“新工科”背景下大学物理实验教学模式改革探究——以武汉工程大学为例
时间：2023-04-22 08:40:05 来源：千叶帆 本文已影响人
祝丹，刘璐
（1.武汉工程大学数理学院，湖北武汉 430205；
2.湖北省物理实验教学示范中心，湖北武汉 430205）
武汉工程大学物理实验课程团队主持的教研项目《“互联网+”与物理实验现场实践的综合教学模式研究》于2017年获批校级教研项目[3]。在总结这一教学改革研究成果的基础上，2019年参考“培养实践能力强、创新力强、具备国际竞争力的高素质复合型人才”的“新工科”人才培养目标，以及“双万计划”一流课程建设目标，发现现有的教学模式仍然存在提质创新的空间，因此探索“线上线下混合式”教学模式改革之路可作为我校今后一段时间的工作重点。
2022年8月，通过“混合式”+“教学改革”关键字，在中国知网上共检索到相关研究论文3 397 篇，其中同时包含关键词 “线上线下”的文章共578 篇，“混合式”+ “教学改革”+“线上线下”文献发表年度分布见图1。通过查阅文献，在高岩等撰写的《基于混合式课程的教学评价设计与思考》一文中，我们发现：目前国内高校广泛开展混合式课程建设理论研究和实践探索，其中大量研究针对的是某一具体课程混合式教学模式的设计、资源优化等[4]。各校选用教学模式时都是基于自身的教学资源等确定的。每种混合式教学模式都存在弊端，各校也需要针对自己的现状来分析，找到解决方法。混合式教学方式侧重点比较见表1。
图1 “混合式”+ “教学改革”+“线上线下”文献发表年度分布
表1 混合教学方式侧重点比较
我校在前期开展“互联网+”背景下的教学改革，取得了一定的成绩，但是仍然存在以下问题，需要我们思考解决的办法：
1.1 线上学习资源较少，容易流于形式
物理学是一门探究物质基本结构和运动规律的自然科学,是学生进入大学后接触的一门实践性和操作性非常强的基础性学科,而物理演示与探索实验的多寡以及实验设备的先进性,在一定程度上影响着学生对物理学的兴趣[5]。大学物理实验是面向全校理、工科（非物理类）一、二年级本科生开设的必修基础课程。在理工科院校的教学过程中，大学物理属于基础课程，对理工科专业的专业课程及后继实践衔接起着承上启下的作用[6]。学生在高中阶段接受物理实验方面的专项训练较少，为了培养他们的动手能力及科学实验的方法，我们自制了多个实验操作演示视频，供他们进行线上课前的预习。而这种做法相当于将教师的讲课地点从实验室换到了网络平台，讲课时间提前到了进实验室上课之前，学生还是处于被动接受学习的状态。部分学生为了应对在线学习课时统计，会选择挂机让视频自动播放，并没有认真观看视频的内容。线上学习资源类型不丰富，学习方式单一且缺少过程监管，对学生自主学习积极性的激发不够。
1.2 线下学习目标不明确，实验反思不足
学生进入实验室开展大学物理实验之前，必须先完成线上学习任务及书写实验预习报告。部分学生由于学业负担重、不重视基础课等原因，在课前线上学习没有落实到位的情况下，并未认真书写预习报告。到实验室做实验也是简单地重复教师讲授的实验操作步骤，匆匆完成实验操作和数据测量，对实验原理并没有进行认真领会，对实验过程反思不足，不利于学生实践创新意识和工程思维能力的培养。
1.3 成绩评定方式需改进，引领自主学习
目前的成绩评定方式综合考虑了“线上阶段”“线下阶段”及“实验创新”这三个部分学生的完成情况。“线上阶段”要求学生达到一定的在线学习时长、完成每个实验项目预设的3-5 道选择题，学生完成度较高；
“线下阶段”主要考查学生实验操作及实验报告的完成情况，学生只要把握住实验报告的完成质量，这一部分得分也不会低；
“实验创新”属于额外加分项，为了获得这部分加分，学生需要投入大量的时间和精力，所以能得到这部分加分的学生较少，每学期不超过总人数的0.2%。由此可见，现有的成绩评定方式对“培养未来多元化、创新型卓越工程人才”的辅助作用有限，没有充分发挥引领学生自主学习、实践创新的作用。
1.4 队伍建设有待加强，创新能力不足
