以工程思維能力培養為導向的大學物理實驗教學改革與創新

樊英杰

（西北工業大學明德學院通識教育學院，西安 710124）

0 引言

近年來，隨著國家戰略發展和科學技術的不斷進步，國際競爭形勢日新月異，國家對工程技術人才的要求越來越高，需求越來越大，工程教育改革日益迫切。隨著教育部組織實施的“復旦共識、天大行動、北京指南”三部曲的展開，新工科建設成為了當下教育改革話語中最為矚目的關鍵詞，其建設內涵主要體現在“以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念；以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑；以培養未來多元化、創新型卓越工程人才為主要目標”的人才培養模式上。新工科建設之所以體現在“新”字上，不僅僅是指高等院校對傳統工科、新型工科和新興專業的“轉型升級”“存量更新”和“增量互補”上，而且還體現在對工程學科的建設工作和卓越人才的培養始終要處于“新”的狀態［1-3］。

物理學是探究物質基本結構和運動規律的自然科學，物理學中的每個概念的建立、每個定律的發現都是源于工程思維和實驗論證的結果。物理實驗是理工科學生進入大學以來接觸的第一門實踐性課程，是學生接受系統實驗方法和實驗技能訓練的開端，是應用型人才培養的有效途徑，是提升學生綜合素質，培養學生工程思維能力和創新思維精神以及實踐動手能力的重要環節。雖然大學物理實驗的地位和作用日益突出，具有其他課程無法替代的功能，但隨著社會的發展和科學技術的日益進步，目前的大學物理實驗教育已無法滿足現代社會的需求，同時無法滿足“新工科”建設下的質量與人才培養的要求［4-7］。

1 大學物理實驗教學現狀

（1）課程地位層次低、不重視。大學物理實驗是理工科高校學生通識教育的基礎課，是培養學生工程思維能力和科技創新能力的基礎學科，理應受到學校各個層面的高度重視，但現實是，大部分高校的基礎課程并非優勢學科，有限的經費投入與儀器設備更新換代需求之間的矛盾以及教學效果和教學目標之間的落差，使得該課程在學校層面定位不高、重視程度不夠［8］。具體表現：①在實驗課程學時設置上，刪減課程工作量，減少課程內容，少開實驗項目；②在實驗室建設上，經費投入少、實驗套數少，儀器設備運行時間長、設備陳舊、讀數誤差大、難以維護；實驗室面積小、環境差，嚴重影響教學效果［9］等。

（2）教學模式枯燥、不創新。大學物理實驗課程作為高等工科學院各專業教學體系中尤為重要的必修課，不僅培養學生的實踐動手能力，而且還可以培養學生發現問題、分析問題和解決問題，同時也可以培養學生的自我查閱資料以及進行公式推導和實驗方案設計的能力［10］。但當前的大學物理實驗教學模式受傳統思想的影響，國內大部分高校實驗教師尚停留在以往的教學理念之中，教學模式過于單一枯燥，這樣不僅不利于學生主動接受物理實驗知識，而且也不利于培養學生科技創新能力和工程思維能力。

（3）教學方法單一、不變通。通過調研，目前國內大部分高校的大學物理實驗課程教學模式相對固定，教學方法比較單一，教師以自身為主體，仍然采取“課前（學生預習）——課中（教師講解/教師演示/學生操作/教師點評）——課后（學生上交報告/教師批改）”3段式教學流程，學生學習的主動性和積極性得不到發揮，學生只能被動接受；同時也忽視物理學本身特點，沒有起到與后續專業課程的兼容性和互補性，缺乏變通意識，對培養學生獨立分析問題、解決問題的能力沒有起到很好的作用。

（4）學生態度消極，不在意。通過教學發現，學生對實驗課的重視程度遠遠低于理論課，一堂3 學時的實驗課學生能夠集中精力聽講的不到一半，這就無疑使教學效果大打折扣。不少學生在實驗課程教學中只是走過程，實驗中無序操作，導致實驗結果出現嚴重偏差，甚至有可能會損壞實驗設備，最終導致實驗報告只能生搬硬造，甚至出現嚴重的抄襲現象。

