新工科物理实验课程改革论文

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摘要:本文从培养“新工科”人才的教育目标出发，提出了新工科背景下多学科交叉创新性物理实验改革方案，从拟解决的问题及目的、国内外各个高校关于此问题的改革措施、多学科交叉创新性物理实验课程的改革方案的具体思路和举措等方面做了详细阐述．该改革方案将传统的物理实验与多学科科学前沿相结合，推动教师将科研成果及时转化为教学内容，设计开发各学科交叉融合的新型物理实验，将为“本研贯通人才培养”奠定基础．

关键词:新工科;多学科交叉;创新性

1多学科交叉创新性物理实验课程改革方案拟解决的问题及目的

在新工科背景下，目前我国物理实验课程所面临的问题主要有以下几个方面:1)物理实验内容陈旧过时，知识点单一，往往只是教科书上已有基本物理知识的简单重复，实验内容不交叉、不综合，当前的物理实验内容很难体现最新的科学研究成果［3］．导致物理实验教学内容跟不上时代的发展，在当前高速发展的科学前沿新知识和新技术面前显得格格不入;2)在传统物理实验教学体系中，物理实验往往被简单分割为普通物理实验与近代物理实验两门相互独立的课程．而其中普通物理实验又被分为力、热、光、电、磁等相互独立的内容，实验内容在物理学科内部都很少实现交叉融合．学生更难将物理实验内容与本专业科研应用交叉联系，这与当前发展多学科交叉新工科的目标相违背;3)传统物理实验课程的教学模式一般都是教师讲授实验原理和演示实验操作，学生按照老师的操作步骤要求按部就班的按照一样的实验方法重复同样的实验内容．过程中学生各自利用实验室配备的相同的实验仪器完成同样的数据测量．这样的教学模式枯燥无味且毫无创新性和趣味性，学生不感兴趣，只是机械的完成课堂任务，过程中很少有机会激发学生的创新和创造意识，很难培养学生发现问题和解决问题的能力．正因为这样，多年来我国培养的学生与西方先进国家学生相比，虽然考试中可以发挥的很出色，但是一到解决具体问题时，就显得很不自信，面对问题不知所措，相比之下，动手能力和创新能力就显得尤其匮乏;4)按照传统教学模式授课，教师方面也大多只是每节课机械的完成相同的教学内容，就教师教学而言，也很难激发教师的教学主动性和开发新实验内容的兴趣．针对以上问题，本文提出多学科交叉创新性物理实验课程建设，从面向新工科发展和培养多样化、创新型人才的角度来考虑，期望通过改革实现以下目标:1)将传统的物理实验结合多学科科学前沿，推动教师将科研成果及时转化为教学内容，设计开发各学科交叉融合的新型物理实验，将本专业科学前沿与物理实验内容相结合．使学生不仅仅能熟练掌握自己专业领域的知识技能，还能够学会融会贯通，理解各个学科之间的交叉融合．达到“举一反三”的教学效果，为“本研贯通人才培养”奠定基础．2)培养学生具有工程设计思维，学会用批判性的思维角度看待科学问题，进一步提高学生的创新创业能力，具有独立自主学习的能力，具有跨学科交叉融合的新工科人才特征，具有利用所学知识解决现有实际问题的能力，并且有能力通过学习新知识和新技术去预测和解决未来科学发展过程中可能会遇到的问题．3)将现代信息技术带入教学，比如“雨课堂”等．结合翻转课堂的教学方法，改变目前传统单一的“教师讲、学生听”的授课模式．通过信息化的教学手段，使学生真正融入课堂教学，调动学生的学习积极性，也充分调动教师教学热情和激情．