教师是教学过程的组织者、谋划者、引导者、参与者和合作者。目前在实验技术队伍建设上存在一些问题，影响了实验技术队伍的稳定性，降低了他们的工作积极性，主要表现在：（1）实验技术岗位设置与岗位补充机制不完善，存在缺岗或者缺编情况；
（2）岗位培训体系与教师再发展要求不匹配，业务水平提升有限，工作创新能力不足，缺少对实验教学工作的总结和反思；
（3）对实验技术人员工程技能培训不足，与“新工科”背景下的课程建设目标不匹配等。
通过查阅文献我们发现，我校目前的改革现状及存在的问题，也存在于其他学校中。因此，如何切实有效的将改革进行下去，实现既定的人才培养目标，需要我们大家一起认真思考。
按照武汉工程大学“十四五”事业发展规划中对课程建设的工作目标要求，我们明确了大学物理实验课程的教学改革思路和目标为：以培养学生实践能力、创新能力为宗旨，积极推行小班化教学，倡导以提升教学效果为目的的创新课堂教学方法，强化课堂设计，强化现代信息技术与教学过程的深度融合，采用多元化的教学模式和多样化的教学方法，对现有实验内容进行教学改革,充分调动学生学习的积极性,激发学生的活力,提高学生的综合素质,以便为各类岗位培养复合型、应用型科技人才[7]。强化师生互动、生生互动，解决好培养学生创新性、批判性思维的问题，让课堂活起来，探索 “激发学生自主学习的积极性、培育学生的科技创新能力和提高工程实践技能、培养新时代复合创新型人才”的途径，构建“线上线下混合式”教学模式。
3.1 以人才培养目标为核心
教学设计的目的是为了更好地实现预期的目标，因此我们制定了大学物理实验课程人才培养目标：
（1）培养学生掌握物理实验基本知识和实验技能，为今后的学习和工作奠定良好的实验基础；
（2）培养与提高学生动手操作、分析判断、归纳总结、撰写实验报告、设计和创新实验方法等科学实验能力；
（3）引导学生重视理论联系实际，培养他们实事求是的科学作风、认真严谨的科学态度以及积极的探索精神。
3.2 以引导学生自主学习为导向
在教学过程中，学生为学习的主体，学习最终由学生自己完成，为了引导和激发学生自主学习，提升学生的参与度和学习积极性，我们确立了“线上线下混合式”的教学模式：
（1）“线上”阶段：遴选优质资源，进行思政教育。
我们设置线上学习阶段的目标是激发和培养学生自主学习的能力。学生是这一阶段的主体，为在不便监管的情况下让学生主动、高效地达成学习目标，我们做了以下几方面的工作：①多角度出发遴选优质教学资源。例如建立相关实验的科技背景视频、预习说明视频、实验仪器介绍视频、社会日常应用视频等内容丰富、形式多样的视频资料，让学生通过线上学习，既了解了实验原理“为什么”，还学习了利用这一原理我们可以“做什么”，将讲授实验原理和操作过程的教学内容进行延伸，并适时、精准引入课程思政元素，从思想上解决学生不明白为什么而学的问题，激发学生自主参与“线上”学习的兴趣，增强学生的自主学习意识。②将线上学习资源与教材各章节内容对应，学生只需扫描课本中的 “二维码”即可在线观看对应章节的学习视频，让学生在没有教师指导的情况下，自主轻松完成线上学习。③建立虚拟实验空间，让学生可以不受时间、空间的限制，动手模拟实验操作全过程，熟悉实验仪器和操作注意事项，为“线下”阶段的学习做好准备。
（2）“线下”阶段：实行分层教学，提质创新。
经查阅文献，我们学习借鉴其他院校开展的以虚拟实验与真实实验相结合、验证性实验与综合性实验为基础、设计性实验与探索性实验为导向的多元化、层次化实验教学改革[8]，根据学生的个体差异以及学习能力、学习目标的不同，我们将物理实验课程分成三个层次开设：①基本层次：面向本、专科生开设通识类大学物理实验必修课。开设40 个左右的实验项目，供学生预约选做；
②提高层次：面向全校本科生开设近代物理实验和高新技术物理实验基础选修课。建立低温、微电子学、等离子体、激光技术、传感技术、光电子及光信息、仿真实验等开放式研究平台，供学生选做，以提高学生的研究创新能力；
③专题层次：面向优秀本科生、研究生和青年教师设置现代物理实验前沿专题选修课。建立微电子学、等离子体、光电子及光信息、可再生能源利用及热、声技术等供研究生和教师开展研究的平台，服务于科研和学科建设。实施分层教学能更好地实现“因材施教”，并将实验课程与科学研究有机结合，对于提升学生综合实践能力具有积极的推动作用。
