中德應(yīng)用型本科大學(xué)物理實驗教學(xué)對比

柯 磊

(上海電機學(xué)院 文理學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

自德國2013年漢諾威工業(yè)博覽會首次提出“工業(yè)4.0”概念起，全球科技革命呈現(xiàn)出嶄新的發(fā)展態(tài)勢與特征[1-3]。2014年中德雙方發(fā)表《中德合作行動綱要：共塑創(chuàng)新》，宣布兩國開展“工業(yè)4.0”合作[4]；2015年國務(wù)院公布中國“工業(yè)4.0”規(guī)劃《中國制造2025》，明確“制造大國”向“制造強國”的轉(zhuǎn)變方向[5]；2016年工業(yè)和信息化部推進的中德智能制造14個合作試點項目啟動，開啟了新一輪智能制造革命[6]；2017年3月和2018年3月，在上海臨港召開了兩屆“智能制造應(yīng)用型人才培養(yǎng)”中德論壇，積極探討“工業(yè)4.0背景下企業(yè)的人才需求”，從人才角度剖析工業(yè)的變革帶來的人才培養(yǎng)模式的改變[7-10]。這些舉措表明國家正在逐步加強高校與智能制造、裝備制造行業(yè)相關(guān)企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)應(yīng)用型人才的工作。在國家積極推進地方普通本科高校向應(yīng)用技術(shù)型高校轉(zhuǎn)型發(fā)展的大背景下，筆者所在的高校目前已實施“校企對接共建二級學(xué)院”，即由學(xué)校與企業(yè)組成共同體，建立起“互惠、共贏”的合作模式[11-13]。其中，對課程的重組、整合和優(yōu)化是核心的一環(huán)。大學(xué)物理實驗作為實踐教學(xué)的重要組成部分，課程的改造是全方位落實應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求的必然[14]。本文對比德國凱澤斯勞滕應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的物理實驗課程，從教學(xué)體系、師資隊伍建設(shè)等方面進行分析，提出相應(yīng)的改革措施。

1 背 景

上海電機學(xué)院中德智能制造學(xué)院成立于2016年6月，是我校與德國凱澤斯勞滕應(yīng)用技術(shù)大學(xué)長期合作的成果，也是學(xué)校積極響應(yīng)國家戰(zhàn)略需求“新工科”建設(shè)的結(jié)果。中德智能制造學(xué)院將優(yōu)秀的德國模塊化教學(xué)模式引入學(xué)科建設(shè)中，強調(diào)基礎(chǔ)課與專業(yè)課的有效銜接，計劃培養(yǎng)出一批具有國際視野、熟悉國際規(guī)則、能夠參與國際交流及適應(yīng)智能制造領(lǐng)域國際競爭的現(xiàn)場工程師。2017年10月，德國的物理實驗教師來到我校講授物理實驗課程，將德國應(yīng)用型本科高校的實驗教學(xué)模式進行了展示。在德國教師的實驗課堂中，探索型教學(xué)形式和構(gòu)建主義的教學(xué)方法讓人印象深刻，筆者作為與德方教師的課程合作者，參與了實驗教學(xué)的全過程，發(fā)現(xiàn)德方教師在實驗設(shè)計、安排和教學(xué)方面頗有獨到之處，可供國內(nèi)教師和學(xué)者參考借鑒。

2 教學(xué)對比

(1)實驗教學(xué)體系。大學(xué)物理實驗是國內(nèi)理工科院校普遍開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，作為一門實踐性和創(chuàng)新性較強的課程，大學(xué)物理實驗著重于培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識分析和解決實際問題的能力。但目前國內(nèi)大學(xué)物理實驗課程大多沒有針對專業(yè)特點進行設(shè)置，內(nèi)容偏單一，驗證性實驗遠多于設(shè)計性實驗，缺乏足夠的吸引力；另一方面，教師對實驗操作過程的引導(dǎo)和把控不夠，很多學(xué)生都是被動地進行實驗，課程要求什么，學(xué)生就做什么，學(xué)生更多關(guān)注的是獲得數(shù)據(jù)和完成報告，較少去考慮知識的應(yīng)用和操作的創(chuàng)新，這必然導(dǎo)致系統(tǒng)培訓(xùn)學(xué)生實驗方法和技能的效率不高。