2国内外各个高校关于物理实验课程的改革措施

由于国外先进的教学理念，它们更加突出物理实验“设计性、研究性、探索性”的教育功能，国外著名大学各自形成了各具特色、比较完善和先进的物理实验教学模式．德国大学所开设的物理实验课偏重于设计性实验．著名的德累斯顿大学(DresdenUniversity)和凯泽斯劳腾大学(KaiserslauternUniversity)对物理实验相当重视，他们开设的“物理实验”课程中包含很多研究性物理实验，教材中不给出实验步骤和过程，只提问题和要求，要求学生自行设计并完成实验方案，过程中不仅要求学生设计具体实验内容和实验方案，实验所需的仪器也需要学生开动脑筋去构思设计，实验室不给学生提供现成的实验仪器，需要学生自己根据设计思路，采购所需配件进行组装，最后利用组装好的仪器再进行测量［4-6］．这个过程虽然耗时，但是真正锻炼了学生的动手能力和创新能力，通过该课程，使学生不仅学习了某个实验的原理和现象，还掌握了仪器测量原理．例如，几何光学关于薄透镜的实验项目，我们现在的传统实验是要求学生根据提供的光学元件，利用光学原理测量透镜的焦距等，实验枯燥又缺少实际意义，学生虽然学习了透镜原理，但是连日常生活中的透镜应用原理也说不清楚;德国大学将薄透镜实验按设计性实验教学，实验要求学生利用提供的若干块薄透镜先自己组装透镜组装置，比如望远镜和显微镜等，然后再利用所组装仪器进行观察并测量分辨本领和放大倍率等，虽然实验难度上比较大，但事实上这种设计性实验对培养学生的动手能力和创新能力等方面却有很好的效果．英国的曼彻斯特理工大学对实验教学也非常重视，与我国高校要求大二开始做实验不同，曼彻斯特大学要求物理专业学生从大学入学开始就着手设计性实验的练习，学生以小组形式完成实验，各成员之间分工合作，过程中首先需要搜集资料，然后根据整理的资料进行组内团讨，整理出实验方案，就实验方案开展实验，遇到问题大家一起讨论寻找解决办法，也可以根据讨论结果征求教师的指导意见，取得一致意见后继续开展实验．在整个实验过程中，小组内各个同学分别发挥出了各自特长，在搜集资料、实验设计、实验操作和论文书写等方面分工协作完成．另外，实验内容上，基本各个设计性实验内容都与教师的科研工作相结合，使学生逐步了解和适应科研工作，锻炼了学生的科学研究能力［7］．而我国大部分高校仍采取传统验证性物理实验教学模式，学生在规定的时间统一完成规定的实验内容，不利于学生创新思维的形成，严重制约了创新型人才的培养，与我们现在“本研贯通”的人才培养目标严重脱节，另外，继续按照这种验证性教学模式教学也不利于我国高新科学技术的发展．近年来，国内一些高校逐渐意识到该局面的严重性，逐步开始采取一些措施改变当前实验教育现状，相继开设了一定量的研究性和设计性的实验项目，为一部分能力较强的学生提供了进一步发展和提高的机会［8］．其中，复旦大学走在国内高校物理实验教学改革的前列．他们所开设的设计性实验，教材中没有实验步骤，只有实验研究课题没有实验原理，只有一系列的问题．他们将设计性实验以选修课的形式开设，但是授课模式近似于课题研究形式，要求学生按照实验要求，最少一个学期完成一个研究性课题．过程中学生自己先根据课题名称和教师列出的一系列问题查阅资料，以自学为主，自己设计实验方案，组装和调试实验装置，测量数据，完善测量装置和方法，最后完成课题［9］．浙江大学也开设有“小课题物理实验”，主要是设计性实验．首先由学生根据各自兴趣爱好特长等选择所研究的课题，实验室配备基本实验仪器和所需基本资料等，学生按照课题要求在规定时间内完成实验，但是由于课题的设计性和开放研究性，完成时间会较长，一般为一学期内完成，实验授课模式不局限于课堂教学，学生随时可与教师取得联系，针对遇到的问题进行讨论，最终完成实验内容［10］．北京交通大学全面改革了物理实验教学模式，核心就是变原来的解释性实验为设计性实验，让学生在亲自参与和动手设计中训练实际动手能力和数据分析能力［11］．综上所述，国内部分高校已经开始着手创新型实验的改革，但是就改革内容来说大多只是针对教学方法和手段进行改革，将传统物理实验原有内容改为设计性或研究性实验，而并没有针对适应新工科要求的多学科交叉特点对实验内容做颠覆性改革．本论文提出的多学科交叉创新性物理实验课程改革，以开发适应新工科人才培养要求的多学科交叉创新性物理实验为目标，结合相应教学方式的改革，期望为培养多元化、创新型人才提供支撑．

