電磁學實驗課程教學創新設計*

張平麗

(吉林師范大學物理學院 吉林 四平 136000)

電磁學實驗是物理學專業的一門重要的專業基礎課程,其實驗思想和方法已滲透到物理學的各個研究領域,掌握電磁學實驗思想和方法是物理工作者必備的科學素養.通過本課程的學習,能夠使學生利用電磁學實驗儀器設備得到與實驗條件相符的結論,并提出改進措施,培養學生嚴謹的科學態度和分析問題的邏輯性與條理性,同時也為學生將來從事中學物理教學提供了豐富的知識、思想和方法.該課程涉及實驗項目較多、實驗原理復雜、初學者很難系統掌握,如何改進教學模式和教學方法,成為亟待解決的問題.

1 創新思路

1.1 學情分析

課程授課對象是物理學專業二年級學生,此階段學生已經學習了電磁學、力熱實驗等學科專業基礎課,具有一定的電磁學理論基礎和大學物理實驗思想,掌握了一定的數據處理方法,但尚未涉及電磁學實驗部分,對電磁學實驗思想和方法充滿了好奇,但知識和技能儲備明顯不足.

1.2 教學目標

依據物理學專業培養方案,設計了電磁學實驗4方面的教學目標,分別是知識構建、技能目標、素質目標和思政目標,下面是具體表述.

知識構建：掌握電磁學常用儀器的基本原理和調試方法,學會正確處理測量數據與分析實驗誤差.

技能目標:能夠熟練處理多個電磁學物理量,具有一定的分析和解決電磁學問題的能力.

素質目標:培養學生運用所學知識來分析和解決實際問題的能力,培養科學思維、創新精神和嚴謹態度.

思政目標:培養學生的家國情懷和民族精神,養成精益求精的工匠品質,樹立實事求是、追求真理的科學價值觀.

1.3 聚焦問題

傳統的電磁學實驗教學存在以下幾個痛點問題:

一是在教學過程中往往以教師為中心,生硬地將實驗原理和操作方法傳授給學生,教學方法手段相對落后,導致學生學習興趣不足,參與度較低;

二是課程體系結構僵化,實驗內容抽象、脫離生活實際,缺乏前沿性和時代性的探索;

三是課堂教學過程中,重視知識的傳授,輕視能力培養,忽略學生自我價值的塑造,課程育人功能不完善;

四是課程的評價方式較單一,重結果輕過程,挑戰度不夠,過程考核量化不足.

針對以上的痛點問題,推動本門課程的教學創新勢在必行.課程團隊以“學生中心、產出導向、持續改進”為創新理念,重塑教學內容,優化教學設計,提高課程的高階性、創新性和挑戰度.

2 創新舉措

2.1 重構教學內容

電磁學實驗課程涉及實驗項目多、實驗原理復雜、往往會給初學者帶來畏懼情緒.因此,結合師范類專業學生實際情況以及學生未來的發展需要,我們從整體上優化課程內容,重組課程結構,構建以科學素養為核心的課程體系,重構后的實驗項目如圖1所示.課程內容不再單單以驗證性、綜合性和設計性實驗來區分實驗項目的屬性,而是縱觀整個電磁學的發展史和學科前沿重構了教學內容[1-2].精選電磁學領域具有代表性且與現代科技前沿領域相關的實驗,以電學和磁學為兩大主線將電磁學實驗細分為預備性實驗、基礎性實驗、綜合性實驗和設計性實驗4個部分[3].同時,將現代物理知識和傳統經典物理知識相結合,將近代物理的內容融合到教學內容中,將電磁學實驗知識與現代科學技術發展緊密結合,增加和電磁學實驗緊密相關的現代物理熱點專題介紹[4].始終把培養學生的科學思維能力和創新精神貫穿到整個知識傳授的過程中.并深入挖掘本課程中蘊含的思政教育元素,把思想政治教育有效融入教學實踐的整個過程中,注重傳播科學精神和大國工匠精神,做到潤物細無聲,真正做到育知和育德的有機融合.

圖1 電磁學實驗課程教學內容重構

落實到具體的課程內容設計中,以電學和電子學基本儀器與訓練為基礎,進而引申到電磁學綜合性實驗探究與設計,以基本原理和典型實驗現象為主題,同時融科學素質和課程思政教育于課程教學中,注重知識的擴展和深化,注重抓住一些典型實驗內容突破的過程進行深入探索,闡述科學家是如何應用猜測和假設提出科學問題,并利用科學思維、創新思維和邏輯思維做出關鍵性突破.同時,還會根據具體實驗內容探討一些與生活實踐和科學前沿領域相聯系的知識.例如,我們在講授鐵磁物質動態磁滯回線測試這一實驗時,會介紹各種鐵磁材料目前在磁存儲器、航空航天和機器人等領域的應用以及巨磁阻效應等科學前沿知識;在講授伏安法測二極管特性實驗時,介紹目前有關發光二極管發光材料的前沿知識及其應用;在講授霍爾效應及其應用實驗時,會介紹量子霍爾效應、分數量子霍爾效應以及薛其坤院士領銜團隊發現的量子反?；魻栃瓤茖W前沿領域知識,使學生們了解即使是在零磁場中也能實現量子霍爾效應,培養學生的科學思維和探索精神.而在講授電磁學綜合性實驗時,介紹變化的電磁場在實際生活領域如電磁爐的應用等.