以我校為例，表1給出了中、德大學(xué)物理實驗教學(xué)體系的情況對比。從表中可見，同樣是針對應(yīng)用型本科非物理專業(yè)的中國學(xué)生，中、德實驗教學(xué)上的差異是巨大的。首先是教學(xué)時長上的差別。中、德實驗均為2學(xué)分，我校的實驗學(xué)時數(shù)為32，貫穿于整個學(xué)期16個教學(xué)周，周學(xué)時為2，每個課時為45 min，實驗總時長1 440 min，共涉及12個實驗項目，平均每個實驗課時為120 min；而德國的實驗學(xué)時數(shù)為10，看似較少，但每個課時為240 min，實驗總時長2 400 min，只涉及5個實驗項目，平均每個實驗課時為480 min，是我校的4倍。較少的實驗項目和充足的實驗時間使德國的實驗課程含金量很高，一方面學(xué)生可以在實驗室充分熟悉儀器設(shè)備，結(jié)合實驗原理，自行搭建實驗平臺，思考實驗現(xiàn)象，提高動手能力；另一方面，教師可以設(shè)計創(chuàng)新實驗，適當(dāng)提高實驗難度，側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生運用知識解決實際問題的能力。實際中，德國的實驗課堂上完成實驗的方法并不統(tǒng)一，實驗儀器連接或搭配形式多樣，而我校的實驗大多是完整的儀器設(shè)備，由學(xué)生按照一定的步驟進行測量和計算，限制了學(xué)生的思維。

表1 中、德大學(xué)物理實驗教學(xué)體系對比

(2)師生比。以30名學(xué)生的班級規(guī)模為例，我校指導(dǎo)教師1人，配有助教1人，師生比為1∶15；德國指導(dǎo)教師1人，配有助教4人，師生比為1∶6。顯然實驗課上德國教師分?jǐn)偨o學(xué)生的時間更多，指導(dǎo)學(xué)生更充分。德國的助教一般由1名實驗技術(shù)人員和3名高年級學(xué)生組成。實驗技術(shù)人員負(fù)責(zé)實驗課的各種具體準(zhǔn)備和儀器設(shè)備的管理，并和指導(dǎo)教師共同確定實驗課的總體安排和單個實驗的設(shè)計。高年級學(xué)生助教是由指導(dǎo)教師選拔的，并需要經(jīng)過一定時間的培訓(xùn)，他們主要負(fù)責(zé)解決學(xué)生在實驗過程中遇到的問題，并參與實驗結(jié)束時的口試。德國的實驗教師團隊配置合理、分工明確，大大提升了實驗課的效率。我校的實驗師資安排過于精簡，雖然也有1名高年級學(xué)生擔(dān)任助教輔助教師開展實驗，但1∶15的師生比現(xiàn)狀讓教師和助教分身乏術(shù)，往往指導(dǎo)學(xué)生不夠充分和全面，不能迅速解決實驗中的問題，在開放性實驗和創(chuàng)新性實驗設(shè)計上更是心有余而力不足。

