近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程的模式探索*

陳東海 馬松山 段玉霞 歐陽(yáng)方平

(中南大學(xué)物理與電子學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

近代物理實(shí)驗(yàn)是針對(duì)高年級(jí)物理專業(yè)本科生的一門綜合性實(shí)驗(yàn)課程.其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多取自獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn),這些實(shí)驗(yàn)?zāi)芎芎玫刎S富學(xué)生的物理思想,激發(fā)他們的物理思維,在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和科研能力等方面發(fā)揮著重要作用[1].與基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程相比,近代物理實(shí)驗(yàn)專業(yè)性更強(qiáng)、綜合性更高,具體到教學(xué)方面,體現(xiàn)為教學(xué)內(nèi)容多、教學(xué)規(guī)模小、儀器設(shè)備貴等特點(diǎn),如何根據(jù)其特點(diǎn),有針對(duì)性地提高近代物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果,是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要研究的重要課題.

1 近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)和約束性條件

近二十年來,國(guó)內(nèi)高校陸續(xù)開設(shè)近代物理實(shí)驗(yàn)課程,總體而言這門課程正處于快速發(fā)展階段,已經(jīng)取得了不錯(cuò)的教學(xué)成效.同時(shí)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展過程中也出現(xiàn)了不少突出問題.隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的飛速發(fā)展,原有的教學(xué)體系、方法、內(nèi)容和模式也應(yīng)當(dāng)與時(shí)俱進(jìn),以更好適應(yīng)當(dāng)前學(xué)生的特點(diǎn)和高校人才培養(yǎng)的目標(biāo)要求.

1.1 近代物理實(shí)驗(yàn)是綜合性的、獨(dú)立的課程

近代物理實(shí)驗(yàn)不是依附于某個(gè)理論課程的附加性、嵌入性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),而是一個(gè)針對(duì)高年級(jí)本科生的獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課程.一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通常對(duì)應(yīng)多個(gè)具體理論基礎(chǔ),而不只是與理論教材中的某一個(gè)章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)相對(duì)應(yīng);它不僅僅滿足于基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)所要求的驗(yàn)證理論知識(shí)、學(xué)習(xí)操作方法、培養(yǎng)良好習(xí)慣等教學(xué)目標(biāo),而是更注重理論的交叉運(yùn)用,并在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生科研習(xí)慣,探索解決問題;同時(shí),近代物理實(shí)驗(yàn)還要求學(xué)生有較好的物理思維和實(shí)踐研究能力.因此,近代物理實(shí)驗(yàn)課程是一門對(duì)基礎(chǔ)理論、物理思維和科研實(shí)踐均有較高要求的實(shí)驗(yàn)課程,具有較強(qiáng)的綜合性和學(xué)科交叉性.

1.2 教師與學(xué)生是“多對(duì)一”或者“多對(duì)多”的關(guān)系

與理論課程或者其他實(shí)驗(yàn)課程相比,在近代物理實(shí)驗(yàn)課程中,教師與學(xué)生不是“一對(duì)多”的關(guān)系,而是“多對(duì)一”或“多對(duì)多”關(guān)系.一方面,由于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較多、各個(gè)教師的研究領(lǐng)域和教學(xué)方向不同,近代物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)通常由幾名、十幾名甚至幾十名教師共同承擔(dān).另一方面,不同于基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn),近代物理實(shí)驗(yàn)面向的學(xué)生只是物理學(xué)專業(yè),受眾面相對(duì)較小;而且近代物理實(shí)驗(yàn)的儀器設(shè)備相對(duì)較為昂貴,學(xué)校一般配備設(shè)備數(shù)量少,因此通常采用分組形式組織教學(xué).

