工科物理实验教材建设研究

［摘 要］新工科建设需要注重更新教学内容和教学理念，以培养符合时代要求的工程技术人才。大学物理实验课程是培养学生工程实践能力的启蒙课程之一，加强大学物理实验课程的建设对培养全面发展的人才具有重要意义。物理实验教材是物理实验课程实践的重要依据。文章从体现产教融合理念、加强信息技术应用、拓展学生创新思维、培养学生道德情操等方面探索开发符合新工科人才培养理念的物理实验教材， 以更好地发挥大学物理实验课程在培养符合时代需求的工程技术人才方面的作用。

［关键词］工科；物理实验；教材；产教融合；信息化；工程技术人才

［中图分类号］ G642.423 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）13-0012-04

“新工科”这一概念诞生于2016年，其内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才[1]。新工科建设要求工程教育要不断更新教学内容和课程体系以适应产业与技术的发展，不断提高课程趣味性、学业挑战度。高校应推进产学合作、产教融合、科教协同，构建新工科人才能力体系，培养大批具有较高行业背景知识和工程实践能力水平、能够适应行业发展需求的应用型和技术技能型人才，为我国产业发展和参与国际竞争提供智力和人才支持[2-4]。

大学物理实验是高等学校理工科专业学生的一门重要的必修基础课程，是大学生接受系统实验方法和实验技能训练的开端[5]。通过学习大学物理实验课程，学生能初步掌握科学实验的知识和方法，形成认真严谨的科学态度和实事求是的科学作风，为今后的专业学习和进一步深造打下坚实的基础。因此，作为培养学生工程实践能力的启蒙课程之一，大学物理实验课程的建设对培养全面发展的工程技术人才具有重要意义[6]。大学物理实验课程的教学内容设置应在不降低基础理论、基本技能要求的前提下，及时将基础知识与新产业、新技术、新教学理念相结合，以更好地发挥大学物理实验课程在培养符合时代需求的工程技术人才方面的作用。

课程是教材存在的合法性根据，教材是课程实施的重要依据[7]。完成教材内容的传授是课程实施的重要任务，也是达成课程目标的主要途径。教材建设是教学内容更新的重要方面，根据新工科建设的理念进行物理实验教材的编写能更好地发挥大学物理实验课程在培养工程技术人才方面的作用。常州工学院（以下简称我校）作为应用型本科建设高校，始终坚持面向基层、服务地方的办学定位，致力于培养切合地方经济社会发展需要的应用型人才，对适用于培养工程技术人才的物理实验教材的开发与建设有迫切的需要。基于此，本文主要从体现产教融合理念、加强信息技术应用、拓展学生创新思维、培养学生道德情操等方面进行探索，开展工科物理实验教材建设研究[8]。

一、加强理论应用介绍，体现产教融合理念

应用型本科高校的教学应以培养具有较强社会适应能力和竞争能力的高素质应用型人才为目标。实际上，利用学校与企业不同的教育资源和环境，在高等学校中采用产教融合、校企合作的机制来培养应用型人才，在世界范围内已经取得了突出的成效。目前，我国在“产教融合、校企合作”方面已积累了多年实践经验。在全球科技竞争与新一轮产业变革的背景下，国家产教融合建设也被赋予了新的使命，其内涵和外延不断扩大，已经上升为推进产业与教育协同发展的国家战略。

大学物理实验作为高等院校理工科专业的一门必修基础课，其基本原理、基本规律在理工科各专业的学习、实践中有广泛的应用。将物理实验教学与生产实际密切结合，突出物理理论的实际应用，不但可以提高理工科学生的学习兴趣，还可以助力学校在人才培养过程中实施产教融合。作为大学物理实验课程教学过程中的基本工具，物理实验教材需要体现这些原理、规律的实用价值，才能更好地激发学生学习的动力，为各专业在培养人才的过程中实施产教融合奠定良好的基础[9]。

基于此，课程组针对每一个基础性、综合性物理实验，精选其实验原理、方法的实际应用作为大学物理实验课的引言，介绍物理实验原理在各个领域的应用，体现物理理论在产业中的价值，克服了传统物理实验教材只注重基础理论验证、不联系产业发展的缺点。比如，在“刚体转动惯量的测定”实验内容前添加引言：“当人造卫星在轨道中运行时，高精度的姿态控制是卫星高质量完成工作的保障，而高精度姿态控制需要精确掌握卫星的转动惯量信息。太空温差的变化会导致卫星机械构造的微小形变，从而改变卫星的转动惯量。因此，地面人员在卫星发射前要通过模拟太空环境进行仿真计算或实验测量等方式获得卫星的转动惯量信息，为卫星的设计与控制提供必要的数据。”通过引入这样与生产实际相结合的内容，可以让学生直观地了解物理实验的原理、方法与高科技产业的联系，从理念上帮助学生认识学校学习与企业生产之间的紧密关系，发挥大学物理实验课程在产教融合中的作用。