（5）考評方式傳統、不新穎。從目前來看，國內大多數高校對大學物理實驗的考評方式仍按照學生課前預習、課中實際操作、數據測量、課后實驗報告4 部分成績加權匯總為最終成績的考評方式。這種傳統考評方式導致學生重點都放在了實驗報告上，而對中間環節作之甚少，甚至有些學生上課不認真聽講，課后在需要提交報告時抄襲或者篡改別人的實驗報告來蒙混過關。因此說，這樣的考評方式不能促進學生更好地掌握知識，也不能很好地體現學生真實水平，甚至還會助長抄襲之風。

（6）隊伍建設與現狀相背、不協調。實驗室是培養學生實踐動手能力和科研創新能力的基地，是保證高校實驗教學順利進行和提高教學質量的前沿陣地。實驗技術人員是實驗室建設的主力軍和重要的管理者、維護者，實驗技術人員的綜合素質、業務水平、創新能力的高低直接關系著高校實驗室建設的成?。?1］。但是目前高校在實驗隊伍建設上存在很多的不協調，嚴重地影響了實驗技術隊伍的穩定性和工作積極性，主要表現在：①隊伍建設規模與定編標準不協調；②隊伍補充機制與崗位要求不協調；③隊伍建設與學校重視程度不協調；④學歷層次職稱結構與教師要求不協調；⑤年度考核與教學任務不協調；⑥職稱評審與工作業績不協調；⑦培訓體系與教師再發展不協調；⑧工程技能與“雙師型”建設不協調等。

因此，鑒于國內高校（特別是地方地區）大學物理實驗教學存在的問題，筆者結合國內地方高校在大學物理實驗教學的現狀及多年來在大學物理實驗教學過程開展的一些工作嘗試，提出大學物理實驗教學改革的思路和改革措施，探討作為自然科學基礎的大學物理實驗如何在新工科建設背景下發揮其特有功能來激發學生的學習興趣，培養學生的科技創新能力和工程思維能力，以促進大學物理實驗整體教學水平不斷創新和提高。

2 大學物理實驗教學改革思路和目標

大學物理實驗是高等院校理工科各專業學生進行科學技能訓練的一門基礎課程，是培養學生利用各種工具、科學方法和工程理論進行分析問題，解決問題的開端，是培養學生工程實踐技能訓練的搖籃。然而，隨

著科技的不斷進步和國際競爭形勢的日新月異，企業對工程技術人才的需求越來越高，作為國內地方高校不能盲目追求國內優勢高校的辦學目標和辦學模式，而必須與地方發展和人才需求多元化相適應，打造具有鮮明特色的教育模式，培養具有地方特色和行業需求的生產、建設、服務和管理的一線應用型人才［12］。這就要求在大學物理實驗教學過程中要緊密結合市場需求，構建以學生為主體，以工程理論與工程實踐為基礎，以培養具有現代科學技術和工程思維能力為要求的多層次的實踐教學體系；同時構建以信息技術和互聯網技術結合的多元化教學模式和靈活多變的教學方法，將課內教學與課外實踐相結合，充分利用現有資源和社會環境，增強辦學活力，營造良好的學習氛圍，激發學生的活力，提高學生綜合素質，以實現為各類崗位輸送復合型、應用型科技人才［13］。

3 大學物理實驗教學改革建議和措施

3.1 突破傳統思維，更新教學理念

大學物理實驗課程不同于其他實踐課程，是學生進入大學以來的第一次實踐嘗試，成功與否關系著后續課程學習的態度，更重要的是在培養學生科學素養和工程思維能力方面具有其他課程無法替代的作用。高校應當站在學校的層面上突破傳統思維定式，改變傳統的教學理念，審時度勢，高度重視大學物理實驗的教學和實踐工作，突出以學生為中心，強化大學物理實驗在工程技能人才培養方面的突出地位，爭取在實驗室建設、教學環境改善、教學方法優化、師資隊伍建設、績效考評等方面給予政策支持和經費投入，爭取為創建雙一流學科建設方面貢獻應有的智慧和力量。

3.2 整合實驗內容，構建分層次的教學體系

為了增強學生學習的有效性，結合我院實際情況和新工科建設基本要求，依照訓練層次和專業需求，改革原有實驗教學體系，并對原有實驗按照實驗內容重新整合，構建以基礎性、綜合性、設計性、研究創新性、科技探索性實驗為核心內容的5 大教學模塊新體系。