1.3 課程教務(wù)工作量大

由于近代物理實(shí)驗(yàn)是綜合性的實(shí)驗(yàn),相對(duì)難度系數(shù)大,所以大部分高校設(shè)置的課時(shí)比一般基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)較長(zhǎng),國(guó)內(nèi)高校通常為3～6個(gè)課時(shí)不等,國(guó)外前沿高校更有以周為單位計(jì)算課時(shí)[2].加之采用小組上課模式,教師與學(xué)生在時(shí)間上協(xié)調(diào)難度大.由于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和科研進(jìn)展的變化,教師的備課需要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟進(jìn),而且通常一次備課也只能針對(duì)一個(gè)學(xué)習(xí)小組.這種教師多、內(nèi)容雜、課時(shí)長(zhǎng)、分組多的教學(xué)模式直接導(dǎo)致了選課、排課、考核等課程教務(wù)工作量的成倍增加.

1.4 教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法靈活多樣

近代物理實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的綜合性和學(xué)科交叉性,各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)條件、教學(xué)方法等形式上千差萬別,整個(gè)課程難以用一種教學(xué)模式來組織.

1.5 課程思政元素亟待挖掘

近代物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多來源于獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn),而這些實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn)大多由西方科學(xué)家首先探索發(fā)現(xiàn).如果不深入了解我國(guó)老一輩科學(xué)工作者的愛國(guó)情懷和無私奉獻(xiàn)的精神,不深入了解當(dāng)代物理科研的進(jìn)展動(dòng)態(tài),就難以在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入更多的中國(guó)元素,這是近代物理實(shí)驗(yàn)課程思政亟需解決的問題.

1.6 課程與科研和競(jìng)賽相輔相成

近代物理實(shí)驗(yàn)課程中的很多內(nèi)容與當(dāng)前科學(xué)研究課題直接關(guān)聯(lián),其理論基礎(chǔ)和物理思維也與各類物理競(jìng)賽直接相關(guān).如何將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步深化并銜接前沿科學(xué)研究[3],如何利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)選拔推薦學(xué)生參加各類物理競(jìng)賽,做到教學(xué)、科研、競(jìng)賽互相融合、互相促進(jìn),將成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)方向之一.

2 近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程模式探索

結(jié)合上述特點(diǎn)和約束性的條件,中南大學(xué)物理與電子學(xué)院對(duì)近代物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)流程做了一系列的探索改革,形成了一套相對(duì)穩(wěn)定的教學(xué)模式.

2.1 召開教學(xué)準(zhǔn)備會(huì) 實(shí)施集體教研制度

每學(xué)期開課之前,近代物理實(shí)驗(yàn)課程教務(wù)組召開集體教學(xué)準(zhǔn)備會(huì),根據(jù)人員設(shè)備變動(dòng)、學(xué)生調(diào)研反饋、教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)、最新科研項(xiàng)目成果[4]及其他動(dòng)態(tài)因素,按照分層次、多元化[5]的原則調(diào)整確定近代物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和教學(xué)內(nèi)容,以供學(xué)生選擇.組織教師集體研討教學(xué)方法和教學(xué)形式,編制講義資料、統(tǒng)籌課程教務(wù).

2.2 開設(shè)近代物理實(shí)驗(yàn)先導(dǎo)課程

在實(shí)驗(yàn)選課之初安排2個(gè)課時(shí)的先導(dǎo)課程,主要由教師簡(jiǎn)要介紹各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、理論基礎(chǔ)、方法步驟和作用意義等,極大調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探索興趣和創(chuàng)新動(dòng)力[6],也便于學(xué)生根據(jù)自身興趣和各自知識(shí)儲(chǔ)備優(yōu)勢(shì)等具體選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.同時(shí),對(duì)課程預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、撰寫報(bào)告等提出規(guī)范要求,明確課程要求、操作規(guī)程、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn).另外,在先導(dǎo)課程中,可以融入一些中國(guó)元素,比如,在講普朗克實(shí)驗(yàn)時(shí),可以用葉企孫先生的測(cè)量結(jié)果與普朗克常數(shù)進(jìn)行比較;在講到拉曼實(shí)驗(yàn)時(shí),可以提及鐃毓泰、吳大猷和沈壽春先生的實(shí)驗(yàn)故事,通過引入這些中國(guó)科學(xué)家的科研經(jīng)歷和愛國(guó)故事,激勵(lì)學(xué)生的愛國(guó)熱情,通過融入思政元素進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

2.3 學(xué)生組隊(duì) 小組選課

近代物理實(shí)驗(yàn)為必修課,具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由學(xué)生自選.由于受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、設(shè)備等因素制約,近代物理實(shí)驗(yàn)通常采用小組教學(xué).學(xué)生根據(jù)自身興趣和知識(shí)結(jié)構(gòu),結(jié)成不同的學(xué)習(xí)組、研究組,再以小組形式選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[7],形成最終的課程計(jì)劃.近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程如圖1所示.

