陳東海 馬松山 段玉霞 歐陽方平

(中南大學物理與電子學院 湖南 長沙 410083)

近代物理實驗是針對高年級物理專業(yè)本科生的一門綜合性實驗課程.其實驗內(nèi)容大多取自獲得諾貝爾物理學獎的經(jīng)典實驗,這些實驗能很好地豐富學生的物理思想,激發(fā)他們的物理思維,在培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)和科研能力等方面發(fā)揮著重要作用[1].與基礎物理實驗課程相比,近代物理實驗專業(yè)性更強、綜合性更高,具體到教學方面,體現(xiàn)為教學內(nèi)容多、教學規(guī)模小、儀器設備貴等特點,如何根據(jù)其特點,有針對性地提高近代物理實驗的教學效果,是物理實驗教學需要研究的重要課題.

1 近代物理實驗教學的特點和約束性條件

近二十年來,國內(nèi)高校陸續(xù)開設近代物理實驗課程,總體而言這門課程正處于快速發(fā)展階段,已經(jīng)取得了不錯的教學成效.同時在實驗教學發(fā)展過程中也出現(xiàn)了不少突出問題.隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的飛速發(fā)展,原有的教學體系、方法、內(nèi)容和模式也應當與時俱進,以更好適應當前學生的特點和高校人才培養(yǎng)的目標要求.

1.1 近代物理實驗是綜合性的、獨立的課程

近代物理實驗不是依附于某個理論課程的附加性、嵌入性實驗環(huán)節(jié),而是一個針對高年級本科生的獨立的實驗課程.一個實驗內(nèi)容通常對應多個具體理論基礎,而不只是與理論教材中的某一個章節(jié)的知識點相對應;它不僅僅滿足于基礎性實驗所要求的驗證理論知識、學習操作方法、培養(yǎng)良好習慣等教學目標,而是更注重理論的交叉運用,并在此基礎上培養(yǎng)學生科研習慣,探索解決問題;同時,近代物理實驗還要求學生有較好的物理思維和實踐研究能力.因此,近代物理實驗課程是一門對基礎理論、物理思維和科研實踐均有較高要求的實驗課程,具有較強的綜合性和學科交叉性.

1.2 教師與學生是“多對一”或者“多對多”的關(guān)系

與理論課程或者其他實驗課程相比,在近代物理實驗課程中,教師與學生不是“一對多”的關(guān)系,而是“多對一”或“多對多”關(guān)系.一方面,由于實驗項目較多、各個教師的研究領(lǐng)域和教學方向不同,近代物理實驗課程的教學通常由幾名、十幾名甚至幾十名教師共同承擔.另一方面,不同于基礎性的實驗,近代物理實驗面向的學生只是物理學專業(yè),受眾面相對較小;而且近代物理實驗的儀器設備相對較為昂貴,學校一般配備設備數(shù)量少,因此通常采用分組形式組織教學.

1.3 課程教務工作量大

由于近代物理實驗是綜合性的實驗,相對難度系數(shù)大,所以大部分高校設置的課時比一般基礎實驗較長,國內(nèi)高校通常為3～6個課時不等,國外前沿高校更有以周為單位計算課時[2].加之采用小組上課模式,教師與學生在時間上協(xié)調(diào)難度大.由于實驗項目和科研進展的變化,教師的備課需要實時動態(tài)跟進,而且通常一次備課也只能針對一個學習小組.這種教師多、內(nèi)容雜、課時長、分組多的教學模式直接導致了選課、排課、考核等課程教務工作量的成倍增加.

1.4 教學內(nèi)容和教學方法靈活多樣

近代物理實驗具有較強的綜合性和學科交叉性,各個實驗項目在教學內(nèi)容、教學條件、教學方法等形式上千差萬別,整個課程難以用一種教學模式來組織.

1.5 課程思政元素亟待挖掘

近代物理實驗內(nèi)容大多來源于獲得諾貝爾物理學獎的經(jīng)典實驗,而這些實驗的知識點大多由西方科學家首先探索發(fā)現(xiàn).如果不深入了解我國老一輩科學工作者的愛國情懷和無私奉獻的精神,不深入了解當代物理科研的進展動態(tài),就難以在物理實驗教學中融入更多的中國元素,這是近代物理實驗課程思政亟需解決的問題.