(3)教學(xué)模式。從表1中只能看到形式上的區(qū)別，但實際教學(xué)效果上的差別是非常大的。我校的教學(xué)模式是預(yù)習(xí)、講解、演示、操作，德國是預(yù)習(xí)、提問、介紹、操作。實驗預(yù)習(xí)時，我?？粗氐氖穷A(yù)習(xí)報告的完整性，很多學(xué)生書寫預(yù)習(xí)報告時只是生硬的將教材上的內(nèi)容搬到報告紙上，對實驗內(nèi)容一知半解，不去深入研究，一些學(xué)習(xí)積極的學(xué)生也只是把問題帶到實驗室，期望在實驗課上解決全部問題。而德國教師對學(xué)生的預(yù)習(xí)提出了非常嚴(yán)格的要求，近乎苛刻。學(xué)生必須通過預(yù)習(xí)來熟悉實驗的核心內(nèi)容和相關(guān)公式，需要做好預(yù)習(xí)筆記，包括實驗步驟和公式推導(dǎo)。由于德國實驗教材并不給出很詳細的實驗背景知識，而是很多思考題目和參考書目，因此學(xué)生在預(yù)習(xí)時必須查閱大量的參考書籍，這雖然在實驗前給學(xué)生施加了很大壓力，但也無形中夯實了學(xué)生的實驗基礎(chǔ)，讓學(xué)生在實驗前做好充足的準(zhǔn)備工作。進入實驗室后，我校教師的教學(xué)形式是教師先講解實驗內(nèi)容，提出實驗要求，而后進行實驗演示，學(xué)生再自行操作開展實驗。這樣手把手的教學(xué)的確能在短時間內(nèi)輔導(dǎo)學(xué)生完成實驗，但限制了學(xué)生的思維和主觀能動性，學(xué)生完全是為了實驗結(jié)果而實驗，實驗?zāi)康募性谟^察實驗現(xiàn)象和記錄實驗數(shù)據(jù)，而并沒有真正意義上鍛煉學(xué)生的實際動手能力，學(xué)生往往是做完實驗后仍不完全清楚實驗的原理，對理論知識的理解依然停留在實驗前的水平。德國教師在學(xué)生實驗前會有提問環(huán)節(jié)，這實際上是對學(xué)生預(yù)習(xí)情況的檢查，考察學(xué)生是否理解實驗原理，如果發(fā)現(xiàn)學(xué)生的預(yù)習(xí)效果不佳，便會通知學(xué)生重新預(yù)習(xí)并另行約定時間進行實驗操作。提問環(huán)節(jié)過后，德國教師會審閱學(xué)生的預(yù)習(xí)筆記并給出分?jǐn)?shù)，作為最終分?jǐn)?shù)的一部分。如此的“提問—審閱—打分”設(shè)置也會反過來促使學(xué)生認(rèn)真預(yù)習(xí)，同時使教師最終的評分更為客觀準(zhǔn)確。在學(xué)生正式操作實驗前，德國教師會對實驗作簡要介紹，這種介紹并不是傳統(tǒng)意義上的告訴學(xué)生要做什么、怎么做，而是在介紹過程中不斷的拋出問題讓學(xué)生思考，有些問題是關(guān)于實驗儀器的，更多的問題則是和日常生產(chǎn)實踐有聯(lián)系的，以此來充分激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。學(xué)生通過發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題，充分鍛煉了自身的邏輯思維能力，并切實體會了如何將理論應(yīng)用于實踐，解決實際問題。