（3）“线上线下混合”：各守一段渠，互为补充。
“线上线下混合”要求“线上”和“线下”两个学习通道都有各自明确的教学目标，且互为补充，而不是独立存在的两个部分。举例来说：学生在学习过程中遇到问题时，一般会立刻向教师求援而不是去主动思考解决，此时教师充当了救火队员的角色，及时帮学生解决了疑难，但错过了提高学生创新思维能力的时机。作为“线上线下混合式”实验教学的关键环节，教师需充分发挥线下课堂的优势与价值，在课堂上发挥主导作用，多使用具有探究性的实验项目，引导和促进学生开展小组合作探究[9]。我们可以通过给学生提供一个自主学习的“线上”学习通道，为他们创造自主学习的时间和空间，让他们发现问题，引导他们思考问题，并且提供优质的教学资源，帮助他们通过学习尝试着解决问题，例如开展在线讨论等，通过多种形式引导学生由被动学习变为主动钻研，改变目前线下课堂教学时间有限、为学生预留的独立思考时间不足、学生依赖教师来解决问题的局面。研究表明，线上线下相结合的混合式教学方法要优于独立的线上或者线下教学方法，网络视频、线上答疑、线上作业等教学方法是不可或缺的教学手段[10]。
3.3 以教学策略设计为重点
教学策略是指为实现预期教学目标而采用的途径和方法，也就是在明确“要到哪里去”后，解决“怎么去”的问题。下面主要介绍教学组织策略、教学内容传递策略这两个方面。
（1）深入高中或教科院，调研现阶段高中物理课程体系及实验教学现状，制定相应预备实验内容和项目。根据高考及高校招生方式改革实验情况，及时调整方案，解决高校与高中衔接较少的问题。
（2）“新工科”建设是基于国家发展战略部署、产业转型升级的需要，对高等工程教育提出的新要求[11]。内容丰富且面向现代技术需求的大学物理实验教学，可以增强对学生的吸引力，从而可以在“新工科”背景下进行人才的系统培养。建立适应“新工科”要求的大学物理实验教学新体系，可以加强学生的科学思想，培养其科学精神，能将实验与现代技术技能需求有机结合，使之更好地承担“现代技术源泉和先导”之责任[12]，因此我们要认真遴选课程思政元素，引导实验教学与科研相互助力，拓展实验教学内容的广度和深度；
调研“新工科”“工程认证”和“一流专业”标准，实现课内的知识点与工程应用的完美结合，引领构建具有“新工科”特色的知识体系。
（3）建设双语实验教学环境：配合学校制定的“两型两化”（创新型、复合型、工程化、国际化）人才培养模式改革要求，依托我校国家级E+（英语+专业）复合人才培养平台与体系，提高双语教学“软实力”建设，选聘专业的双语教师承担大学物理实验双语教学工作，实现教学全过程双语化，提升学生的综合素养。
（4）针对开展“双创”工作的要求，充分利用湖北省物理实验示范中心的人力、物力资源，我们从每学期来上课的学生中选拔动手能力较强、综合素质较高的学生组建创新实验团队，根据学生各自的专长，按照“创新实验类”“讲课比赛”“仪器装置改进类”“命题类”等不同的方向，配置相应指导教师，带领各小组开展创新实验，做好各级竞赛后备队伍建设。
（5）强化教师与实验员协同，完善实验准备和实验装置维护责任制度，保证实验仪器完好率；
重视实验室安全建设，保障实验过程安全运行；
理清基层教学单位间教学与科研间的“通道”建设，促进院系间的联合，建设特色的共享实验室。
结合实验教学全流程，我们确立了每个阶段“线上线下混合式”教学模式的教学任务和目标：
4.1 线上课前预习阶段
（1）利用学院平台，以线上教学为主，开展实验预备知识自主学习和培训。通过线上学习阶段，学生提前熟悉授课内容，对自己难于理解的知识点有个初步的认知，明确自己的听课重点；
学生明确本次实验课的主要内容及大致的操作要求，撰写预习报告，完成在线预习测试题，为进入实验室开展实验工作做好准备。
（2）重视实验室安全教育。由于课堂教学时间有限，我们可以利用线上平台，部署实验室安全教育在线学习及检测，敦促学生学习实验室安全管理规章制度、实验室安全操作注意事项等相关知识，提高学生的实验安全意识和处理各类安全事件的能力；
