羅艷偉 王俊濤(河南工業(yè)大學理學院 河南 鄭州 450001)

作為基礎(chǔ)學科，物理學以物質(zhì)運動最一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)作為其研究對象，并通過其在各行業(yè)、各學科的應(yīng)用和社會實踐不斷推進人類文明的進步.物理實驗作為物理基礎(chǔ)理論到廣泛實際應(yīng)用之間的橋梁是物理學發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)，物理學的所有理論均來源于物理實驗又必須得到物理實驗的驗證.只有真正掌握了物理實驗的基本技能，才能順利地將物理原理應(yīng)用到其他各學科和社會實踐中去，從而形成推動世界發(fā)展的創(chuàng)新成果[1～3].

物理實驗課程作為理工科學生步入大學后接觸到的基礎(chǔ)性實踐課程，著重培養(yǎng)學生仔細觀察、查閱資料、獨立思考、確定實驗方案、協(xié)同操作等方面的能力，培育學生科學思維與意識，提高學生實事求是的科學精神.雖然物理實驗教學對學生創(chuàng)新能力和科學素質(zhì)的培養(yǎng)使其在高校各理工科院系高素質(zhì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中具有著不可取代的地位，但不可否認的是隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展、科技的不斷進步、知識結(jié)構(gòu)的不斷更新，以及國家對人才需求發(fā)生的巨大變化，物理實驗課程的改革已經(jīng)變得迫在眉睫.為適應(yīng)高等教育“新工科”建設(shè)的快速發(fā)展，在實驗課程教學中進一步強化學生在學習過程中的中心地位，對傳統(tǒng)物理實驗課程進行立體化升級改造已成為目前物理實驗課程教學改革的重點[4,5].

1 當前物理實驗教學的現(xiàn)狀分析

物理實驗課程是我校面向理工科開設(shè)的一門通識平臺必修課，課程涉及電氣工程學院、生物工程學院、機電工程學院、材料科學與工程學院、信息科學與工程學院、土木工程學院等9個學院38個本科專業(yè)，每年有164個班4 800余人的實驗教學任務(wù).由于受實驗室面積、教學安排等各類因素影響，目前對所有專業(yè)開設(shè)16個物理實驗項目，并集中在一個學期內(nèi)完成58個學時的授課.20多年來，通過不斷的改革建設(shè)，實驗項目、實驗設(shè)備雖有陸續(xù)更換升級，但總體實驗體系結(jié)構(gòu)和授課模式未進行較大變動，與當下快速開展的高等教育改革差距越來越大.隨著招生規(guī)模的不斷擴大和新工科人才培養(yǎng)要求的不斷提升，眾多不如人意的地方逐漸呈現(xiàn)出來，并與新工科專業(yè)改革產(chǎn)生了較多的沖突和矛盾.例如學生對物理實驗不感興趣，預(yù)習效果較差；課堂參與率不高，實驗過程效果不好；課后實驗處理應(yīng)付，教學培養(yǎng)目標達成度較低；實驗項目專業(yè)區(qū)分度為零，專業(yè)指向性不明.為了理清思路、明確目標、提高效率，教學團隊在2019級、2020級4 000余名學生中開展了問卷調(diào)查，并結(jié)合課程學生評價分析發(fā)現(xiàn)，我校物理實驗課程目前存在的主要問題為以下幾個方面.

1.1 課程內(nèi)容體系設(shè)計

實驗課程項目設(shè)置缺乏差異性區(qū)別，無法體現(xiàn)以“學生為中心”的目標設(shè)置.

一方面缺乏對課程目標對象(不同來源學生)在實驗基本知識、方法和技能等方面現(xiàn)狀存在差異的分析和區(qū)分.受到學生來源、高中階段對實驗課程重視程度等多重因素影響，部分學生在課程開設(shè)之前缺乏基本的實驗素質(zhì)培養(yǎng)，缺乏基本的實驗操作和動手實踐能力，甚至從未獨自完成過實驗.針對不同的學生，實驗項目設(shè)計應(yīng)更多體現(xiàn)個體差異.另一方面，缺少對學生所在院系知識背景的差異性體現(xiàn).來自不同學院學科的學生具有完全不同的專業(yè)知識背景，與此同時，不同專業(yè)的培養(yǎng)目標也對實驗技能有不同的需求，實驗項目設(shè)計應(yīng)有所體現(xiàn)以學生為中心的差異性.

1.2 課程授課環(huán)節(jié)設(shè)計

課程流程設(shè)置固定死板，教學過程“教師為中心”的現(xiàn)象比較普遍，未考慮學生整個過程中的自主參與性.

現(xiàn)有的實驗課程流程設(shè)置為學生課前完成預(yù)習報告、教師進行半小時課堂講授和操作演示、學生完成測量和報告，整個過程中以教師為主導，無法激發(fā)學生自主學習和思考的能力.