(4)考核方式。我校是“筆試+操作”，同一套試卷、同樣的操作題目保證了考核的公平性。雖然筆試可以在一定程度上了解學(xué)生掌握實驗理論的情況，但如果學(xué)生在實驗前突擊記憶理論知識、實驗操作步驟等，也能獲得不錯的成績。因此筆試的形式不能準(zhǔn)確評價學(xué)生，也不能從根本上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，對于提高學(xué)生實驗?zāi)芰蛯嵺`技能的意義十分有限。德國是“口試+操作”，講究的是考核的有效性。整個口試過程持續(xù)時間30～60 min，有助教學(xué)生在旁進行記錄。德國的口試模式主要有4大特點：①口試學(xué)生的基礎(chǔ)理論。通常教師會提問一些反映實驗基本內(nèi)容的問題。比如在涉及單擺問題時，教師會提問用秒表記錄擺動時間時，停表時應(yīng)該注意些什么？通過口試基礎(chǔ)理論，來把握學(xué)生在物理實驗的基礎(chǔ)知識、方法和技能方面訓(xùn)練的程度。②口試學(xué)生的操作技能。是否能夠獨立、熟練地進行實驗操作是教師衡量學(xué)生學(xué)習(xí)效果的主要標(biāo)準(zhǔn)。在實驗室面對實驗儀器，教師會讓學(xué)生先行操作，然后根據(jù)操作發(fā)問，可以提問誤操作，也可以提問注意事項，或是提問測量結(jié)果等。通過口試操作技能，反映學(xué)生的動手和應(yīng)變水平，使學(xué)生具有初步的從事科學(xué)實驗的能力。③口試強調(diào)引導(dǎo)和啟發(fā)?？谠嚥⒉皇菫榱穗y倒學(xué)生，而是要了解學(xué)生掌握實驗知識的深度。如果在口試中遇到學(xué)生一時回答不上來，教師并不是就此結(jié)束，而是給予適當(dāng)?shù)狞c撥，循循善誘，引導(dǎo)學(xué)生正確的思考和解決問題。④綜合評定學(xué)生的成績。口試可以較為全面的了解學(xué)生掌握物理實驗基本內(nèi)容的程度和運用基本儀器進行獨立操作的能力，但德國教師也深知單次口試的成績可能存在著一定程度的偶然性。對學(xué)生個體而言，口試內(nèi)容可能有難有易，容易影響口試的成績。因此，在評定每個學(xué)生的實驗成績時，教師會綜合考慮到學(xué)生平時完成實驗的情況，結(jié)合兩者給出合理的實驗成績。總之，德國的口試模式非常靈活，可以直接向?qū)W生發(fā)問，也可以先觀察學(xué)生的獨立實驗操作再提問，還可以提出較難的問題后再予以啟發(fā)，這些都非常有利于全面考察學(xué)生的實際能力。

3 教學(xué)思考

通過對比中、德大學(xué)物理實驗教學(xué)，不難看出，德國高校在教學(xué)理念、教學(xué)體系、師資培養(yǎng)等方面有很多值得我們學(xué)習(xí)和借鑒的地方。德國應(yīng)用型本科教育十分注重與工業(yè)需求的結(jié)合，對人才的培養(yǎng)是全方面的，是面向市場、面向社會的[15-16]。德國高校會關(guān)注企業(yè)的發(fā)展動向，以企業(yè)發(fā)展需求為依據(jù)來規(guī)劃和制定人才培養(yǎng)方案，并根據(jù)實際需求變化不斷微調(diào)課程設(shè)置，更好地服務(wù)于社會。

(1)重視實驗教學(xué)，明確服務(wù)于專業(yè)人才培養(yǎng)的教學(xué)理念。大學(xué)物理實驗有著所有科學(xué)實驗的共性，在實驗思想、方法、手段等方面是各學(xué)科科學(xué)實驗的基礎(chǔ)。大學(xué)物理實驗在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際，尤其是與科學(xué)技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力等方面起著重要的作用。德國高校非常重視實驗教學(xué)，不僅實驗課時多，而且學(xué)生的實驗表現(xiàn)是人才選拔的重要依據(jù)，一些科研機構(gòu)、用人單位錄用學(xué)生時，會參考學(xué)生本科期間的實驗成績。德國實驗教學(xué)中無論是教師演示實驗還是學(xué)生操作實驗，都非常注重加強與工程技術(shù)相關(guān)的專業(yè)課程的聯(lián)系，注重培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力。一些開放性的實驗設(shè)計和選做的實驗安排讓學(xué)生能夠按照自己的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)深化實驗操作，從不知道到知道，再到理解應(yīng)用，最后到分析評價，進而創(chuàng)新創(chuàng)造，完成專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)實現(xiàn)的矩陣，學(xué)到書本上沒有的知識。