1.6 課程與科研和競賽相輔相成

近代物理實驗課程中的很多內(nèi)容與當前科學研究課題直接關(guān)聯(lián),其理論基礎和物理思維也與各類物理競賽直接相關(guān).如何將教學內(nèi)容進一步深化并銜接前沿科學研究[3],如何利用實驗教學選拔推薦學生參加各類物理競賽,做到教學、科研、競賽互相融合、互相促進,將成為實驗教學的目標方向之一.

2 近代物理實驗教學流程模式探索

結(jié)合上述特點和約束性的條件,中南大學物理與電子學院對近代物理實驗課程教學流程做了一系列的探索改革,形成了一套相對穩(wěn)定的教學模式.

2.1 召開教學準備會 實施集體教研制度

每學期開課之前,近代物理實驗課程教務組召開集體教學準備會,根據(jù)人員設備變動、學生調(diào)研反饋、教學培養(yǎng)目標、最新科研項目成果[4]及其他動態(tài)因素,按照分層次、多元化[5]的原則調(diào)整確定近代物理實驗項目和教學內(nèi)容,以供學生選擇.組織教師集體研討教學方法和教學形式,編制講義資料、統(tǒng)籌課程教務.

2.2 開設近代物理實驗先導課程

在實驗選課之初安排2個課時的先導課程,主要由教師簡要介紹各個實驗項目的實驗內(nèi)容、理論基礎、方法步驟和作用意義等,極大調(diào)動學生的實驗探索興趣和創(chuàng)新動力[6],也便于學生根據(jù)自身興趣和各自知識儲備優(yōu)勢等具體選擇實驗項目.同時,對課程預習、實驗操作、撰寫報告等提出規(guī)范要求,明確課程要求、操作規(guī)程、評分標準.另外,在先導課程中,可以融入一些中國元素,比如,在講普朗克實驗時,可以用葉企孫先生的測量結(jié)果與普朗克常數(shù)進行比較;在講到拉曼實驗時,可以提及鐃毓泰、吳大猷和沈壽春先生的實驗故事,通過引入這些中國科學家的科研經(jīng)歷和愛國故事,激勵學生的愛國熱情,通過融入思政元素進一步激發(fā)學生的學習興趣.

2.3 學生組隊 小組選課

近代物理實驗為必修課,具體實驗項目由學生自選.由于受實驗場地、設備等因素制約,近代物理實驗通常采用小組教學.學生根據(jù)自身興趣和知識結(jié)構(gòu),結(jié)成不同的學習組、研究組,再以小組形式選擇實驗項目和實驗內(nèi)容[7],形成最終的課程計劃.近代物理實驗教學流程如圖1所示.

圖1 近代物理實驗教學流程

2.4 學生預習

課程教務組根據(jù)教學準備會的部署編制《近代物理實驗》預習冊,學生根據(jù)下發(fā)的實驗教材、講義,或者結(jié)合慕課、翻轉(zhuǎn)課堂進行實驗預習,完成預習報告的作答,對疑難問題做好記錄,等待實驗探索或者向指導教師提出.

2.5 組織教學和實驗

這一過程形式多樣,根據(jù)具體實驗項目不同而不同.教學形式可以是線上,也可以是線下,或者線上線下結(jié)合.教師可以理論輔導,也可以實踐引導,學生可以自主探索,也可以尋求指導.教師應當挖掘與本實驗相關(guān)的課程思政元素和當前相關(guān)科技的前沿進展,持續(xù)調(diào)動學生積極性.學生根據(jù)自身預習情況,主動探索,自由實驗,樂學創(chuàng)新[4],在發(fā)現(xiàn)和解決問題的過程中提升能力.師生之間在相互交流研討過程中完成實驗.實驗數(shù)據(jù)記錄在預習冊中的專用數(shù)據(jù)記錄頁面內(nèi),并由指導教師簽字.

2.6 提交實驗報告

學生需將預習冊中經(jīng)過指導教師簽字的數(shù)據(jù)活頁取下來粘貼到實驗報告上,并依據(jù)該數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理和分析.

2.7 成績評定和總評成績

針對實驗課程制定詳細的評分標準.各個實驗項目成績是由指導教師把實驗預習、實驗操作、實驗報告按20%、40%、40%的比重加權(quán)而成,學生課程總成績?nèi)「鲗嶒烅椖砍煽兊钠骄?如果學生在實驗過程中對某個實驗有進一步研究探索工作或者成果,如對某個實驗項目有改進思路或做法、有論文成果等,則由課程教務組對該學生的總評成績進行加分.