3多学科交叉创新性物理实验课程改革的主要思路和举措

我们知道，物理学是一门非常重要的自然科学学科，它之所以重要离不开其本身所具有的社会性，物理学在我们的生活中可以说是无处不在，人们生活质量的提高离不开物理学的贡献;另外，其重要性还体现在其所表现出的时代性上，物理学科的教学内容必须与现代科学技术的发展接轨，这样才能保证物理学科是一门鲜活和生动的学科，才能吸引学生的学习热情，才能激发学生的学习主动性和创造性．物理学是一门基于实验的学科，离开了物理实验物理学科的发展将举步维艰．而物理实验的教学在提高学生对物理学的兴趣度和培养高科技人才方面具有重要作用，所以我们应该重视物理实验教学．在物理实验的教学过程中，我们不仅仅应该重视物理学原理知识的传授与强化，更应该培养学生的自主学习能力、科学探究能力、创新创造能力和团队协作等方面的能力．因此，我们首先要对传统物理实验内容进行筛选和改造，结合当前的科学前沿，设计多学科交叉融合的创新性物理实验，编写新的多学科交叉的综合性创新性物理实验教材，改变现有的物理实验教学内容不交叉不综合的现状，不仅仅将基本的物理学科范围内的力、热、光、电、磁等内容结合起来，还要联合其他学科内容如材料、化工、电气自动化和机械等等工科专业，实现把物理实验从辅助教学、验证性实验的教学模式中解脱出来，使学生通过综合性物理实验课程能将从物理实验课中学到的严谨的科学思维和创新能力应用到本专业中，将物理知识与本专业科学前沿应用结合起来，真正体现物理实验是各个学科实验的基础作用，使我们培养的学生具备多学科交叉融合的特征，为未来培养多元化、创新型卓越工程人才提供支撑．教学模式上，我们依靠现代化的教学手段来实现，结合微课和网络平台等数字化和信息化教学手段，调动教师教学热情和学生学习积极性．另外，我们还要在实验管理制度、考核和评价方面创新．具体措施如下:1)和相关院系和课题组积极对接，引入专业的实验设备，为开发综合多学科交叉融合的综合性大学物理实验创造实验基础;2)在现有的传统大学物理实验的基础上进行筛选和改造，根据现今科学研究的现状，寻找和其它医、工科的交叉点和契合点，开发出能够实现多学科交叉融合(物理、材料、电子、信息、机械和医学等)的综合性大学物理实验内容，提升大学物理实验的教学地位，也提高现今大学物理实验的课程难度，改变目前大学物理实验辅助教学的从属地位;3)将设计的综合性物理实验内容进行整合，编写新的综合性物理实验教材，这包含一系列简单却又涉及多学科知识交叉的新型综合性物理实验教材，这将改变当前大学物理实验教材内容“千篇一律”的现状，教材内容上不仅体现了物理原理和思想，更重要的是让更多工科学生了解物理学在本专业领域中的体现，培养学生学会学以致用;4)实验的操作模式上，采取各学科专业学生合作，学生组成团队，利用各自专业知识分配实验任务，首先搜集资料讨论实验方案，分析可执行度，确定方案以后自行准备实验所需配件材料等，组内同学分工合作，相互指导，共同完成实验，实验过程中他们一定会用到各自的专业知识，这时候发挥他们各自的专业特长，增强其自信感，通过一轮轮讨论分析，他们会产生自己的创新点，培养了学生创新创造的能力，符合“新工科”人才的培养目标．5)教学方法上，要打破传统的“教师讲，学生听”的授课模式．我们所设计的多学科交叉的创新型大学物理实验，采用现代先进的信息化教学方式，结合微课和翻转课堂的教学形式，基于我们的线上学习终端，学生可以在线上获取到实验相关的大量学习资料，内容包括实验设计相关素材资料、微课视频等，基于这些材料，学生利用手机即可登陆学习，随时随地非常方便，基于预习内容和结合线下搜集的资料，学生基本可以拟定初步实验方案，对于同一实验项目，鼓励学生选择不同的实验方案，并自行准备和制备所需实验装置．这个过程中学生可能会遇到各种各样的问题，课堂上教师将集中解决过程中遇到的问题，不必再重复基础知识的讲解，这样可以将大大提高教师的教学效率和学生的学习效率，实现课堂教学目标性更强．除此以外，通过网络平台，教师和学生的沟通将延伸到课堂外，学生可将实验方案、过程或结果上传至网络平台，接受所有学生和教师的在线点评，促进实验方案更加完善，充分调动了学生的学习积极性和教师的教学热情．具体过程如图1所示．6)针对我们多学科交叉创新型实验课程，其考核机制也将改变传统的重视实验结果转向重视实验过程，改变传统的以教师教为核心转向以学生学为核心，逐渐引导学生更加重视实验过程，并在过程中实现知识内化、创新思维和能力的培养，教师将根据图1多学科交叉综合物理实验教学模式实验过程中学生表现出的学习能力、思考能力、研究能力和创新能力，综合考虑后给以评价．下面，我们以我们所设计的一项实现了多学科交叉的综合物理实验项目《利用光学法测量微位移实验》为例详细介绍分析该课程综合性．该实验包含自制实验用磁致伸缩样品、自制产生磁场的线圈、自制直流稳压电源等内容，涉及到了物理、材料和电气自动化专业多学科交叉知识，涵盖了单晶材料的制备及加工、光学基本原理、磁致伸缩原理、电磁场产生、软磁材料特性和电流电控等基本原理，实验内容既实现了将多学科交叉融合，又可结合了当前学科的科学前沿热点(磁致伸缩材料)，学生以小组形式开展实验，实验要求包括自制实验所需装置和材料，学生结合自身专业特长分工合作完成实验．协作完成实验过程中，不仅仅将本专业领域所学专业理论知识运用到了实际中，而且通过和其他理工科专业学生共同讨论，也学习到了本专业与其它专业的契合点，实验过程中开发了学生的创新思维，培养了创新能力，符合新工科人才的培养目标．另外，该实验内容还可以进一步拓展，例如微位移传感器、汽车减震和微位移精准控制等，通过类似这样的一系列简单又综合多学科知识的综合物理实验，将对打破现有传统大学物理实验不交叉、不融合的现状具有重要作用，锻炼了学生的理论联系实际和创新创造能力，将对“新工科”人才的培养发挥重要作用．

