王崢 安煒 王文文 徐平

摘 要 基礎(chǔ)實驗類課程在工程師人才培養(yǎng)過程中擔負著培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力、系統(tǒng)思維能力和工程意識的重要作用。本文以“物理實驗（光學(xué)）”課程為例，從課程目標與定位、內(nèi)容設(shè)計、授課模式、考評方式等方面，詳細闡述了改革創(chuàng)新舉措。課程的改革創(chuàng)新使理科基礎(chǔ)實驗課程為工程技術(shù)類專業(yè)課程的學(xué)習(xí)提供有效支撐，為卓越工程師人才的創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供有力保障。

關(guān)鍵詞 物理實驗;課程建設(shè);工程師

2022年9月27日，教育部、國務(wù)院國資委聯(lián)合舉行了卓越工程師培養(yǎng)工作推進會。教育部懷進鵬部長在會上指出，要深刻理解卓越工程師培養(yǎng)的極端重要性，著力破解核心難題，實現(xiàn)工程教育辦學(xué)方式從學(xué)科專業(yè)單一性和獨立性向?qū)W科大類交叉、校企深度融合模式的根本轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)目標從重視理論傳授向重視工程創(chuàng)新能力的根本轉(zhuǎn)變，評價標準從唯論文唯獎項等向考查實際創(chuàng)新貢獻為主的根本轉(zhuǎn)變[1]。卓越工程師培養(yǎng)計劃對高校的工程師人才培養(yǎng)工作提出了更高的要求，如何在傳授理論的同時培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力是擺在高校教師面前的重要課題。

作為工科優(yōu)勢突出的北京航空航天大學(xué)，以為國家培養(yǎng)紅色工程師為己任，早在二十多年前就開始了工程師人才培養(yǎng)的模式創(chuàng)新，包括與法國中央理工大學(xué)集團合作，于2005年創(chuàng)立的北航中法工程師學(xué)院 [2]，旨在借鑒法國工程師培養(yǎng)理念、模式和成功經(jīng)驗，結(jié)合北航高等工程教育的優(yōu)勢，培養(yǎng)具有國際視野和創(chuàng)新意識的卓越工程師人才。在十多年的探索實踐過程中，有較為豐富的積累，特別是在基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程的有效銜接、實驗課程對工程師專業(yè)人才培養(yǎng)的支撐等方面，有值得推廣的經(jīng)驗。

基礎(chǔ)實驗類課程在培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力、系統(tǒng)思維能力和工程意識等方面具有非常重要的作用。然而，實驗課在一些高校中存在學(xué)生重視程度不足、學(xué)習(xí)興趣不高，課程內(nèi)容陳舊，教學(xué)模式死板、僵化等問題。本文以北航中法工程師學(xué)院開設(shè)的本科生必修課“物理實驗（光學(xué)）”的課程建設(shè)為例，探討如何在基礎(chǔ)實驗類課程的教學(xué)實踐中通過有針對性的課程設(shè)計，遞進式的師生、生生互動授課模式，以及多維度的考評方式來促進學(xué)生的工程意識和實踐能力培養(yǎng)。

1 課程定位與目標

北航中法工程師學(xué)院采用“本科碩士”與“預(yù)科工程師”融合的培養(yǎng)模式，專業(yè)方向為通用工程師。本科階段強化學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科知識的融合、應(yīng)用能力并注重培養(yǎng)學(xué)生的工程意識?！拔锢韺嶒灒ü鈱W(xué)）”課程是一門面向通用工程師專業(yè)大三學(xué)生開設(shè)的實驗類基礎(chǔ)課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的知識構(gòu)建能力、綜合運用光學(xué)等相關(guān)知識和數(shù)學(xué)工具建模并設(shè)計實驗的能力、系統(tǒng)思維能力、解決復(fù)雜問題能力和工程意識。本課程對于通用工程師專業(yè)學(xué)生由強化理科基礎(chǔ)階段進入工程教育階段的順利進階具有重要意義。

圍繞北航培養(yǎng)新時代領(lǐng)軍領(lǐng)導(dǎo)人才的辦學(xué)定位，結(jié)合通用工程師培養(yǎng)目標要求，確立了本課程的教學(xué)目標：

（1） 掌握常用光學(xué)儀器的工作原理和調(diào)節(jié)方法，具有光學(xué)測量系統(tǒng)設(shè)計的基本知識和工程意識，具備對實驗系統(tǒng)進行建模的能力。

（2） 能提出問題并結(jié)合實驗系統(tǒng)建立相應(yīng)的實驗?zāi)Ｐ停酶黝惞ぞ撸ㄜ浖┖图夹g(shù)資源，設(shè)計實驗系統(tǒng)并完成實驗操作。