结合各级实验室安全管理要求，我们在优学院平台上发布了大学物理实验安全测试题（30 道选择题），并且将各级实验室安全管理文件也一并发布，让学生在线研读。要求学生线上签署《实验室安全协议书》，切实将实验室安全教育落实到位，保证实验教学的顺利开展。
4.2 线下操作阶段
（1）以线下教学为主，线上教学为辅，共约180 分钟，其中教师将讲授实验课程控制在25 分钟，教师讲授完毕后学生展开实验操作。通过线上预习阶段，学生完成在线预习测试的结果反馈，教师可以针对性地调整授课内容，重点讲解学生的存疑点；
学生也可以将自己在线上学习过程中遇到的难点向教师提出，教师有针对性地进行个性化辅导，“线上线下”学习过程充分融合，提高课堂效率，提升学生自主学习能力。
（2）实验操作阶段以学生独立实验为主、教师现场指导为辅，这一阶段的前30 分钟，重在让学生自主操作、理解与内化。在整个线下操作过程中，教师可以通过优学院手机APP 实现学生到课签到、课中发布在线测试等功能，检测、诊断学生的预习成效；
学生可以登录优学院平台，随时对线上预习部分进行授课内容的回顾，以及参与话题讨论等，实现在 “线下”教学过程中通过“线上”进行交流探讨，“线上线下”紧密结合，相互补充。
（3）教师在线下实验授课过程中，分解实验教学与操作，提升学生自主学习的灵活度。通过“线上线下”混合模式授课，实现本门课程的知识目标、能力目标、素质目标。
4.3 实验报告完成阶段
以学生独立完成报告为主，利用师生交流平台，开展互动式教学，及时解答学生的疑难问题。
4.4 自主创新阶段
以一对一交流为主，学生结合本学期自己所做过的某个实验项目，提出自己对实验方法探索、仪器装置改进、数据处理优化等方面的思考和探索，结合“双创”平台，在毕业设计、科技实践及各种竞赛环节中，将学生的创新研究成果进行转化利用，并将学生在实验过程中表现出来的探索创新、操作本领、职业伦理、协作沟通、总结归纳等方面的能力和素养都作为课程评价的依据[13]，将学生的研究报告、论文、专利或竞赛成果等作为创新成效的考核依据。
4.5 课程成绩综合评定阶段
结合“线上线下混合式”教学模式，我们采取分阶段、综合评定课程总评成绩的方式。这样做的目的是促使学生重视课前“线上”学习阶段的自主学习。希望通过精准课程思政元素的引入，培养他们独立完成实验的能力、激发他们创新探索的科学精神：
第一阶段：平时成绩占70%，现场完成实验成绩占 20%，实验创新报告占 10%。
第二阶段：根据学生开题报告以及实验完成的目标，由院级创新实验成绩认定小组鉴定创新实验成绩，满足创新实验要求的给予2 学分。
（1）平时成绩包括课前预习、现场操作、实验报告与课程思政总结。课前预习的评分依据预习报告质量和线上视频预习完成度来评定；
操作分评定主要根据实验完成速度、数据获取的正确性来综合评定；
实验报告以传统式进行考核（含课程思政总结）。
（2）增加实验的现场完成实验作为考试，对学生的态度、方法、技能进行考核，占总成绩的20%。
（3）创新实验就是让学生按要求完成实验创新项目，约占总成绩的10%。
综上，武汉工程大学“线上线下混合式”教学模式如图2所示：
图2 “线上线下混合式”教学模式
“新工科”建设背景下大学物理实验教学应丰富大学物理实验内容，加强学生科学思维培养；
完善大学物理实验环节，增强学生解决问题的主动性；
优化大学物理实验导向，提升学生探究问题的求知欲；
推进大学物理实验互动，实现教学与“新工科”技术支撑交融[14]。从2019年实施“线上线下混合式”教学模式改革以来，对比可以发现学生实验报告完成质量大幅度提高。近两年春季学期学生平均分提高1.3 分，秋季学期学生平均分提高 2.9 分，学生评教成绩提高 7.3分。同时近5年来，我们重视学生实验创新团队的建设，在指导教师的带领下学生成功申请创新创业项目16 项、校长基金 28 项、竞赛获国家级奖 8 项、省级奖14 项、专利 27 项，多名指导教师获校“优秀指导导师”奖等多种荣誉。在今后的教学改革实践过程中，我们要继续深挖课程思政元素、探究实验课程知识点与解决工程实际问题相结合的方法、创新大学物理实验课程考核方式，实现实验过程全覆盖，促进学生综合能力的提升，培养新时代复合创新型人才。