二、利用信息技术，开展“虚”“实”互补的教学改革

在传统大学物理实验课程学习中，不少学生课前预习是以教材为主，在预习时对实验仪器的了解仅限于图片和文字描述，而学生真正进入实验室后，还是需要花大量时间对照教材了解实验仪器，这就导致在课堂中，学生没有足够的时间对实验过程进行深入研究与思考。

随着互联网和现代信息技术的发展，教育信息化逐渐成为现代教育改革的主要内容之一。教育信息化要求在教育过程中较全面地运用以计算机、多媒体、大数据、人工智能和网络通信为基础的现代信息技术，促进教育改革，从而适应信息化社会提出的新要求，对深化教育改革、实施素质教育具有重大的意义。教育信息化是时代潮流，将大学物理实验课程的学习与网络信息、仿真技术、人工智能等有机融合是大学物理实验教学研究的必然发展方向[10]。

在大学物理实验教材的编写中，为把大学物理实验教学与教育信息化相结合、激发学生的学习兴趣、提高学生的学习效率，课程组重点采取了以下措施：第一，设置关于仿真实验的内容，突出网络在学生自主学习、个性化学习方面的作用，延伸学生学习的时间和空间。在物理实验仿真系统中设置实验预习和实验仿真模块，使学生可以通过仿真系统中的实验预习模块，克服传统实验预习中难以理解实验原理、无法获得对实验环境的直观认识的缺点。实验仿真模块克服了传统实验室开放的时间和空间限制，使学生可以在任意时间进行实验操作。在仿真系统中，课程组还设置了课堂教学外的选做实验，拓展学生的学习范围。第二，鼓励学生运用不同数据处理软件处理实验数据，拓展学习的广度和深度，使学生掌握更多的技能，以便之后更好地进行专业课学习和社会实践。如在“物体的密度测定”实验后，添加附录“运用Excel软件进行数据处理”，详尽介绍了用Excel软件完成该实验数据处理、进行不确定计算的方法和步骤。学生可以参照该附录进行实践，增强自己运用Excel软件进行数据处理的能力。第三，增设电子学习材料。课程组在教材中附上了实验操作微视频的二维码。学生通过扫描二维码，可以提前观看教师录制好的实验操作视频，预习实验，熟悉实验仪器，为在课堂中顺利开展实验做好准备工作。学生还可以通过教师提供的电子版文字材料，了解实验原理在更多领域的应用。

通过网络技术进行“虚”“实”互补的教学改革，为提高线下课堂教学效率及更好地培养学生动手实践能力提供了支持，使学生的学习能动性得到了一定程度的提高。同时，学生遇到问题也能通过网络及时与教师进行沟通，这就有效地解决了学生与教师的交流局限于课堂的问题。

三、拓展学生思维，鼓励课后实践创新

创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。创新思维是科学创造的前提和动力，是知识创新的源头。当代大学生需要坚持创新、勇于创新，以迎接未来的科学技术挑战。作为高等院校理工科学生的一门基础实践课程，大学物理实验需要充分发挥其在培养学生创新实践能力方面的作用，从学生学习的各个环节挖掘有利于培养学生创新意识、创新能力的内容，让具有不同能力的学生都能获得创新的成就感。作为大学物理实验课程内容重要载体的物理实验教材，除了为学生学习实验理论及实验操作提供指导，还要为学生课后进行实践创新提供思路，鼓励学生进行调查研究、动手实践。

在物理实验教材编写中，课程组在每个基础性、综合性实验后设置“探索与研究”板块，这个板块中的内容都是经过精心挑选的，所选内容都与该实验的原理联系紧密。这个板块的教学方式不限，可以是调查研究，让学生通过查阅资料或市场调查，发现实验原理在各个领域的应用；也可以是课后实践制作，让学生通过动手实践，完成一个反映实验原理的小制作；还可以是科普宣传，让学生通过社区活动或其他形式，用实验原理解释生活中的现象或应用，或者让学生以志愿者的身份在本校演示实验室对外开放时，用实验的方式科普物理理论在生产实际中的应用。如在“刚体转动惯量的测定”实验后，课程组添加了“探索与研究”板块，其内容如下：“转动惯量的测量在汽车、精密机械零部件、电机、导弹与卫星等的设计与制造上都有重要应用。请查阅市场上专用的转动惯量测量仪器的相关资料，分析其原理，设计测量任意形状的物体绕一固定轴转动的转动惯量的试验方案。”

物理实验教材中“探索与研究”板块的设置，激发了学生的创新意识，挖掘了学生动手实践的潜力，为学生参加各级各类创新活动与竞赛打下了良好的基础，改变了部分工科专业学生认为学习物理实验对之后的专业学习帮助不大的看法，特别是部分学生通过参加竞赛既锻炼了自己又有一定的奖项收获（如在2022年第八届全国大学生物理实验竞赛中，我校参赛作品共获一等奖1项、二等奖1项以及三等奖2项），带动了更多的学生参与物理实验的实践创新活动。物理实验教学过程对学生实践创新能力的培养，可以更好地助力高校培养工程科技创新和产业创新人才。

