鐘小麗

（華南理工大學物理與光電學院 廣東·廣州 510641）

0 引言

在全球“新工科”迅猛發(fā)展的形勢下，華南理工大學2019年提出了“新工科F計劃”，以致力于加快培養(yǎng)工具理性與價值理性兼?zhèn)?、復合知識與核心能力（思想力、學習力、行動力）兼?zhèn)洹⒓覈閼雅c全球視野兼?zhèn)涞摹叭齽?chuàng)型”（創(chuàng)新、創(chuàng)造、創(chuàng)業(yè)）工科領軍人才為己任。人才的培養(yǎng)離不開課程?！靶鹿た啤北尘跋碌娜瞬排囵B(yǎng)迫切需要一流的大學物理實驗課程的有力支撐。這取決于物理學科的工程基礎性和自身完備性。一方面，“新工科”背景下的人才培養(yǎng)是服務于新工科專業(yè)。無論是屬于“存量更新”的新型工科專業(yè)，還是屬于“增量補充”新生工科專業(yè)和新興工科專業(yè)，都離不開物質(zhì)世界物理原理的應用。另一方面，物理學是一門基于實驗的科學，一輪完備的大學物理實驗課程的學習過程就是培養(yǎng)和激發(fā)學生思想力、學習力和行動力的絕佳機會。因此，有必要探究如何打造“新工科”背景下的一流大學物理實驗課程，使之更好地承擔“現(xiàn)代技術源泉和先導”之責任，更好地服務華南理工大學“新工科F計劃”。

高校教材是高等學校教育教學的基本依據(jù)，是解決培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人這一根本問題的重要載體。高校教材建設是課程建設內(nèi)涵式發(fā)展的重要抓手。華南理工大學作為“雙一流”建設高校和高水平大學，有責任響應教育部指示（《普通高等學校教材管理辦法》，教材〔2019〕3號），發(fā)揮學科優(yōu)勢，積極組織編寫教材。因此，在大學物理實驗的課程改革中，我們將教材建設作為一個重要的環(huán)節(jié)。

1 教材建設的出發(fā)點和著眼點

物理學是一門實驗科學，正如著名華裔科學家丁肇中教授所說：“物理學是從物理實驗中產(chǎn)生的”。在物理學的發(fā)展中，任何一部分物理知識的獲得都離不開實驗。提供事實、驗證理論、測定常數(shù)、推廣應用等都是實驗在物理發(fā)展史中的作用。大學物理實驗作為大學生進校后的第一門必修科學實踐課程，是大學生接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能的開始，在培養(yǎng)學生的科學素質(zhì)、實踐能力、創(chuàng)新能力和科學精神方面起著重要的作用。此外，憑借豐富的物理學史，大學物理實驗在學生的人文精神熏陶以及美育教育等方面也具有較高的價值。在教材編撰過程中，充分涵蓋物理實驗課程的上述特質(zhì)，服務“學生為中心”的課程教育，是我們開展教材建設的出發(fā)點和著眼點。

通常，科學素養(yǎng)涵蓋三個方面：了解科學知識；了解科學的研究過程和方法；了解科學技術對社會和個人所產(chǎn)生的影響。每一個大學物理實驗項目都是源自特定的社會需求或個人認知，利用一定的科學手段和方法，通過一系列的實際操作和思考過程，得到特定方面的科學知識。因此，大學物理實驗自身的特點決定了它是實施科學素養(yǎng)培養(yǎng)的有效途徑。由于不同實驗所涉及的科學素養(yǎng)有所不同，故教材的每一個實驗（除了設計性實驗和趣味實驗）都包含了具有針對性的科學素養(yǎng)內(nèi)容。

如果說科學精神可以概括為實事求是的探索精神和超越前人的創(chuàng)新精神，那么人文精神則是在追求人的本性過程中對人的價值、人生意義的追尋。從復合型人才或全人培養(yǎng)的角度，理工科學生應具備一定的人文精神。作為理工科學生的必修課，大學物理實驗亦可通過引入物理實驗史料使學生感受到人文精神的熏陶。教材精選的部分物理實驗的背后都有一段歷史故事，特別是那些獲得諾貝爾物理學獎的物理實驗，例如密立根油滴實驗、邁克爾遜干涉儀實驗、弗蘭克-赫茲實驗等。我們采用線下引導、線上呈現(xiàn)的方式，將物理實驗史料融入物理實驗教學，變靜態(tài)知識的傳授為動態(tài)知識的演變和啟發(fā)，培養(yǎng)歷史觀和發(fā)展觀。特別是，中國古代物理學的實驗研究方法也是很先進的，比較有名的有墨家關于力學和光學的實驗研究，沈括關于磁學和聲學的實驗研究，趙友欽的光學實驗研究，特別是朱載堉關于音律理論的實驗研究等，都取得了卓越的成果。此外，通過物理實驗史料可以展現(xiàn)各國科學家在探索物質(zhì)世界奧秘道路上所表現(xiàn)出來的懷疑、求實、進取、勤奮、創(chuàng)新、嚴謹、思辨、自強等優(yōu)秀品質(zhì)，對學生進行有效的強化和滲透，從而在潤物細無聲之中使學生受到熏陶。

