“工程教育专业认证”背景下大学物理实验专业分类教学的探索与实践

来源:用户上传      作者:张勇　宋逸俏　陶霞　张建福

　　摘  要：中国加入《华盛顿协议》后，在教育改革建设中实现中国工程教育质量与国际接轨成为当下高校工科教育的重要工作。为了保证实现工科专业毕业生能够达到时代需求的标准，笔者探讨了该校大学物理实验教学中存在的一些弊端，这项工作中根据调查问卷问卷调查表及教师商议研讨的结果，提出了适合不同专业学生“私人订制”型物理实验培养计划，增加综合型、设计类创新性实验，成立课后科研小组等改革措施。通过构建物理实验的专业分类教学体系，加强基础训练、提高学生的综合素质和实践能力，为培养出符合行业既定标准的高质量工科专业人才做出贡献。
　　关键词：大学物理实验  工程教育专业认证  分类教学
　　中图分类号：G642.423    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）09（c）-0089-03
　　高校实验室是进行实验教学、开展科学研究、培养创新能力、提高综合素质的重要基地[1]。大学物理实验是教育部确立的大学理工科专业六门基础必修课之一，是学生进入大学阶段后接触的基础性实验课程。大学物理实验是理工科专业学生进行工程实践和科学研究的重要基础，对学生掌握科学思想方法、培养创新和探索精神都有重要的作用[2]。20世纪80年代中期开始，对高等教育质量和质量保证问题的关注在短短几年的时间内，从西方工业化国家快速波及发展中国家，一场被称为高等教育质量保证的运动在世界各地迅速展开[3]。2016年6月，我国正式加入国际上最具影响力的工程教育学位互认协议《华盛顿协议》，标志着工程教育质量认证体系实现了国际实质等效，这样极大地提高了我国工程教育的国际影响力[4]。然而，对占我国专业布点数1/3的工科专业而言，由于专业认证起步较晚，“认证实施层面存在对标准理解和把握的诸多不一致，现阶段认证机构的工作能力和质量难以适应政府和高校对扩大认证规模的迫切需要”，从而出现了“要求的高标准——实际的低水平——结果的高通过率”的尴尬局面[5]。为实现中国工程教育质量得到国际认证以及工科专业毕业生的教育质量达到标准，要求专业课程体系设置、师资队伍配备、办学条件配置等都紧密围绕“毕业生实践能力达成”这一核心任务展开，同时要建立专业持续改进机制和文化，以保证专业教育质量和专业教育活力[6]。因此，在“工程教育专业认证”背景下全面推进应用型、创新型教育改革，已成为理工科高等教育发展的方向和目标。对于培养工科学生面向专业知识的理解能力和实验动手技巧，大学物理实验起着基石的作用，同时也是提升学生实践才能、应用性和创新意识的重要途径[7]。但是，传统的、教条的实验课程体系已无法满足新时代工科专业学生的需要[8]。因此，根据实验教学实际情况和学生专业需求，引入新的教学理念、方法，构建并不断优化实验教学系统是促进高校工程教育质量改革、达标的有效措施[9]。
　　1  工程教育专业认证与现有开放式大学物理实验教学的矛盾
　　笔者学校大学物理实验采取了自主选择实验项目的开放式教学模式，在一定程度上满足了学生的实验兴趣和创造性，使学生个体对自身学业负责，也培养了独立自主思考的能力。但也存在着一些弊端：（1）以测控技术与仪器专业为例，大學物理实验中部分物理实验项目与测控专业的核心专业课程《传感器原理设计与应用》息息相关，例如：《非平衡电桥及热敏电阻温度计》《霍尔位置传感器的定标》等实验项目对于学习《传感器原理及应用》课程具有极大的帮助。笔者在《传感器原理设计与应用》课程的教学过程中发现，曾经选择了该类实验的同学通常能更深刻地理解到所讲授的热敏电阻和霍尔位置传感器的原理及应用。类似还有其他物理实验项目与诸多不同专业的核心课程联系紧密。然而，在大学物理课程设置过程中，没有考虑到对学生进行良好的课程诱导，使学生在自主研习的时候缺乏专业性的指导意见，导致了预期培养路线的偏移。在完全自主选择实验项目过程中，大部分学生常常会倾向简单易做、容易拿高分的实验项目，而忽视一些与专业课程密切相关的实验项目。