4多学科交叉创新性物理实验改革的创新性

基于新工科背景下，我们提出的多学科交叉创新性物理实验课程改革，这是一个重点针对适应新工科发展需要的实验内容方面的改革，具体创新性科体现在如下几个方面:1)实验内容具有时代性和综合性:打破了传统孤立的力、热、光、电、磁物理实验体系，结合当前科学前沿，设计综合物理(包含力、热、光、电、磁等)、材料、电子、信息、机械等多学科创新性物理实验，将改变传统物理实验内容不交叉、不综合的现状，是一项适应新工科建设需要的革命性改革;2)教学主体具有最大程度的开放性:鼓励不同专业学生相互合作，发挥各自专业专长，自行设计组装实验装置，协作完成实验，实验过程要参与到教师的科研中，使学生逐步适应独立的科研工作;3)教学方法和手段的多样性:结合微课和翻转课堂等形式，线上、线下相结合，通过网络实现“师—生”、“生—生”交互，使预习、复习、提问、讨论的时空得以延伸，提高教学效率;4)教学考核的灵活性:针对不同实验内容设置不同考核方法，打破以往只凭报告给分的评价方法．

5结束语

在大力发展“新工科”和建设“双一流”大学的新形势下，面临竞争日益激烈的国际产业竞争力，高校加强培养多元化的创新型“新工科”人才刻不容缓，我们急需发展“新工科”和培养新工科人才，来支持国家新经济发展的需要．大学物理实验体现了所有工科实验的科学共性，在培养大学生严谨的科学素养和创新思维能力方面具有重要作用，培养适应时展要求的“新工科”人才离不开大学物理实验这一基础课程。然而，仅依靠当前传统验证性的教学内容和模式很难实现课程的真正价值，也很难培养出符合时代要求的多元化新工科人才．因此，本文提出了新工科背景下多学科交叉的创新性物理实验改革，其重点是首先改革传统验证性的实验教学内容，对传统教学内容进行筛选和改造，结合当前科学前沿，综合考虑物理学实验与其它工科专业知识的交叉点，设计开发多元化的新型综合物理实验;其次，教学模式上也要打破传统的以教师为主的授课模式，让学生自己动手解决实验过程中从设计到测量等各种问题，结合现代信息化的教学手段提高教学效率，过程中不仅可培养学生的宽基础，更锻炼了学生的理论联系实际、跨学科交叉融合和敏锐的科学思维能力，将为培养多元化、创新型的“新工科”人才提供支撑．

参考文献:

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作者:王立英 秦珠 廖怡 戴海涛 米文博 单位:天津大学