiàng)目為次序進(jìn)行輪轉(zhuǎn)參觀，這一環(huán)節(jié)的主要設(shè)定目標(biāo)是展示物理現(xiàn)象強(qiáng)烈刺激學(xué)生眼球，使其產(chǎn)生神秘感和好奇心，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的求知欲。其次，演示實(shí)驗(yàn)針對的是開設(shè)教學(xué)計(jì)劃內(nèi)綜合性實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，進(jìn)行一些教具制作、科技發(fā)明等系列活動(dòng)；最后，演示實(shí)驗(yàn)拓展性針對的群體具有不確定性，以主題式或研究性為導(dǎo)向，學(xué)生可以通過組隊(duì)式學(xué)習(xí)。具體活動(dòng)剪影如圖1所示。演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式是成功的，圖2摘錄了部分學(xué)生的體會(huì)和收獲，從反饋結(jié)果看，增加演示實(shí)驗(yàn)作為教學(xué)環(huán)節(jié)，有利于加深學(xué)生對物理規(guī)律等理論知識的具體化理解，有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)理論與實(shí)踐知識的內(nèi)在動(dòng)力。

三? 有機(jī)融入課程思政元素

2016年12月，習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，各門課都要守好一段渠、種好責(zé)任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)[14]。落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)，本質(zhì)上是我國高等教育“培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人”等重大教育問題。而這其中首義是科學(xué)精神的教育。為此，筆者從物理實(shí)驗(yàn)與技術(shù)及工程關(guān)系中挖掘課程思政。例如，在誤差理論部分講解物理（實(shí)驗(yàn)）發(fā)展歷史環(huán)節(jié)，教學(xué)目標(biāo)是勾勒出本課程的大致框架，清楚課程的來龍去脈，在課程思政要素挖掘方面?zhèn)戎仫@性元素：歷史發(fā)展觀。以弓箭為例，講解其主要利用物體彈性原理，結(jié)合漢朝的將軍李廣，憑借百步穿楊的絕技，屢屢打敗匈奴的歷史事件，以古鑒今，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)期望，并培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷與國際視野，增強(qiáng)學(xué)生的民族自信與文化自信，賦予擔(dān)當(dāng)?shù)氖姑信c責(zé)任感，從而實(shí)現(xiàn)思政目標(biāo)，課后給學(xué)生布置觀看CCTV“聚元號弓箭”，其制作工藝列入國家級第一批非物質(zhì)文化遺產(chǎn)視頻名錄。在進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，例如，電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡，教學(xué)目標(biāo)是掌握望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)與功能，理解望遠(yuǎn)鏡對天文觀測的重要性。同樣挖掘隱性元素即科學(xué)精神、家國情懷、民族自豪感。思政映射與融入點(diǎn)采用追蹤前沿，以我國開創(chuàng)了建造巨型望遠(yuǎn)鏡的新模式，建設(shè)了反射面相當(dāng)于30個(gè)足球場的射電望遠(yuǎn)鏡的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡——“中國天眼”為例，學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)我國科學(xué)家二十年磨一劍，“勇攀高峰、敢為人先”“追求真理、嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)”科學(xué)家精神，感受大國工匠，匠心筑夢。圖3給出了學(xué)生在課后觀看《大國工匠》的部分剪影，學(xué)生在進(jìn)行思政內(nèi)化過程中也表達(dá)了自己的認(rèn)識和感受。通過此方式，將知識傳授與科學(xué)精神、人文精神培養(yǎng)有機(jī)融合，內(nèi)化為學(xué)生的正向“心法”，是增強(qiáng)大學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力的重要途徑。