此外，大學物理實驗有助于增強理工科學生的美感意識。物理實驗中的美感體現(xiàn)在兩個方面：（1）實驗設計和思維之美。2004年《物理學世界》刊登了排名前十的最美麗物理實驗，其中大多數(shù)是我們耳熟能詳?shù)慕?jīng)典之作。這十大實驗中絕大多數(shù)是科學家獨立完成的，沒有用到什么大型計算工具，所有實驗的共同之處是它們都抓住了物理學家眼中最美麗的科學靈魂，這種美麗是一種經(jīng)典，用最簡單的儀器和設備發(fā)現(xiàn)最根本的科學概念。（2）實驗學家的人格魅力之美。在物理實驗的探究中，許多中外著名的物理學家不怕挫折的拼搏精神，勇于探索、實事求是的科學精神，堅持真理、為捍衛(wèi)真理不怕犧牲的獻身精神都是一部很好的美育教材。羅丹說過“世界上不缺乏美的事物，而是缺乏善于發(fā)現(xiàn)美的眼睛”。教材的附錄和線上資源提供了史料線索，供學生在學習大學物理實驗課程的同時，開展自我的深度思考，發(fā)現(xiàn)和感受物理（實驗）之美。

2 教材建設的內(nèi)容和特點

教材按照教育部高等學校物理基礎課程教學指導分委員會頒布的《理工科類大學物理實驗課程教學基本要求》（2010年版）編寫，共四篇：（1）預備篇，主要包括測量不確定度與實驗數(shù)據(jù)處理、物理實驗的基本方法、基本技術和常用儀器介紹；（2）基礎篇，主要包括基礎性物理實驗，如力學、熱學和聲學實驗、電磁學實驗、光學實驗；（3）進階篇，主要包括提高性物理實驗，如綜合性實驗、設計性實驗；（4）探索篇，主要包括近代物理實驗初步、趣味實驗。該教材（鐘小麗主編）已于2020年6月由高等教育出版社出版，見圖1。

圖1：大學物理實驗教材的封面和封底

教材具有以下三個特點：

（1）線上和線下相結合。作為新形態(tài)物理實驗教材，我們盡量將實驗相關的物理原理和設計原理等內(nèi)容集結成書，作為線下教材，便于學生研讀；同時，將實驗相關的具體設備以及拓展知識放在網(wǎng)上，作為線上教材。學生通過掃描線下教材中相應位置的二維碼，實現(xiàn)線下向線上的跳轉(zhuǎn)。從信息載體上看，線下教材主要采用文字和圖片等傳統(tǒng)模式，線上教材可采用微視頻等現(xiàn)代模式。從知識性質(zhì)上看，線下教材是“主干”，線上教材是“繁枝茂葉”。

（2）分層和分類相結合。本教材總體按照基礎性實驗——綜合性實驗——設計性實驗——探索性實驗的分層編排，其中基礎性實驗部分又采用力學、熱學、聲學實驗——電磁學實驗——光學實驗的分類編排。這種編排架構清晰、均衡，便于開展不同階段的分層實驗教學以及不同專業(yè)的分類實驗教學。

（3）“雙課”融合的載體。大學物理理論課程（簡稱大學物理）和大學物理實驗課程密不可分，兩者攜手反映了物理學的全貌。通常，大學物理和大學物理實驗分別單獨開課，存在一定程度上的脫節(jié)現(xiàn)象，學生學習體驗不佳。為了培養(yǎng)學生完整的物理思維體系，加深對物理知識的理解，實現(xiàn)兩門課程的有效銜接和有機融合，本教材依據(jù)知識點的相似度，采用線上教材的方式，引導學生將本課程的知識點和大學物理課程中已學的相關知識點進行關聯(lián)。本校大學物理課程采用本校教師自編教材（大學物理，鄧文基、鄭立賢主編，高等教育出版社）。在具體的教學實踐中，本校部分老師同時承擔了大學物理和大學物理實驗兩門課程，為基于本教材的“雙課”融合的教學改革提供了實施保障。因此，本教材作為“雙課”融合的載體之一，必將推進華南理工大學大學物理“一流課程”的整體建設。

3 結語

在“新工科”背景下，為了實現(xiàn)工科領軍人才的培養(yǎng)，需要新型教材的支撐，以形成“學生為中心”的教學局面。本文以大學物理實驗課程改革為切入點，闡述了新一代信息技術背景下新型大學物理實驗教材的建設情況。目前，該教材已出版和使用，獲得師生一致好評。由于本教材具有靈活的線上資源更新功能，后續(xù)將結合實踐需求，進一步豐富和優(yōu)化線上資源庫，以期有效服務華南理工大學“新工科F計劃”的實施。