（3） 能對實驗數(shù)據(jù)合理性進行評估，并基于實驗數(shù)據(jù)驗證模型的合理性，從而具備知識的構(gòu)建能力。

（4） 具有團隊精神，能以口頭和書面方式參與學(xué)術(shù)討論并準確表達實驗思想和結(jié)論。

2 課程改革創(chuàng)新與實踐

2.1 課程設(shè)計

圍繞課程目標和專業(yè)定位，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，開設(shè)出適合實踐動手能力和工程意識培養(yǎng)的、層次化遞進的實驗項目。課程目前共有六個專題12個實驗項目（見表1），涵蓋幾何光學(xué)和波動光學(xué)內(nèi)容。根據(jù)實驗課程教學(xué)特點和“兩性一度”要求，以專題形式編排實驗內(nèi)容。每個專題包含多個（知識）由淺入深、（操作）由易到難、（系統(tǒng)性或應(yīng)用性）由簡單到復(fù)雜，并且關(guān)聯(lián)度很高的系列實驗項目。實驗中引導(dǎo)學(xué)生通過觀察實驗現(xiàn)象，獲得客觀真實的實驗數(shù)據(jù)或特征，再對數(shù)據(jù)或特征進行分析以解釋物理現(xiàn)象，從而幫助學(xué)生形成物理世界觀。

基礎(chǔ)性實驗可以幫助學(xué)生鞏固知識并掌握光學(xué)實驗基本技能;拓展性實驗可以培養(yǎng)學(xué)生歸納分析、建模和驗證模型以及利用模型進行實驗現(xiàn)象預(yù)測的能力;設(shè)計性實驗可以培養(yǎng)學(xué)生在限定條件下，基于理論和實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計實驗、完成實驗并對結(jié)果進行有效性和局限性分析的能力;而應(yīng)用性探究實驗則可以培養(yǎng)學(xué)生基于需求建立模型、模擬仿真、構(gòu)建實驗，并通過比較仿真結(jié)果、實驗結(jié)果與需求之間差異，修正模型、改進設(shè)計以逼近實際需求的能力。實驗中學(xué)生需要綜合運用各種知識和技能，包括數(shù)學(xué)、計算機、實驗和實踐等技能。

2.2 授課模式

根據(jù)實驗難度和課程特點，實施小班化教學(xué)（每班12～15人），保證教師有足夠的時間指導(dǎo)和與學(xué)生互動。教學(xué)過程中不規(guī)定嚴格統(tǒng)一的實驗步驟，而是在講義中以設(shè)置問題的形式一步步引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗方案、動手操作、記錄數(shù)據(jù)、總結(jié)規(guī)律、最終給出觀點或結(jié)論。根據(jù)實驗項目特點，綜合運用采用引導(dǎo)啟發(fā)式、互動辯論式、共情探索式等教學(xué)方法，鼓勵學(xué)生自主探索。下面分別舉例說明：驗證性實驗項目主要以學(xué)生自主動手實踐為主，教師把控整體進程并作適當引導(dǎo)和階段性總結(jié)，學(xué)生有充分的試錯時間和空間。如“薄透鏡和球面鏡焦距測量及諾莫圖法應(yīng)用”實驗，要求學(xué)生從實像到虛像、實物到虛物觀察實驗現(xiàn)象，從定性到半定量、定量測量薄透鏡和球面鏡焦距，中間穿插多個討論環(huán)節(jié)，最后由教師根據(jù)歸納法，以諾莫圖法[3]對各類薄透鏡和球面鏡的成像特點進行歸納總結(jié)，并以天文望遠鏡的研究作為應(yīng)用拓展。

有些概念比較抽象的實驗項目，以教師理論講解和知識梳理開始，中間穿插實驗演示、現(xiàn)象討論等環(huán)節(jié)。如“光的偏振特性研究”，實驗過程中要由光強的變化反推偏振態(tài)的變化，具有很強的抽象性，需要學(xué)生有非常扎實的理論基礎(chǔ)、清晰的物理模型和正確的實驗設(shè)計。為保證實驗順利進行并有實際收獲，需要教師在課堂中系統(tǒng)梳理相關(guān)知識，有序把控實驗進程，并組織學(xué)生基于實驗現(xiàn)象開展有效的討論和辯論。

對于有些實驗項目中結(jié)合科學(xué)研究、工程技術(shù)前沿的討論題目，需要在師生、生生互動中層層推進，沒有確定的答案，通過共情探索拓展，主要目的是培養(yǎng)學(xué)生批判性思維和學(xué)術(shù)交流能力。根據(jù)觀察到的現(xiàn)象、得到的數(shù)據(jù)，學(xué)生應(yīng)在批判性地解釋這些數(shù)據(jù)和現(xiàn)象基礎(chǔ)上，得到基于實驗結(jié)果的初步結(jié)論;根據(jù)實驗課堂的組織形式，通過書面和口頭形式，陳述結(jié)果、推論或自己的觀點。

