大学物理实验教学体系探究

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物理学是一门以实验为基础的学科，在学生科学素质、能力的培养中发挥着非常重要的作用。大学物理实验反映了理工科中实验思想、实验方法以及基本原理与实践工程相联系的普遍性问题，在人才培养中有不可替代的地位。同时，大学物理实验作为大学生必修的第一门科学实验课程，能够让学生受到严格系统的实验技能训练，掌握科学实验的基本知识、方法和技巧，更重要的是在实验过程中，锻炼学生理论联系实际、用现有知识分析和解决实际问题的能力，以此来培养学生严谨的科学思维能力和创新精神。

1背景和现状

教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会颁布的《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》中明确提出了在实验课程中学生能力主要包括四种能力的培养要求：独立实验的能力、分析与研究的能力、理论联系实际的能力以及创新能力。所以，大学物理实验课程不能成为学生仅动手就能机械完成的手工课，而应在实验中，充分调动学生的大脑，引导学生积极思考，建立实验思维。长期以来，各高校大学物理实验课程不断进行了各种教学改革的尝试，诸如MOOC、翻转课堂、混合式教学、分层次教学等，都取得了显著的成效。但是，大学物理实验课程的教学中还存在着很多短期内难以解决的问题。首先，教学理念陈旧。教师往往局限于传统的教师主体，在实验课上，讲得多，讲得细；他们认为只有教师讲到的内容，学生才能在实验中注意到，学生才能掌握，而没有注重课堂效率。同时，实验课程的教学模式单一，教师单向输出。传统课堂中，仅突出了教师的中心地位，忽略了学生的主观能动性，压抑了学生创新思维和能力的发展；这就出现了实验课上教师讲得多，学生动得少。其次，实验内容单调。由于各高校实验设备有限，实验项目相对比较单一，多为验证性实验，缺乏创新性实验项目和前沿方向的实验项目，实验项目与理论课程脱节严重；实验教材编写的内容过于细致，仅局限于一个实验上，缺乏实验间、学科之间的联系。最后，学生主动性差。教师往往低估学生的能力，唯恐学生不能完成实验，教师讲解得过细，甚至于手把手地讲授实验操作，而忽视了学生独立思考及动脑分析研究的重要性，没有充分调动学生的积极性。

2教学理念的改变

实验课程不同于理论课程，实验课程更多的是动脑动手，熟悉基本的仪器操作和实验方法。学生只有在真正地动脑理解实验原理、实验方法后，才能指导自己动手。这就需要我们在实验课堂上转变教学理念。（1）突出强化学生主体地位，是学生做实验，而不是教师讲实验。充分利用翻转课堂的优势，将学习资源提供给学生，学生根据各自的学习进度安排自己的学习。特别是在实验课上，学生可以根据自己实验进程，多次重复查阅各种学习资源以达到独立实验的目的。（2）学生是课堂的主人，将课堂时间还给学生。教师应该根据不同学生的特点建立学生的期望值。对于大多数学生来说，他们完全能够通过自己的学习完成实验内容，所以，教师应当放手学生独立完成实验。教师把原来的讲课转变为与学生一对一的交流指导，同时通过实验室内的巡视，激发并监督学生的学习，保持学生持续参与在实验课堂中。利用鼓励性的语言，激发学生的自我效能感，由学生自主发现问题、解决问题，在“做中学”，建构物理实验的基本实验方法。

3教学体系

（1）实验项目的规划重整。为了增强学生的有效性学习，首先，我们对实验项目进行了整合，根据实验内容或实验原理等将某个关键因素相同或相似的项目整合在一起，在一次实验课上完成。比如迈克尔逊干涉仪的调节与使用、干涉法测量线胀系数两个实验整合在一起，学生在掌握迈克尔逊干涉仪的使用后，就能将实验原理或操作方法快速迁移到线胀系数的测量上来，相对降低了第二个实验的难度，提高了学习的效率，达到了有效学习的目的。类似的整合项目还有：二踪示波器的使用和光纤通讯实验；动态法和静态法测杨氏模量等。其次，根据实验内容的改变，我们重新编写了一套集视频微课、仿真动画的多维度立体化教材。最后，为了适应实验项目整合学生的学习状态，我们将单次实验上课的时间由每次3学时增加为每次5学时，给学生充分的时间去动手动脑进行实验，培养实验分析、发现问题解决问题的能力。（2）信息化资源的建设。传统实验课程的教学中，学生要对教材进行课前预习，但是书本上的文字、图片对于形象具体的实验内容来说非常枯燥，很多学生为了完成预习任务机械性地抄写教材，由于看不到实际的实验仪器和实验现象，预习的效果也就非常差了。随着信息化网络技术的飞速发展，几乎每个学生都有智能手机，这也就为实验课程的信息化、网络化提供了发挥的空间。并且视频、图片或仿真软件等多媒体信息化素材相对于文字素材来说，能够给学习者提供更高的学习效率。为了更好地完成实践类课程的预习，我们需要将实验课程中所需要的所有内容进行信息化建设，包括视频、仿真软件、数据处理软件和实验教材等。然后，我们将这些多媒体信息化素材通过二维码与教材、实验室进行有机的结合，学生在阅读教材、实验操作等过程中，如果碰到问题，就可以扫描对应该处的二维码，直接链接到我们服务器上的多媒体信息素材，观看教师的讲解视频、操作仿真软件来进行释疑解惑。这样做的目的，就是为了降低学生的使用障碍，与我们的教学结合起来，真正地发挥了信息化的优势。（3）实验室环境的重新布局。为了提高实验仪器的使用率，提高学生的有效学习，建立丰富的实验室文化，我们对传统实验课堂进行了大的改变，将只有1~2个实验项目的传统实验室改造成为具有10~12个实验项目的“实验超市”。并且，“实验超市”内提供无线网络。学生可以在实验室内看到该学期内所有用到的实验仪器，学生可以在第一次实验课上可以根据兴趣、专业特点等自主选择8~10个实验项目，满足各类学生的个性化学习。同时，在实验过程中，学生可以建立起各实验项目之间的关联，触类旁通，充分地理解实验内容。