圖1 近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

2.4 學(xué)生預(yù)習(xí)

課程教務(wù)組根據(jù)教學(xué)準(zhǔn)備會(huì)的部署編制《近代物理實(shí)驗(yàn)》預(yù)習(xí)冊(cè),學(xué)生根據(jù)下發(fā)的實(shí)驗(yàn)教材、講義,或者結(jié)合慕課、翻轉(zhuǎn)課堂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí),完成預(yù)習(xí)報(bào)告的作答,對(duì)疑難問題做好記錄,等待實(shí)驗(yàn)探索或者向指導(dǎo)教師提出.

2.5 組織教學(xué)和實(shí)驗(yàn)

這一過程形式多樣,根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不同而不同.教學(xué)形式可以是線上,也可以是線下,或者線上線下結(jié)合.教師可以理論輔導(dǎo),也可以實(shí)踐引導(dǎo),學(xué)生可以自主探索,也可以尋求指導(dǎo).教師應(yīng)當(dāng)挖掘與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的課程思政元素和當(dāng)前相關(guān)科技的前沿進(jìn)展,持續(xù)調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性.學(xué)生根據(jù)自身預(yù)習(xí)情況,主動(dòng)探索,自由實(shí)驗(yàn),樂學(xué)創(chuàng)新[4],在發(fā)現(xiàn)和解決問題的過程中提升能力.師生之間在相互交流研討過程中完成實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在預(yù)習(xí)冊(cè)中的專用數(shù)據(jù)記錄頁(yè)面內(nèi),并由指導(dǎo)教師簽字.

2.6 提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告

學(xué)生需將預(yù)習(xí)冊(cè)中經(jīng)過指導(dǎo)教師簽字的數(shù)據(jù)活頁(yè)取下來粘貼到實(shí)驗(yàn)報(bào)告上,并依據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析.

2.7 成績(jī)?cè)u(píng)定和總評(píng)成績(jī)

針對(duì)實(shí)驗(yàn)課程制定詳細(xì)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn).各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成績(jī)是由指導(dǎo)教師把實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告按20%、40%、40%的比重加權(quán)而成,學(xué)生課程總成績(jī)?nèi)「鲗?shí)驗(yàn)項(xiàng)目成績(jī)的平均值.如果學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)某個(gè)實(shí)驗(yàn)有進(jìn)一步研究探索工作或者成果,如對(duì)某個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有改進(jìn)思路或做法、有論文成果等,則由課程教務(wù)組對(duì)該學(xué)生的總評(píng)成績(jī)進(jìn)行加分.

2.8 課后深化

完成實(shí)驗(yàn)后,部分學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)探索找到興趣點(diǎn)和突破點(diǎn),并繼續(xù)深化研究,甚至申請(qǐng)專利或發(fā)表論文等.教師也可以通過課程教學(xué)來豐富自身科研思路和成果,同時(shí),根據(jù)學(xué)生表現(xiàn),進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生從事科研工作,推薦學(xué)生參加相關(guān)物理競(jìng)賽等.

2.9 課程反饋總結(jié)

從兩個(gè)層面組織課程調(diào)研.一是指導(dǎo)教師在該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)束之后現(xiàn)場(chǎng)征詢學(xué)生意見,二是學(xué)期結(jié)束之后通過微信群、QQ群等征詢學(xué)生意見.了解對(duì)某個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或者整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程的心得體會(huì),哪些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有意義,哪些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要改進(jìn),哪些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以增加或者刪減,哪些流程可以優(yōu)化,哪些指導(dǎo)教師需要改進(jìn)等.調(diào)查問卷(節(jié)選)如表1所示.