因此，现有大学物理实验未能充分发挥辅助专业课程建设的作用，没能更好地帮助到学生打好实验基础、加强动手能力等[10]。（2）目前，《大学物理实验》教材的验证性实验内容较多，但与专业相关的具有探索精神的应用性、综合性、设计性实验项目相对较少，创造性演示实验项目匮乏。这就导致学生在实验的过程中缺乏思考，可以直接通过理论分析就能够得出实验结论。这类实验往往不能激发学生设计实验的热情，也不能达到培养学生自主解决实验问题能力的目的。由于对实验内容和实验结论熟悉，学生不愿意预习，上课不注意听讲，实验过程中缺乏参与感和兴趣，通过抄袭别人实验结果就能完成实验[11]。更严重的是，创造性演示实验项目匮乏，实训类项目处于“空白”状态，导致对学生的新知识和专业理论的系统培训不全面。（3）实验教学课程缺乏课下的科研活动。目前，高校普遍采取一般式物理实验教学方法，实验教师只是照本宣科讲授实验，缺乏课下的科研活动。而对于该问题，国外知名高校如美国斯坦福大学和加州大学伯克利分校已经引起高度重视并采取了相关的措施：每周一次基础实验课，同时另行安排每周一次的实验讨论课，并且面向物理专业高年级学生开设科研型课题实验，由各科研实验室的教授负责指导完成，内容深入物理研究各个前沿领域[12]。
　　2  物理实验教学改革与创新的措施
　　大学物理实验项目是增强工程专业学生“软实力”有效途径，但目前所开设的大学物理实验课程大多还不能准确地辅助专业课程。针对上述所提及的问题，为了切实了解学生对大学物理实验的想法与建议，设计了“大学物理实验项目调查问卷”。面向测控技术与仪器专业的学生发放了90 份调查问卷，面向全校其他理工科专业学生发放了500份调查问卷，该问卷均采用不记名方式。通过对回收的调查问卷进行分析、研究，笔者发现调查对象中有67%的学生认为大学物理实验对自己有很大的帮助，但仍有部分学生未能认识到大学物理实验的重要性。其原因主要在于：有50%左右的学生认为设立的物理实验课程选项太多，然而在选择实验的过程中缺乏指导性意见，从而倾向于简单易做的实验类型，导致所学的专业理论知识不能与实验所提供的实践相结合。这种做法未能充分发挥出实验课程应有的作用，无法达到专业课程教育质量标准，学生的科研素养也不能得到有效的提升。有88%的学生支持开设与专业相关的必修物理实验与自选实验相结合的形式，并认为必修实验与自选实验的比例为5∶5。在针对测控技术与仪器专业的调查问卷中，35%以上的学生认为与专业相关的实验有《示波器的使用》《热敏电阻器的电阻温度特性测量》《电表改装和校准》《传感器系列设计实验》等实验。这些观点对于调整大学物理实验教学培养计划，制定实验课程具有非常重要的意义。在调查过程中所暴露出来的一个问题是，高达80%的大学生能够很快地接受理论知识的学习，但缺乏动手实践与自主完成实验的能力，创新意识较弱，对老师有很强的依赖性。学生在问卷中反映，目前开设的物理实验类型过于单一乏味并且与专业相关度不高，建议应多设立趣味性、综合性、与专业相关以及创造性演示类的实验项目。这样可以提高实验课程的参与度，激发学生的实验兴趣并使同学们简单明了地理解专业课程理论内容。此外还建议增设计算机类、虚拟软件设计类以及实训类型的物理实验，能够使各个专业课程的学习得到更有效提升。有40%的学生提出成立实验小组，由专业老师指导让同学们能更好地讨论交流，深入学习高层次的专业相关知识，并为以后课程、毕业设计做铺垫。 　　针对调查问卷中学生所反馈的情况，教学团队开展研讨会进行分析。通过所分析的结果作者提出了适应不同专业的培养计划，具体步骤如下：（1）在学生自选物理实验项目基础上，根据其专业特点，增加分专业类别、分年级层次的必选物理实验项目。通过与其他各学院各个专业任课老师进行综合分析，研究大学物理实验与其专业核心课程的关联，利用这种关联，设计出与不同专业密切相关的必选物理实验项目。例如，《示波器的使用》《方波的傅里叶分解与合成》等实验项目可以为《信号与测试系统》等课程服务;《电表改装与校准》《非线性元件伏安特性的测量》等试验可以更好地为《电子技术基础》等课程打下基础;可以通过《非平衡电桥及热敏电阻温度计》和《温度传感器的电阻温度特性测量》等实验项目更直观地验证《传感器原理及应用》等课程的理论部分。