(2)開發(fā)實驗教案，結(jié)合專業(yè)特點開展模塊化教學(xué)和層次化教學(xué)。長期以來，我國本科物理實驗的教案一直強調(diào)體系的完備和系統(tǒng)，從頭至尾基本上都是理論性很強的原理描述和細致詳盡的實驗步驟，忽略了應(yīng)用性，這對于應(yīng)用型本科的學(xué)生而言過于龐大和深奧，限制了學(xué)生的實踐創(chuàng)新水平。德國的教案并不統(tǒng)一，一般為教師自編，內(nèi)容緊湊精煉，主要涉及實驗原理和實驗步驟相關(guān)的問題，并附有大量的參考書目，需要學(xué)生自行查閱解決問題，這對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提出了較高的要求，利于學(xué)生綜合能力的提升。除此之外，德國教學(xué)中把培養(yǎng)目標(biāo)相近的專業(yè)歸在一起，劃分不同的教學(xué)模塊，每個模塊內(nèi)容和側(cè)重點不同，突出專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，真正實現(xiàn)實驗教學(xué)與專業(yè)人才培養(yǎng)之間針對性服務(wù)。同時尊重學(xué)生的個體差異，因材施教，對基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生適當(dāng)增加課時，放緩進度，重點強調(diào)物理思維方式和基礎(chǔ)操作，達到層次化教學(xué)。模塊化教學(xué)和層次化教學(xué)都是為了激發(fā)學(xué)生開展物理實驗的興趣，開闊學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)上的視野，促進學(xué)生在后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)中對物理知識的熟練應(yīng)用，使物理實驗的科學(xué)基礎(chǔ)性和工程應(yīng)用性充分體現(xiàn)在學(xué)生學(xué)習(xí)和工作的整個過程中。

(3)提升教師素質(zhì)，強化教師的工程背景和跨學(xué)科教學(xué)的能力。大學(xué)物理實驗教師必須了解專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容，才能使教學(xué)更具有針對性，實現(xiàn)為專業(yè)課教學(xué)服務(wù)的目的。讓實驗教師完全掌握專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容是不現(xiàn)實的，但任課教師深入專業(yè)系部，參與各專業(yè)人才培養(yǎng)方案的制定，與專業(yè)課教師探討交流，就能找到物理實驗與各專業(yè)課程的結(jié)合點，開展針對性教學(xué)。與此同時，學(xué)校可以鼓勵教師進行國內(nèi)外訪學(xué)，到企事業(yè)單位掛職鍛煉。通過訪學(xué)將國內(nèi)外高校先進的教學(xué)理念、教學(xué)方法和手段引進來，促進實驗教學(xué)水平的提高；通過掛職鍛煉，熟悉行業(yè)規(guī)范和技術(shù)手段，尤其是將一些工程技術(shù)手段帶到課堂，與專業(yè)結(jié)合，在教學(xué)中突出工程技術(shù)知識的講解，使學(xué)生了解到所學(xué)知識的應(yīng)用價值。

4 結(jié) 語

應(yīng)用型本科大學(xué)物理實驗具有很強的綜合性和實踐性，應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、自主分析、解決問題的能力，才能真正使學(xué)生具備基本的科學(xué)思維和實踐能力，德國高校在這方面有很多值得我們學(xué)習(xí)和借鑒之處。當(dāng)前高等教育正處于前所未有的大發(fā)展大變革時期，專業(yè)的快速發(fā)展和人才培養(yǎng)模式的不斷變化給教學(xué)提出了更高的要求。在應(yīng)用型人才培養(yǎng)過程中，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)被強化，對作為基礎(chǔ)課程的大學(xué)物理實驗也提出了新的要求?？茖W(xué)客觀地對待大學(xué)物理實驗在應(yīng)用型人才培養(yǎng)中遇到的各種新問題，積極采取措施，及時解決這些問題是提高大學(xué)物理實驗教學(xué)水平的一種合理而有效的選擇。