課前預(yù)習報告是體現(xiàn)學生對課程實驗內(nèi)容自學和探索的能力的體現(xiàn)，可以保證學生能在課堂教學中更好掌握實驗技能的原理.但是大多數(shù)實驗課程“必須”的紙質(zhì)課前預(yù)習報告過于流于形式，學生機械摘抄教材有關(guān)內(nèi)容，無法體現(xiàn)學生對實驗內(nèi)容預(yù)習的效果和掌握程度；教師講授過程受時間和學時限制，對實驗內(nèi)容背景無法展開講解，講解內(nèi)容過多強調(diào)服務(wù)于學生如何完成實驗操作；實驗過程中，學生對實驗內(nèi)容不假思索、對實驗設(shè)備不聞不問，完全喪失對實驗過程中科學知識的探索，一味追求完成數(shù)據(jù)測量與記錄，知其然不知其所以然，無法達成課程對學生科學動手能力培養(yǎng)的目的；有部分同學在實驗過程中，幾乎不進行任何操作，形成“一個人做，兩個人看”的場面.實驗結(jié)束后，學生完成實驗數(shù)據(jù)處理和實驗報告上交，然后開始下一個新的實驗項目，無從得知實驗數(shù)據(jù)正確與否，更無法判斷實驗操作是否準確，無法達成課程對學生科學知識學習的培養(yǎng)目的.縱觀整個授課環(huán)節(jié)，不難發(fā)現(xiàn)教師為主的“填鴨式”實驗教學中無法調(diào)動學生自主參與的學習積極性，也就更難達到啟發(fā)學生創(chuàng)造性思維的教學目的.

1.3 學習效果評價設(shè)計

評價方式單一，紙質(zhì)實驗報告的結(jié)果評價方式無法激發(fā)學生學習的積極性，更無法反映學生為中心的自我學習目標達成情況.

學習效果評價是對學生學習能力、實驗過程的協(xié)作能力和自我認可的一個重要環(huán)節(jié)，應(yīng)起到肯定和激勵學生積極進行自我完善的作用.現(xiàn)有的紙質(zhì)實驗報告分數(shù)分為預(yù)習+數(shù)據(jù)測量+實驗結(jié)果處理，僅僅體現(xiàn)了實驗預(yù)習摘抄內(nèi)容、實驗數(shù)據(jù)測量與處理的能力，無法反映學生在實驗過程中的操作能力和科學思維培養(yǎng)成果[6,7]

1.4 課程延續(xù)建設(shè)設(shè)計

實驗課程整體有關(guān)科學問題的拓展、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方面的深度培養(yǎng)不夠，學生核心競爭力不足.

陳舊的教學內(nèi)容和填鴨式的教學模式為主的傳統(tǒng)教學體系嚴重束縛了學生的思維，壓抑了學生的求知欲望.實驗教學蘊含的豐富科學知識和針對性的技能訓練，在課堂之后未得到應(yīng)有的延續(xù)，學生運用所學知識和技能主動探索科學問題和解決實際問題的能力遠未達到課程培養(yǎng)目標.對科學主動探索意識不強，缺乏科學探索的基本素養(yǎng)，運用所學物理知識建立模型解決實際工程問題的能力不足；基礎(chǔ)物理實驗陳舊的教學內(nèi)容與當前大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育相差甚遠，無法體現(xiàn)科學思想在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中的重要引導作用[8].

在信息技術(shù)日益發(fā)達的今天，面對物理實驗課程教學的現(xiàn)狀，進行基于信息化改造的立體化物理實驗教學改革迫在眉睫[9].改革總體目標是建設(shè)以學生為中心且教學內(nèi)容特色鮮明的現(xiàn)代化開放式物理實驗課程，并構(gòu)建以人為本、尊重學生個性差異、教學手段先進的課程體系；有效提高大學的理、工科學生物理實驗?zāi)芰蛣?chuàng)新能力，使之成為大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基地和創(chuàng)新人才的孵化器，推動理工科物理實驗課程建設(shè)[10～12].

2 以學生為中心的立體化物理實驗課程構(gòu)建

為適應(yīng)“新工科”建設(shè)的快速發(fā)展以及新工科人才培養(yǎng)的迫切需求，更好的培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識人才，實驗中心將結(jié)合教育信息化致力于以學生為中心的立體化的課程內(nèi)容體系、課程學習過程、開放評價體系的構(gòu)建，進而實現(xiàn)課程的立體化.

2.1 強調(diào)個性化教學

構(gòu)建適合不同專業(yè)、不同基礎(chǔ)和發(fā)展目標的立體化課程內(nèi)容體系.