（1）基礎性實驗。主要培養學生學習基本物理量的測量、掌握常用儀器設備的使用和了解物理實驗的基本知識（包括實驗室守則、考核標準、數據處理等）、流程和實驗規范等。如伏安特性研究、透鏡焦距的測定、重力加速度的測量、分光計的調整與使用等。其目的是確保學生夯實物理實驗基礎，為進一步提升學生綜合實驗能力打下良好基礎。

（2）綜合性實驗。旨在培養學生綜合使用多種儀器設備的能力，鍛煉學生對所學知識、技能的準確運用。如楊氏模量的測定、惠斯通電橋測電阻、光柵常數的測定、熱敏電阻的測量等，其目的是為了培養學生嚴謹細致的科學作風和獨立自主分析問題解決問題的能力。

（3）設計性實驗。設計性實驗是源于課本又高于課本，是學生在原有實驗內容的基礎上自己設計方案并獨立完成的實驗，或以團隊合作形式，圍繞基礎理論為題，以科研方式進行的實驗。如數字溫度計的設計、電表改裝與校準、利用電位差計測電阻等。其目的是激發學生的學習潛能，形成專業的基本素養和基本技能，培育科技創新能力。

（4）研究創新性實驗。研究創新性實驗是基于綜合性和設計性實驗之上的，是最接近科學前沿的實踐性實驗。是學生在輔導老師的指導下通過研究課題自己獨立設計完成的實驗，如微小形變量的測量、AD590特性研究與數字溫度計的設計等。其目的是為了培養學生綜合運用多學科知識、技能和方法來設計實驗方案，同時也要求學生能夠通過所學知識去發現問題、分析問題和解決問題。

（5）科技探索性實驗?？萍继剿餍詫嶒炇俏锢韺W原理在現代生產、生活中的應用實例，引導和啟發學生從理論和實踐兩個方面對科學實驗現象做進一步的探究和思考，了解物理奧秘，揭示事物的本質。如醬油光學實驗、線上小球實驗等。其目的是為了進一步激發學生學習科學知識的興趣，培養學生的綜合實驗素質和科技創新能力。

3.3 改變教學思維，構建多元化的教學模式

隨著科學研究的不斷深入，大學各個專業設置趨向于多元化，不同專業對開設大學物理實驗的廣度和深度要求都不一樣［14］，這就決定了傳統的物理實驗教學模式已經不能適應當下各專業對大學物理實驗基本技能訓練的要求，因此，結合我院實際情況創設改變教學思維，構建多元化的教學模式，即分層次教學、項目式教學和虛實結合網絡化教學，以適應當下各個專業對人才培養的要求。

（1）分層次教學。結合學院不同專業和學生的實際水平，依照物理實驗的教學目的和實驗內容按照基礎類、綜合類、設計類、研究創新類和科技探索類對教學設計進行細化，宏觀上確保各個教學環節相互銜接、層層遞進，盡可能發揮每個實驗設備的應用功能，利用現有資源充實實驗內容，確保整個教學過程連貫協調，并最大限度開發學生的主觀能動性。

具體實施過程：①對計算機信息類專業完成基礎類（含緒論部分共6 個）+綜合類（6 個）+科技探索類（4 個）實驗項目共48 學時設置課程；②對機械類專業完成基礎類（含緒論部分共6 個）+綜合類（8個）+設計類（2 個）+科技探索類（2 個）實驗項目共計54 學時設置課程；③對工程類專業完成基礎類（含緒論部分共6 個）+綜合類（8 個）+設計類（2 個）+研究創新類（2 個）+科技探索類（2 個）實驗項目共計60 學時設置課程。

（2）項目引導式教學［15］。主要是基于新工科建設背景下國家對工程技術人才需求出發，多方考慮如何培養學生的工程實踐技能和工程思維能力，從而為學生的后續專業課程學習和盡快參與課題做好鋪墊。因此，結合我院實際教學科研情況，要求各位教師在現有實驗內容的基礎上進一步開發設計實驗項目，以科研課題的形式對實驗內容進行教學。