2.3 考評方式

考核方法和標準與課程目標高度契合，引入法國教育部的六項能力評價量表（見表2），以考核學(xué)生知識和資源的綜合運用能力、建模能力、解決實際問題能力為主線，對學(xué)生分析、計算、仿真、實驗、驗證、交流溝通等能力進行多維度、全方位考核，客觀地評價考生理論與實踐的結(jié)合能力以及解決復(fù)雜工程問題的綜合能力。學(xué)生成績由以下三部分構(gòu)成：

（1） 平時實驗操作成績占50%：根據(jù)實驗項目特點，使用六項能力評價量表對學(xué)生的課堂表現(xiàn)予以評價。

（2） 期末筆試成績占20%：閉卷考試，側(cè)重實驗知識以及實驗方法的考查。

（3） 期末操作考試成績占30%：每名學(xué)生獨立參加操作考試，時長1小時。不同學(xué)生所抽到考試題目可能不同，但難度相同。每份試題針對某一個實驗項目展開，題目中全面涵蓋對六項能力的考查，操作過程中有明確的與教師交流表述環(huán)節(jié)。

此外，設(shè)置開放式實驗項目，鼓勵學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決一些實際問題。學(xué)生自愿參加，根據(jù)完成質(zhì)量給予最多不超過10分的加分。

3 課程建設(shè)成效

本課程注重學(xué)生自主探究的實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)，給學(xué)生“試錯”的時間和空間，讓學(xué)生有更多的探索機會，并在挑戰(zhàn)失敗中建立自信;突出高階性的能力素質(zhì)評價，弱化純知識記憶型考查內(nèi)容，注重學(xué)生學(xué)習(xí)過程，并使用能力量表跟蹤學(xué)生成長，學(xué)生的適應(yīng)、分析、實現(xiàn)、驗證、交流和自主探究能力得到顯著提升?；诒菊n程的培養(yǎng)，本科生以第一作者的身份在《大學(xué)物理》雜志發(fā)表實驗研究論文，并有多名學(xué)生獲得北京市大學(xué)生物理實驗競賽一等獎和全國大學(xué)生物理實驗創(chuàng)新賽三等獎等獎項。學(xué)生歷年對課程的評價均為優(yōu)秀。課程也得到了法國教育部巡查督學(xué)的肯定，為學(xué)院申請法國工程師職銜委員會（CTI）認證提供了有力支撐。

在課程建設(shè)運行過程中，課程團隊積極開展教學(xué)研究，在《大學(xué)物理》《物理實驗》等期刊上發(fā)表多篇以實驗研究為背景的教改論文;圍繞國家需求、學(xué)校的人才培養(yǎng)定位和工程師人才培養(yǎng)目標，對課程教學(xué)模式和方法進行了創(chuàng)新發(fā)展，在《物理與工程》《高等工程教育研究》等期刊上發(fā)表了多篇教學(xué)模式改革和教學(xué)方法探索的研究論文。課程獲批北航精品課程、雙百工程（優(yōu)質(zhì)課程）。為課程編寫的配套教材“物理實驗（光學(xué)）”為工信部“十四五”規(guī)劃教材，并被評為2022年北京市優(yōu)質(zhì)本科教材。

4 結(jié)語

面向工程師人才培養(yǎng)的課程，不僅應(yīng)當重視理論傳授，更要看重工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。“物理實驗（光學(xué)）”課程以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題能力和工程意識為導(dǎo)向，強調(diào)物理思想，融入工程技術(shù)的方法，實現(xiàn)了科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)實驗?zāi)芰τ?xùn)練與工程意識、工程實踐能力培養(yǎng)有機結(jié)合。課程的改革創(chuàng)新可以使理科基礎(chǔ)實驗課程為工程技術(shù)類專業(yè)課程的學(xué)習(xí)提供有效支撐，為卓越工程師人才的創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供有力保障。

參 考 文 獻

[1] 教育部國資委聯(lián)合召開卓越工程師培養(yǎng)工作推進會[DB/

OL] http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/moe_

1485/202209/t20220927_665483.html

[2] 北航中法工程師學(xué)院成立[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，

2005（7）：734

Establishment of Sino-French Engineer School in Beihang

University [J].Journal of Beijing University of Aeronautics

and Astronautics， 2005（7）：734（in Chinese）

[3] 劉佳，徐平，陳子瑜，等.諾莫圖法在薄透鏡和球面鏡成像分

析中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理，2010（6）：5-8.

LIU J， XU P， CHEN Z Y， et al. Application of Nomorgragh

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[4] Classes préparatoires aux grandes écoles ： Filière scientifique

MPSI [EB/OL]. https：//prepas.org/index.php？ document=

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