专业老师提供的建议与学生在问卷中反映的情况有高度的一致性。教学团队根据专业任课老师的建议以及不同专业学生的调查意见调整实验教学模式。通过这种新的模式能够极大地增强物理实验对学生专业课程建设的作用，从实验的角度可以加深学生对于理论课程的理解，提升工程专业学生的实践动手能力、科研素质以及创新思想。而且对学生特别有利的是，从大学物理实验培养方案就可以初步了解学生以后专业发展方向，并且根据学生专业兴趣进一步地深入锻造学习，最终为培养合格的工程人才奠定了基础。（2）以素质教育为目标，建立“分层次、多形式、开放式”的大学物理实验课程教学新体系，提高学生学习的自主性，培养学生的创新思维和综合设计能力。在课程体系和教学内容上，实现了“多形式、分层次”的实验教学模式，开设了第一层次的基础实验、第二层次的综合性/设计性实验及第三层次的自主创新性物理实验[9]。不同层次的物理实验项目涵盖力、热、光、电、磁及近代物理综合性实验，还增添了生动、直观、趣味性强的演示物理项目，极大地拓宽了课程受益对象的范围。授课对象可根据自己能力水平、专业需求和兴趣倾向，自主选择对应层次和形式的实验项目进行学习。“开放式”实验是指将线上实验教学与线下动手操作进行了有效的结合。授课对象可通过线上的实验教学，初步了解、熟悉、掌握实验项目的知识点及操作规程。自主选择实验及时间，通过预约和考勤系统进行线下的实验操作。通过对大学物理实验的了解，让每一个受益对象用物理的严谨思维、物理的科学态度去看待和改造世界。“开放式、分层次、多形式”的教学模式侧重于强化专业操作技能，提高综合素质，培养学生的创造性思维和科研精神[13]。（3）为满足高层次学生深入学习的需求，开设了PASCO物理实验科研活动。PASCO物理实验是继普通物理实验后为理工科学生开设的一类高层次实验项目。学生可利用PASCO教具自行搭配、组合所需要的实验仪器，自主学习基础物理实验，并且在试验的过程中计算机与先进传感技术可以同步读取实验过程中的各种变化数据，再利用程序软件进行数据处理和结果分析，得到可靠的实验结果和结论[14]。该类实验主要强调设计与创新能力的培养，在充分掌握物理实验基本知识、基本方法和基本能力的基础上，逐步从教学实验向科学实验过渡，教学方法也逐步从教师引导向学生自主设计过渡，这样可以培养出学生正确严谨的科学思维和实验素养，从而获得正确的实验方法和和独立的工作能力，为学生掌握、应用和发展新技术打好坚实的物理实验基础。目前，PASCO物理实验已设置为物理学韶峰班（拔尖班）的必修课程。经过一学期的学习观察发现，PASCO物理实验科研活动能够有效地激发学生学习兴趣，提升学生的实践动手能力和创造性，在小组交流的过程中拓展视野，开拓了学生实验创新性的新思维，韶峰班的部分学生在本科阶段已在国际高档次期刊上发表了SCI论文。新型的物理实验教学模式可以加深学生对专业课程理论内容的理解，提升学生参与物理实验的兴趣与动手能力，开拓学生创新性的实验思维。专业分类物理实验教学模式对于培养具有创新实践能力的高级专业人才起着重要的作用。
　　3  结语
　　这项工作是在工程专业认证背景下全面推进应用型、创新型大学物理实验教学改革，教学团队通过座谈、研讨、调查问卷、数据整理、分析、改进提出按照专业分类培养学生的教学模式，参考专业任课教师的建议，同时对不同专业学生的相关数据进行分析，设定自选与必选实验结合具有针对性的物理实验教学系统。引入推陈出新的设计性、综合性的创新型实验项目，并成立课后实验科研小组，由专业老师带领交流学习，力求新的实验体系可以满足不同专业学生的个性化需求。这样既有利于提升工程专业学生的学习积极性，又能够加强学生的实践动手操作能力。专业分类物理实验教学模式能够促进工科专业学生的全面发展，最终为培养符合高等教育质量的工程人才做出贡献。
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