2.8 課后深化

完成實驗后,部分學生可以根據(jù)實驗探索找到興趣點和突破點,并繼續(xù)深化研究,甚至申請專利或發(fā)表論文等.教師也可以通過課程教學來豐富自身科研思路和成果,同時,根據(jù)學生表現(xiàn),進一步引導學生從事科研工作,推薦學生參加相關(guān)物理競賽等.

2.9 課程反饋總結(jié)

從兩個層面組織課程調(diào)研.一是指導教師在該實驗內(nèi)容結(jié)束之后現(xiàn)場征詢學生意見,二是學期結(jié)束之后通過微信群、QQ群等征詢學生意見.了解對某個實驗項目或者整個實驗課程的心得體會,哪些實驗項目有意義,哪些實驗項目需要改進,哪些實驗項目可以增加或者刪減,哪些流程可以優(yōu)化,哪些指導教師需要改進等.調(diào)查問卷(節(jié)選)如表1所示.

表1 近代物理實驗課程調(diào)查問卷樣例(節(jié)選)

比如,我們從最近的一次調(diào)查問卷結(jié)果發(fā)現(xiàn),80.7%的學生希望能采用彈性課時模式,即根據(jù)實驗內(nèi)容調(diào)整課時,而不是所有實驗都按一個課長標準;90.3%的學生更傾向于進行線下實驗而不是線上實驗或者仿真實驗;17.7%的學生希望把磁性物理相關(guān)實驗放到第二個學期,等等.課程教務組就可以根據(jù)這些反饋結(jié)果對后續(xù)的實驗進行變動調(diào)整,提高實驗教學質(zhì)量.

3 本教學模式的特色

(1) 通過開設先導課,學生可以粗略了解各個實驗項目的理論基礎、實驗目的、方法步驟等基本情況,然后結(jié)合自身知識結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和興趣愛好進行選擇,而不是憑實驗項目名稱、憑“眼緣”或“手感”來選擇[8].

(2) 先導課的另一個重要作用是承載課程思政內(nèi)容,在教學過程中科學合理地拓展課程的內(nèi)容,融入經(jīng)典實驗背后的中國元素案例和前沿科技的熱點領(lǐng)域,將這些思想價值和科學精神等元素結(jié)合專業(yè)知識傳遞給學生[9],達到提高教學效果的目的.

(3) 通過小組教學能夠充分利用教師的科研設備和場地,緩解了近代物理實驗專用教學儀器設備和場地不足的問題,既實現(xiàn)了教師與學生之間“多對一”“多對多”地銜接,也滿足了各個實驗項目在教學模式上的共性與個性的統(tǒng)一,提高了教學效果.

(4) 實驗項目、講義資料、預習冊等按學期動態(tài)同步調(diào)整,在教學目標的框架內(nèi),以學科建設為支撐,把最新的科研成果引入到近代物理實驗中,既適應了儀器設備具體實際,也結(jié)合了教師的科研進展,還滿足了學生的學習需求,較大程度上提高了實驗教學的效果.

(5) 實驗課程與科研、競賽對接,實現(xiàn)教學相長.在提升學生探索研究能力的同時,也為各類物理競賽作了人員選拔和推薦儲備.目前,本科生進入科研實驗室并參與研究已經(jīng)成為我院常態(tài),實驗教學也成為學生參加全國大學生物理學術(shù)競賽(CUPT)和大學生物理實驗競賽等賽事的重要引導要素.

4 結(jié)束語

從“立德樹人”的根本任務出發(fā),將課程思政融入近代物理實驗教學,落實“學生為主體,教師為主導”的教學理念,激發(fā)學生的學習興趣和主體意識,以學習小組、研究小組的形式自主選擇實驗項目,不斷優(yōu)化實驗教學中的各個環(huán)節(jié)和流程,形成一套相對穩(wěn)定又可動態(tài)調(diào)整的教學模式,對課堂教學過程的具體教學方法保持開放的態(tài)度,尋求不同實驗教學內(nèi)容在共性與個性上的統(tǒng)一,在實驗教學中對接教師科研進展和物理實驗競賽,培養(yǎng)學生的物理思維和研究能力,達到全面提升實驗教學效果的目的.