2.2 改善教學方法

由于電磁學實驗課程內容系統性強,實驗內容抽象,實驗原理復雜,學生學習的難度較大,對電磁學實驗的學習有畏懼情緒,所以,在教學過程中主要采用學生主動學習為主、教師教學為主導的教學方法,始終將學生創造性思維能力的培養貫穿于教學的全過程.同時根據教學內容的特點,開展啟發式、類比式、討論式、研究式[5]等教學方法,啟發學生發現問題、分析問題和解決問題,引導學生領悟物理實驗思想,掌握電磁學實驗涉及的基本原理、實驗設備和實驗方法,建立辯證唯物主義世界觀,培養學生的創新精神和科學素養.落實到具體的實施方式上,例如,在講解霍爾效應實驗時,首先介紹利用對稱測量法消除副效應影響,其他的系列實驗如用霍爾元件測量載流線圈軸線上的磁場和螺線管內的磁場則留給學生在課堂上來探索,實現啟發式教學;而在講解雙臂電橋測低電阻實驗時,教師可以通過與惠斯通電橋測電阻的類比結合來講,這樣既可以使學生更好地區別二者所適用測量電阻范圍的不同,又可以加深對二者實驗原理的理解和掌握;對于部分較簡單的實驗,要求學生利用現有的儀器設備自主設計實驗,探究實驗結果,培養學生的創新思維和探究精神.

在教學手段上,課程團隊結合“學生中心、產出導向、持續改進”的教育理念,構建了基于“數字化信息平臺+微課技術手段+翻轉課堂”的混合式教學模式,將教學過程劃分為課前預習、課堂教學、課后復習3個環節.課前預習環節,教師端通過信息化網絡渠道發布微課教學資源、學生端自主預習,觀看視頻課件,完成測驗和實驗預習報告,此過程側重基本概念和實驗原理的學習和理解.課堂教學采用翻轉課堂、隨堂練習、小組討論、實驗探究和虛擬仿真實驗等開展研討式教學,創設教學情境,并利用生動形象的情境引導學生展開相應實驗的探究,側重培養學生提出問題、分析問題和解決問題的能力.課后復習環節,教師端利用數字化信息交流平臺答疑解惑,分析數據,掌握學生實驗數據處理情況和實驗報告撰寫情況,及時指出學生的學習問題,以加深對教學內容的理解,側重培養學生實驗后的反思.學生端完成實驗報告和相應測驗,開展拓展研究和分組探究,學以致用,開展教師評價和生生互評,從而實現課前、課中及課后教學的無縫銜接,構建師生學習共同體.

2.3 多維教學評價

傳統教學模式下實驗課程考核方式的主要形式是課堂表現和實驗報告,這種考核形式主要檢驗學生對實驗內容的理解和掌握情況,對于學生拓展思維及所學知識運用到實踐的能力難以考核.為了改變這種單一化考核模式,我們在教學實踐中強化過程性考核,設計多元化考評體系,主要采用過程評價與總結性評價相結合的方式,過程性考核主要包括課前預習情況、隨堂練習、專題討論、虛擬仿真、實驗操作、實驗報告、課程實踐情況等.專題討論環節主要通過設置學科前沿領域相關課題,考查學生對學科前沿知識、新技術、新成果、新發展的了解程度;課程實踐環節通過布置運用所學知識自主設計探究實驗,錄制實驗視頻,考查學生拓展思維和運用所學知識解決實際問題的能力.

本課程通過過程性評價和總結性評價相結合建立了一套科學全面的電磁學實驗課程考核評價體系,以考促學.過程性考核方式改變了以課堂表現和實驗報告撰寫情況評定學生成績的傳統辦法,這種考核辦法不僅能考核學生拓展思維和運用所學知識解決實際問題的能力,同時也能促進學生對學科前沿領域知識的探索和掌握,極大地激發學生的學習興趣.

3 創新成效

3.1 學生成效

通過電磁學實驗課程的教學創新設計,學生的實驗能力有了較大幅度的提升和鍛煉.基于該課程,課程教學團隊指導本科生參加 2021 年第七屆全國大學生物理實驗競賽獲得國家級二等獎 1 項、三等獎 1 項;2021 年第三屆吉林省大學生物理實驗競賽獲得省級一等獎 3 項,二等獎 3 項;2022 年第四屆吉林省大學生物理實驗競賽獲得省級一等獎 1 項,二等獎 3 項,三等獎 2 項.

3.2 教師成長

同時,電磁學實驗課程創新設計實施過程中,教師的教學能力也得到了提高.基于該課程,課程主講教師獲得2022 年第七屆全國高等學校物理基礎課程(實驗)青年教師講課比賽吉林賽區二等獎,東北賽區二等獎;課程團隊成員獲得 2018 年第四屆全國高等學校物理基礎課程(理論)青年教師講課比賽吉林賽區一等獎,東北賽區三等獎,吉林省首屆超星杯智慧課堂教學大賽二等獎等獎項.

4 教學反思

本課程采用的混合式教學模式,結合一些數字化教學資源以及手段,對現有教學內容和教學設計進行創新,實現課前、課中、課后3個環節的緊密配合,能有效地提高學生的學習興趣,培養學生的創新思維能力.相對于傳統課堂來說,學生更偏好于混合式教學模式,這種教學模式對提高學生學習興趣方面起到了積極作用.但是,在教學設計和實施流程上還存在提升空間,例如在互動技巧的應用、業界發展最新成果的運用、智慧教學環境強大功能的利用、思政元素案例的引入等.整個教學過程中,我們注重思考和反省教學過程中存在的問題,留意教學中的閃光點和小瑕疵,及時捕捉并記錄點點滴滴的想法,通過教學的反思,指導教學并優化教學,教無止境,在教學實踐過程中逐步提高教學能力,追求真正的教學藝術.