4教学实践

4.1课前预习。为了保证学生能够独立完成实验，培养独立实验能力，使学生成为课堂的主人，我们将几乎所有的课堂时间还给学生，课堂上教师不再进行集中授课，只进行单独指导交流。这样就对学生的课前预习提出了更高的要求，学生要在课前完成教师指定的预习任务。预习任务主要由纸质预习报告、网络在线课堂两部分组成。学生需要在课前观看网络微课视频、回答网络预习测试题、完成纸质预习报告，在实验室内教师要对学生的预习情况进行检查。4.2翻转实验课堂。学生根据教师安排组合2~3人组成一个学习共同体，在实验课中围绕实验内容进行同步学习。教师在实验课上鼓励学生积极讨论，学生可以在共同体内进行无障碍的交流沟通，极大地提升了学生主体的自我效能感，建立了强烈的共同参与感，促进了主动性的有效学习。（1）课内预习。在实验课前10%的时间里，我们要求学生进行二次预习，对照实物将实验原理、内容等进行学习，也可以根据自己预习的情况，将不懂的问题进行生生或师生的讨论。同时，教师进行根据讨论的情况对学生的预习情况进行检查，适时地提出一些小问题，根据学生回答讨论的情况进行预习的评价。这样，学生就可以根据预习和讨论对实验有了整体的把握，逐步把头脑中理论化的物理原理与现实中的实验仪器、内容进行联系，从而培养理论联系实际的能力。（2）互助交流。学生在完成实验的准备后，独立完成实验，对于简单的问题，教师不再进行回答指导，而是鼓励组内、组外学生的互助讨论，通过分析研究讨论出解决问题的办法。这时，有的学生则喜欢自己解决问题，他们会翻出教材或者打开视频，重复观看，寻找问题的关键。有的学生则喜欢讨论，听取他人的分析或者经验，快速找到办法。有的学生则喜欢延伸思考，找出背后的原理，与教师进行讨论，从根本上理解原理，再来解决问题。事实证明，不管通过什么方式，绝大多数学生都能找到答案，虽然比较耗费时间，但是学生学习的效果却比教师的直接讲授好很多。通过对实验的操作学生对基本实验方法有了不断的了解、积累和熟练，使得学生逐步形成了借助独立思考以及科学方法获得知识的心理暗示，学生就能以更快捷高效的方法进行实验，提高自身的能力。通过期末的匿名问卷调查可以看出，百分之百的学生都喜欢这种上课方式，他们体会到了努力后收获成功的喜悦，也建立了自信心，他们认为这才是真正的实验课。4.3学习的过程性评价。在这种教学模式下，学生的评价往往较难。我们采用过程性评价，着眼于学生能力的培养，而不是实验内容完成的快慢。通过网络平台、课堂预习效果、能力展现等几个方面对学生进行评价。在实际课堂中，我们也发现了传统课堂中出现的问题。例如，学生在实验过程中完成实验的程度具有较大的差异性。有部分学生通过课前充分的预习，积极动脑思考，能够充分理解实验原理，又快又好地完成实验内容。有的学生对于原理理解不够，动手能力较差，实验内容进行非常缓慢或者根本完不成要求的内容。这时，我们尝试采用了学生助教这种方法，让学有余力的同学去帮助后进同学。在实践中发现，对于助教学生来说，教师和同学对他的认可，使得他们的自信心得到了极大提高，不用教师的激励，他们就非常积极地指导帮助其他同学；对于普通学生来说，生生之间的交流帮助比师生交流更加顺畅，在自我效能的驱使下，普通学生也在认真积极地思考，努力完成实验。根据美国学者艾德格戴尔提出的学习金字塔的理论，学生的动手实验、讨论，以及学生助教的教授都达到了主动学习的效果，学习内容的平均留存率相对于传统课堂有了极大的提升。对于助教学生来说，实验课堂完全是他们发挥聪明才智的园地。

5结论

经过2年多的教学试点，这种新形态的教学体系得到了校内外专家、教师和学生的认可。学生在该教学体系中，始终处于主体地位，教师在交流、监督中对学生的学习起到了有效的指导作用，学生各方面的能力也得到了锻炼。在调研中，学生纷纷表示，通过一个学期的实验课的学习，都有很大的收获。我们认为这种方式克服了传统实验课堂的弊端，大大提高了实验课程的教学效果，可以在各类实验实践类课程中推广。

作者:邵明辉 何为凯 宋阳 张海鲲 单位:济南大学物理科学与技术学院