四、强化立德树人理念，培养学生高尚情操

习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调，要“使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应”[11]。2019年发布的《教育部关于深化本科教育教学改革 全面提高人才培养质量的意见》中提出，要把思想政治教育贯穿人才培养全过程；坚持把立德树人成效作为检验高校一切工作的根本标准，用习近平新时代中国特色社会主义思想铸魂育人，加快构建高校思想政治工作体系，推动形成“三全育人”工作格局；把课程思政建设作为落实立德树人根本任务的关键环节，坚持知识传授与价值引领相统一、显性教育与隐性教育相统一，充分发掘各类课程和教学方式中蕴含的思想政治教育资源[12]。

在应用型本科高校中，大学物理实验作为理工科专业的必修基础课，具有覆盖学生学科专业多、面向学生范围广的特点。物理实验教学内容中所蕴含的观点、方法、科学精神等，对学生形成科学的思维方法及辩证唯物主义的历史观点有潜移默化的作用。因此，作为大学物理实验课程重要工具的物理实验教材应注重引导学生用正确的立场、观点和方法分析问题，使学生把学习、观察、实践与思考紧密结合起来，在学习中养成历史思维、辩证思维、系统思维和创新思维。为此，在编写物理实验教材时，课程组在每一个实验后添加了“中国科技成就”板块，介绍中华人民共和国自成立以来在科学技术领域所取得的重大成果，使学生深刻理解科技强国的重大意义，激发学生的科技创新热情，培养学生的爱国主义情怀。如在“透镜焦距的测定”实验后，教材对当前世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜“中国天眼”进行了介绍。位于贵州省的“中国天眼”，于2016年启动使用，它使得科学家有能力发现更多未知星体、未知宇宙现象、未知宇宙规律。学生通过了解南仁东率领团队用22年建成世界最大的射电望远镜、让我国射电天文学的研究跻身世界前列的事迹，可以深刻感受到科学家的爱国精神，感悟到科学研究需要持之以恒的奋斗精神。

物理实验教材需不断更新内容和形式，以更切合时代的发展，并满足不同层次学生的发展需求。在物理实验教材中融入思政元素，有助于培养具有科学思维方法及辩证唯物主义历史观的工程技术人才。

五、结语

“复旦共识”[2]“天大行动”[3]和“北京指南”[4]提出工程教育要培养新兴工程科技人才，探索实施工程教育人才培养的“新模式”，打造具有国际竞争力的工程教育“新平台”，建立完善中国特色工程教育的“新体系”，助力我国从工程教育大国走向工程教育强国。大学物理实验课程是培养学生工程实践能力的启蒙课程之一，加强大学物理实验课程的建设对培养全面发展的人才具有重要意义。物理实验教材是物理实验课程实施的重要依据。本文从体现产教融合理念、加强信息技术应用、拓展学生创新思维、培养学生道德情操等方面探索开发符合新工科人才培养理念的物理实验教材，以更好地发挥大学物理实验课程在培养符合时代需求的工程技术人才方面的作用。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2] “新工科”建设复旦共识[J]. 高等工程教育研究，2017（1）：10-11.

[3］ “新工科”建设行动路线（“天大行动”） [J]. 高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

[4］ 新工科建设指南（“北京指南”） [J].高等工程教育研究，2017（4）：20-21.

[5］ 教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会，物理基础课程教学指导分委员会.理工科类大学物理课程教学基本要求、理工科类大学物理实验课程教学基本要求：2010年版［M］.北京：高等教育出版社，2011.

[6］ 李星月. 论高校物理实验及其教育意义[J]. 科技风，2021（16）：21-22.

[7］ 李雨竹.浅议课程与教材的内在联系[J].中国教师，2021（10）：15-17.

[8］ 陈荣军，王刚，金雪尘.工科物理实验[M].上海：上海交通大学出版社， 2021.

[9］ 侯新颖，李建. 产教融合视域下高校应用型人才培养策略创新[J]. 江苏商论， 2022（10）：123-127.

[10］ 刘子龙， 李艳祥， 张潇， 等. 基于“互联网+”大学物理实验智慧课堂的探索与实践[J]. 大学物理实验，2022，35（3）： 150-153.

[11］ 习近平：把思想政治工作贯穿教育教学全过程 开创我国高等教育事业发展新局面[EB/OL]. （2016-12-09）[2022-11-12]. http：//cpc.people.com.cn/n1/2016/1209/c64094-28936173.html.

[12］ 教育部.教育部关于深化本科教育教学改革 全面提高人才培养质量的意见[EB/OL]. （2019-10-12）[2022-11-12].https：//www.gov.cn/xinwen/2019-10/12/content_5438706.htm.

［责任编辑：周侯辰］