根據(jù)學校的辦學指導思想和實驗教學的定位，重構(gòu)物理實驗課程體系，重組課程內(nèi)容，既與理論教學有機相聯(lián)系，又自成體系，從根本上改變了實驗教學依附理論教學、重復驗證理論的實驗設(shè)計理念[13].建設(shè)過程中，通過充實教學內(nèi)容，深挖共享資源，優(yōu)化資源配置組合，充分發(fā)揮“互聯(lián)網(wǎng)+”服務(wù)平臺信息化功能，構(gòu)建以培養(yǎng)學生科學實驗技術(shù)、科學思維及創(chuàng)造能力的一門獨立的實驗教學課程體系.為此，我們創(chuàng)建了“一二三四”立體化實驗教學體系，即一個核心、兩個結(jié)合、三個平臺、四個層次.一個核心是指課程體系內(nèi)容應(yīng)體現(xiàn)學?！芭囵B(yǎng)服務(wù)地方經(jīng)濟、專業(yè)特色鮮明的高素質(zhì)應(yīng)用人才”的人才培育核心目標；兩個結(jié)合是指本科教學與科學研究、本科教學與社會實踐緊密結(jié)合的實驗教學內(nèi)容體系[14]；三個平臺是指順應(yīng)學生個體認知規(guī)律和課程體系內(nèi)容發(fā)展規(guī)律構(gòu)建基礎(chǔ)素養(yǎng)培養(yǎng)平臺、學科類競賽平臺和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的綜合素質(zhì)平臺；四個層次是指將實驗課程內(nèi)容體系根據(jù)各專業(yè)人才培養(yǎng)目標和教學計劃，采用分層次教學，將教學內(nèi)容劃分為驗證性實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗、研究性實驗四個層次[15].根據(jù)不同專業(yè)的知識背景，打磨和設(shè)計每個層次的實驗項目以及課后評價的拓展實驗項目，以更好的實現(xiàn)以學生為中心開展的綜合立體化評價.

2.2 突破空間與時間限制

構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng) + ”物理實驗立體化教學模式，其核心是以“以學生的全面發(fā)展和成才”為中心的教學理念，正確處理在教學過程中“教”與“學”的辯證統(tǒng)一關(guān)系，充分發(fā)揮學生主動性和主體作用，形成教師指導下學生為主體的學習情境；充分利用互聯(lián)網(wǎng)突破空間和時間限制，創(chuàng)造線上線下充足的學習資源，保證學生在任何時間空間都可以實現(xiàn)個性化的實驗課程學習，構(gòu)建學生為中心的全面開放立體化學習過程.

構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+”物理實驗立體化課程學習過程，要在遵循課程教學規(guī)律的前提下不斷創(chuàng)新教學手段，發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，實現(xiàn)線上線下打通式教學模式，營造虛實結(jié)合教學情境，為學生自主學習提供個性多樣的學習途徑，快捷及時的交互反饋.通過互聯(lián)網(wǎng)平臺的引入，綜合性實驗設(shè)備管理與實驗課程選課系統(tǒng)，使學生能夠根據(jù)學習安排自主選擇實驗課程學習時間與開放實驗室、實驗項目內(nèi)容與實驗設(shè)備使用[16～19].

2.3 凸顯能力與素質(zhì)

構(gòu)架基于課前線上虛擬仿真預(yù)習評價、課堂線下實驗完成情況評價和課后創(chuàng)新實踐提升拓展評價的立體開放過程性評價體系.

為充分體現(xiàn)以學生為中心的實驗評價體系的構(gòu)建，在預(yù)習階段利用“科大奧銳虛擬仿真實驗云平臺”引入線上自主的知識考核和自主線上仿真操作考核實現(xiàn)對課前實驗預(yù)習情況的評價，擺脫線下紙質(zhì)預(yù)習報告無法客觀反映預(yù)習情況的現(xiàn)象.在線下實驗過程中引入線下測量，掃描設(shè)備二維碼進行線上錄入數(shù)據(jù)的過程評價系統(tǒng)，充分避免學生線下抄襲數(shù)據(jù)、雷同數(shù)據(jù)，無法真實反映實驗操作的現(xiàn)象.在拓展階段引入線上和線下的開放式綜合考核模式，設(shè)計不同的課后拓展綜合性設(shè)計性實驗由學生選擇進行考核，體現(xiàn)學生科學思想培養(yǎng)的效果[20～22].

3 結(jié)束語

基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)線上線下立體化、強調(diào)學生自主參與的物理授課模式，基于信息化分級、分類型綜合課程實驗項目的學生自主開放式學習環(huán)節(jié)，基于開放學習環(huán)境下的立體開放學生自主評價體系的物理實驗課程構(gòu)建是物理實驗課程教學改革的目標，也是實現(xiàn)以學生為中心的立體化實驗課程改革的必經(jīng)之路.改革不僅需要課程內(nèi)容、評價體系的重建，更需要在突破空間時間限制下的學生教師的主動參與.只有將課程內(nèi)容組織、教學活動實施、課程結(jié)果評價以立體化的方式整合為一體，充分激發(fā)學生主體積極參與改革的積極性，方能有力推動互聯(lián)網(wǎng)信息化下的課程改革與實施.