表1 近代物理實(shí)驗(yàn)課程調(diào)查問卷樣例(節(jié)選)

比如,我們從最近的一次調(diào)查問卷結(jié)果發(fā)現(xiàn),80.7%的學(xué)生希望能采用彈性課時(shí)模式,即根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)整課時(shí),而不是所有實(shí)驗(yàn)都按一個(gè)課長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn);90.3%的學(xué)生更傾向于進(jìn)行線下實(shí)驗(yàn)而不是線上實(shí)驗(yàn)或者仿真實(shí)驗(yàn);17.7%的學(xué)生希望把磁性物理相關(guān)實(shí)驗(yàn)放到第二個(gè)學(xué)期,等等.課程教務(wù)組就可以根據(jù)這些反饋結(jié)果對(duì)后續(xù)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行變動(dòng)調(diào)整,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量.

3 本教學(xué)模式的特色

(1) 通過開設(shè)先導(dǎo)課,學(xué)生可以粗略了解各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的理論基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒎椒ú襟E等基本情況,然后結(jié)合自身知識(shí)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和興趣愛好進(jìn)行選擇,而不是憑實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱、憑“眼緣”或“手感”來選擇[8].

(2) 先導(dǎo)課的另一個(gè)重要作用是承載課程思政內(nèi)容,在教學(xué)過程中科學(xué)合理地拓展課程的內(nèi)容,融入經(jīng)典實(shí)驗(yàn)背后的中國(guó)元素案例和前沿科技的熱點(diǎn)領(lǐng)域,將這些思想價(jià)值和科學(xué)精神等元素結(jié)合專業(yè)知識(shí)傳遞給學(xué)生[9],達(dá)到提高教學(xué)效果的目的.

(3) 通過小組教學(xué)能夠充分利用教師的科研設(shè)備和場(chǎng)地,緩解了近代物理實(shí)驗(yàn)專用教學(xué)儀器設(shè)備和場(chǎng)地不足的問題,既實(shí)現(xiàn)了教師與學(xué)生之間“多對(duì)一”“多對(duì)多”地銜接,也滿足了各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在教學(xué)模式上的共性與個(gè)性的統(tǒng)一,提高了教學(xué)效果.

(4) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、講義資料、預(yù)習(xí)冊(cè)等按學(xué)期動(dòng)態(tài)同步調(diào)整,在教學(xué)目標(biāo)的框架內(nèi),以學(xué)科建設(shè)為支撐,把最新的科研成果引入到近代物理實(shí)驗(yàn)中,既適應(yīng)了儀器設(shè)備具體實(shí)際,也結(jié)合了教師的科研進(jìn)展,還滿足了學(xué)生的學(xué)習(xí)需求,較大程度上提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果.

(5) 實(shí)驗(yàn)課程與科研、競(jìng)賽對(duì)接,實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng).在提升學(xué)生探索研究能力的同時(shí),也為各類物理競(jìng)賽作了人員選拔和推薦儲(chǔ)備.目前,本科生進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)室并參與研究已經(jīng)成為我院常態(tài),實(shí)驗(yàn)教學(xué)也成為學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽(CUPT)和大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽等賽事的重要引導(dǎo)要素.

4 結(jié)束語(yǔ)

從“立德樹人”的根本任務(wù)出發(fā),將課程思政融入近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),落實(shí)“學(xué)生為主體,教師為主導(dǎo)”的教學(xué)理念,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主體意識(shí),以學(xué)習(xí)小組、研究小組的形式自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的各個(gè)環(huán)節(jié)和流程,形成一套相對(duì)穩(wěn)定又可動(dòng)態(tài)調(diào)整的教學(xué)模式,對(duì)課堂教學(xué)過程的具體教學(xué)方法保持開放的態(tài)度,尋求不同實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容在共性與個(gè)性上的統(tǒng)一,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)接教師科研進(jìn)展和物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽,培養(yǎng)學(xué)生的物理思維和研究能力,達(dá)到全面提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的目的.