具體操作流程：引入案例——解剖實驗——學生操作——教師拓展——完成項目——回歸工程。如微小形變量的測量實驗，教師從工程案例（如橋梁形變、懸臂梁的形變等）中的微小形變對工程質量影響引入課題，解析課題，學生查閱文獻資料設計實驗方案（教師審閱、指導），學生完成實驗內容（教師適當輔導），教師對實驗項目點評并拓展實驗項目，然后學生在教師的指導下繼續完成后續課題，最后將項目成果應用于工程領域。

（3）虛實結合網絡化教學?；诨ヂ摼W（5G 技術）和信息技術下的多媒體混合式教學的一種模式，如云課堂、雨課堂、中國大學生MOOC、iLab 智慧實驗室等平臺［16］，通過翻轉課堂、模擬實驗、仿真實驗、PPT課件、微課和小視頻等手段進行線上線下相結合的一種實驗教學方式，是一種不受時間和空間的限制，充分發揮網絡媒體的作用，沖破學校圍墻的束縛，實現開放式、個性化的線上線下的課程互動式的教學方式。

3.4 創新思維模式，構建多樣化的教學方法和方式

目前國內大部分高校采用的是以教師為主導的傳統式實驗教學方法，即：“講授——演示——模仿”的3段式教學流程，教學方法固定單一，教學效果不佳，學生只能被動式接受課程內容，特別不利于學生的探索精神、創新意識和創新能力的培養［17］。因此，為了激發學生學習的興趣，培養學生的工程性思維、創造性思維和實踐動手能力，教師就必須拋棄傳統的教師主導型教學方式，采取以學生為主體的教學方法。

（1）集中授課法。指以教師為主導，學生被動接受，采取課堂整體講授的一種教學方法，集中授課保證了全體學生掌握基本方法、基本技能、基本理論，個別指導有助于學生個性發展，主要在基礎實驗中多使用該方法。

（2）同伴教學法［18］。指教師在實驗中巧設疑問引導學生發散思維、求異思維，多方位、多角度思考和參與討論問題，增加學生與學生之間、學生與教師之間的互動，充分調動學生積極參與。教師利用這種多向交流的教學方法以實現教學目標，收到事半功倍的效果，不但激發了學生自主學習、合作學習的機會，又培養了學生的團隊協作精神。主要在基礎實驗和綜合性實驗中使用該方法。

（3）自主實驗法［19］。指實驗的整個過程自主探索、啟發、引導、學習、研究的過程。在這個過程中教師要注意創設實驗情境和氛圍，激發學生自主實驗的動機，積極調動學生探索實驗的積極性，讓學生主動地去研究、去實驗、去探索。主要在研究創新性實驗和科技探索性實驗中使用該方法。

3.5 創設問題情景，構建全方位評價體系

通過調研國內大部分高校的大學物理實驗成績采取平時成績+實驗成績兩部分來考評，其中平時成績又分為考勤+預習報告兩部分組成，實驗成績則為實驗操作+數據測量+實驗報告3 部分組成。這樣的考評方式與“新工科”建設要求體現“教育新理念”的思想相違背，并不能充分反映學生的真實水平，也無法體現學生的實踐動手能力和探究能力等。因此，通過多方調研+問卷調查的方式，最后采取課堂實時評價［20］+過程性評價［21］+素質教育三者相結合的多元化考核評鑒標準，其中課堂實時評價標準關注學生課堂參與度（如動手能力、提出問題的能力、語言表達能力、討論研究能力等）；過程性評價關注學生閱讀教材和查閱資料的能力、實驗創新能力等；素質教育考核學生的組織協調能力、團隊協作能力和實驗室5S管理執行力等。

4 結語

隨著高等教育改革的不斷推進，新工科背景下的工科專業必將快速發展，工程化教育理念下的人才培養模式必將成為高等教育改革的主流，而作為自然科學基礎的大學物理實驗在新工科人才培養過程中具有責無旁貸的作用，結合我院大學物理實驗教學現狀和存在的問題，提出了大學物理實驗教學改革的思路與措施，構建了以學生為主體，以工程理論與工程實踐為基礎，以培養具有現代科學技術和工程思維能力為要求的多層次實踐教學體系，采取多元化的教學模式和多樣化的教學方法以及全方位的評價體系，最大限度地激發了學生的活力，使學生從被動式學習轉化為主動探究式學習，提高了學生的科學思維能力、實踐動手能力和工程思維能力，從而為提高大學物理實驗教學質量和教學效果提供了保證。