四? 實(shí)施以賽促學(xué)提能力

筆者所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)積極探索提高學(xué)生理論素養(yǎng)和創(chuàng)新能力訓(xùn)練的新途徑，重視學(xué)生綜合實(shí)踐能力的提高、突出創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)。進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生參加競賽，加強(qiáng)交流。其中，關(guān)注的焦點(diǎn)賽事是全國大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽（創(chuàng)新）。 該賽是全國普通高校大學(xué)生競賽排行榜中唯一的物理類競賽，在全國范圍內(nèi)具有廣泛的影響力。2019—2023年，該競賽年均500多所高校2 000多支隊(duì)伍參賽，寧夏大學(xué)通過校內(nèi)選拔賽出了5支隊(duì)伍進(jìn)入入圍賽（每所高校限報(bào)5支隊(duì)伍），圖4為部分參賽作品（講課和制作），歷經(jīng)全國賽初賽和決賽，取得了不錯(cuò)的成績，同時(shí)筆者被評為優(yōu)秀指導(dǎo)教師，部分獲獎(jiǎng)證書如圖5所示。以學(xué)科競賽驅(qū)動(dòng)學(xué)生化被動(dòng)為主動(dòng)，且深度學(xué)習(xí)專業(yè)知識，讓教學(xué)更接地氣，從而豐富學(xué)生的專業(yè)知識儲(chǔ)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，參加競賽的同學(xué)后續(xù)保研、考研率達(dá)到98%，參加工作后3年內(nèi)職業(yè)進(jìn)階的達(dá)到80%，5年內(nèi)職業(yè)進(jìn)階達(dá)到90%，這表明課題組實(shí)施的課程建設(shè)充分符合社會(huì)層面的需求標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)”聯(lián)“學(xué)”，構(gòu)建了新工科人才實(shí)踐水平培養(yǎng)的重要途徑，充分發(fā)揮了新工科專業(yè)人才實(shí)踐水平形成的重要要素作用。

五? 制定多元的考核評定方式

考核方式影響著教與學(xué)的方向，也是檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的重要手段。以往的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)偏單一化，必然聯(lián)動(dòng)考核的單一性，即多以最后提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告為打分依據(jù)，從而脫離了過程，如操作情況和解決問題的能力。本課題組在前述的ODEC四個(gè)環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上，提出“1+1+X”模式的考核。第一個(gè)“1”是指含課前預(yù)習(xí)權(quán)重30%、課中實(shí)驗(yàn)操作權(quán)重30%、實(shí)驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)處理權(quán)重40%的過程考核。其中，課前預(yù)習(xí)包括課前觀看微課、完成題庫練習(xí)題至少一套和預(yù)習(xí)報(bào)告的撰寫（不再是機(jī)械照抄，而是要求在理解基礎(chǔ)上寫其精華部分）。課中實(shí)驗(yàn)操作部分通過課堂上教師巡查每名學(xué)生操作的具體情況，包括規(guī)范性、真實(shí)性、科學(xué)性和合理性，認(rèn)可后簽字，給出學(xué)生操作成績。課后學(xué)生完成并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師對實(shí)驗(yàn)報(bào)告的考察聚焦在數(shù)據(jù)處理情況、誤差分析情況和問題與討論，且最后的部分必須體現(xiàn)“課程思政”要素。第二個(gè)“1”是指對綜合性實(shí)驗(yàn)的考核，體現(xiàn)實(shí)踐性評價(jià)，教師給出若干設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生根據(jù)自己的興趣組隊(duì)，撰寫實(shí)驗(yàn)方案，利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器完成實(shí)驗(yàn)，以小論文形式提交并進(jìn)行答辯?！癤”主要聚焦創(chuàng)新性評價(jià)，指與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)度較大的成果如科技競賽、論文或者專利，根據(jù)成果質(zhì)量在前述兩種考核成績中額外加分。

圖6給出了2018年9個(gè)專業(yè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)平均分?jǐn)?shù)，以此為基準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)2019—2023年的成績變化，如圖7所示。從圖7中可以看到，2020年和2021的成績普遍下降，主要是因新冠感染疫情之故，導(dǎo)致授課形式和學(xué)習(xí)方式的局限性。2022年和2023年連續(xù)成績出現(xiàn)了很大提升，成績提升率最高約16.8%。這是一個(gè)可喜的趨勢，初步表明“1+1+X”體現(xiàn)了多樣化成績考核模式，“指揮”教與學(xué)上升到理論與實(shí)踐并重的層面，具有兼顧過程、結(jié)果和拓展的特點(diǎn)。

六? 結(jié)束語

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為理工科專業(yè)公共必修課程，受眾面廣、教學(xué)改革意義深遠(yuǎn)。課題組通過升級了教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化了教學(xué)方法、拓展了教學(xué)內(nèi)涵，構(gòu)建了ODEC四個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)模式，豐富了實(shí)踐課程教學(xué)資源，具有可操作性，有效彌補(bǔ)了以往大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)單一授課的不足，構(gòu)成了知識傳授、能力培養(yǎng)、價(jià)值塑造協(xié)同育人模式。探索了適宜于新工科理念的物理課程教改方向的路徑。由于教情與學(xué)情的動(dòng)態(tài)性，課題組將持續(xù)努力在教學(xué)實(shí)踐中不斷完善，課程已取得的成果為促進(jìn)兄弟院校課程建設(shè)起到拋磚引玉的作用。

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第一作者簡介：楊有貞（1979-），女，回族，寧夏吳忠人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)榇髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革。