以内容为中心的站队式教学方法探索

以内容为中心的站队式教学方法探索——“普通物理实验Ⅱ”课程

李海洋　陈水桥
　物理学系

一、课程简介

1.课程类别

大类课程

2.学科类别

理学—物理学

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标

“普通物理实验Ⅱ”是浙江大学混合班、理工科试验班和物理系本科生的基础实验课程，在大学物理实验课程中处于核心地位，也是浙江大学优质课程。该课程对优秀本科生培养目标的实现起到非常重要作用，它的教学质量直接影响学生创新实践能力的培养、实验实践能力的提升以及研究能力的提高。实验课程根据学校的要求和不同层次学生需求的特点，在完成“普通物理实验Ⅰ”课程的基础上，突出对学生研究思维的训练，强调实践与应用能力培养，与其他实验课程完全不同，具有独特的效应，深受学生喜爱。为了完善该课程体系，提出了建设以实验内容为中心的课程体系，以学生为本，以教师为主导，以仪器为核心，建立站队式教学方法，也是本课程要研究的重点。

“普通物理实验Ⅱ”实验课程的教学目标有如下四点:一是帮助学生掌握前沿物理的基本概念、基本理论和基本原理；二是帮助学生建立科学研究的思维方式；三是培养学生的实践能力，通过学生自行实验、搭建实验平台、购买所需仪器来研究实验内容；四是通过学生自我组队提高学生团队合作意识和协调能力。从而，为今后进一步做研究工作打下基础。

（2）教学内容

“普通物理实验Ⅱ”实验课程教学内容主要分为三部分:研究课题设计、实验与论证、答辩与讨论。研究题目主要包括课题类实验、项目类实验、探索类实验、设计类实验和高实类实验。

4.教学对象

混合班、理工科试验班和物理系二年级本科生，约170人/短学期，每个研究组约2～4位学生参与。

5.教学场景

实验教学在所在仪器的实验室开展。

二、课程教学重点解决的问题

“普通物理实验Ⅱ”的教学质量的好坏直接影响对学生的实践能力培养。其中实验教学方法是实验教学顺利开展的重要一环。现今许多高校热衷于建个网站让学生上网选课，美其名曰自主性选课，实际上那只能叫自由性选课。因为学生选课的自由往往受到许多限制，比如可选实验范围太小、个数太少、内容不适合等，所以自由成了一种形式，更谈不上自主。其主要原因是没有以内容为中心来建设实验课程。而浙江大学实行大类招生后，学生层次、兴趣各不相同，众口难调，特别是实验室建设越来越跟不上学生的需求。为了解决上述问题，提出了以内容为中心的站队式教学方法来建设实验课程。因为研究型物理实验课程的站队式教学方法就是一种根据学生层次、专业和兴趣的不同来为学生开课的实验教学方法，也是一种以实验内容为中心的教学手段，所以特别适合浙江大学培养求是创新人才的需求。这种方法在“普通物理实验Ⅱ”课程中的运用比较成功，学生在该课程中取得了许多可喜的成果，成效显著，得到了同行的认可。同时，实现了实验课程建设的软实力发展。

通过这种教学方法，有助于解放学生的研究思路，有助于拓展实验研究内容，有助于实验教学仪器的可持续发展。这既增加了学生的实验研究兴趣，又增加了学生实验的自主性。

三、教学方法改革

1.教学实施策略与方法

本课程教学实施以内容为中心的站队式教学方法，其策略主要体现在四个方面:建立站队式的教学模型、类别化实验内容、层次化教师队伍和开放化选课系统。具体实施方法如下:

（1）站队式教学模型

站队式教学模型实现方法:首先，把实验课程内容分成课题队、项目队、探索队、设计队和高实队，教师排成A队，学生排成B队。然后，以实验课程内容为中心，教师根据自身特长站到自己喜欢并合适的实验课程内容队列，学生也根据自身特长站到自己喜欢并合适的实验课程内容队列，同时也完成了学生与教师的双向选择，一举两得。操作方法如图1所示。

图1　站队式教学方法

站队式的教学模型的建立真正实现了教师与学生之间的双向选择，使得教师在工作中更加得心应手，也使得学生找到了适合自己的实验内容和指导老师，推动了实验课程的良好发展。

（2）类别化实验内容

站队式教学方法的核心是实验内容，为了便于学生和老师站队，把实验内容进行了分门别类，即课题类实验、项目类实验、探索类实验、设计类实验和高实类实验。这种分类法不但细化了实验内容，让学生选择实验课程内容时一目了然，而且提高了实验效率，促进了实验室建设，使得管理更方便，维护更简单，排课更容易。特别是实验内容难易都有，学生可根据自己的能力来选择实验内容，真正做到了实验室与学生的双赢。

其中，课题实验实行多向式教学方法。学生必须自己思考问题，自己摸索方向，自己搭建实验平台，自己设计实验进程，自己调配实验仪器，必须自己采购或加工必需的材料或仪器，必须自己去请教相关研究领域的院校老师，甚至自己开发所需仪器，同时也大大降低了指导教师在其中的权重。课题实验要求学生事事躬行，目的不仅仅是搞研究和学习，还包括锻炼学生的为人和处事。教育学生既要学会做事，更要学会做人。物理课题实验内容的建立采用交叉网状模式的仪器配置方法来实现，如图2所示。

项目类实验主要是指SRTP（Student Research Training Program）项目。

图2　课题实验仪器系统建立的交叉网状模式

犛犚犜犘项目就是大学生科研训练计划的简称，是本科实践教育教学改革的重要举措之一。SRTP项目与本实验课程结合，激发了学生的实验研究趣味，开拓了一条新的实验课程建设道路，让实验内容变得更加充实。学生既完成了必修的实验内容，又完成了SRTP项目，一举两得，深受学生喜欢。

探索类实验是指那些能为学生提供广大思考空间的实验。这些实验内容灵活多变，实验手段不一，实验方法众多。它能吸引学生的目光，让学生在学习过程中产生无限的想象，吸引学生去探索物理现象。比如“YAG激光光谱分析与研究”、“多介质法超声波干涉”和“迈克尔逊干涉仪测钠光波长实验方法改进”等。通过这些探索类实验内容不断拓宽学生的视野，激励学生的创新意识。

设计类实验是一个开放的工作平台，主要培养学生的动手能力和开发能力。设计类实验的内容很广泛，比如“传感器应用实验设计”、“太阳能电池板性能比较实验设计”和“低温系列设计实验”等，这些实验内容中大多是一个实验中包含了许多相关的其他实验内容。设计类实验最大的特点是同一个实验内容由多台实验仪器完成。这些仪器既有进口仪器，又有国产仪器，还有自制仪器，所以大大拓展了学生的视眼，增加了学生用多种方法测量同一物理量的能力。

高实是指高级实验的简称，高级实验主要指近代物理实验仪器系列组成的研究型实验，实验内容很经典，实验仪器比较复杂，理科类学生特别喜欢。比如“彩虹全息”、“拉曼光谱测定及应用”和“椭偏仪的应用和色度测量”等。高实类研究型实验最大的特点是实验系统比较复杂，仪器操作比较难，对促进学生全面了解物理学知识大有帮助。

（3）层次化教师队伍

一支好的实验教学队伍是保证实验教学正常运转的关键。特别是一支能各尽所能，每个教师都有适合自己的位置，显得非常重要。每位教师都有自己的特点，能根据自己的特点来从事或选择实验内容才能促进实验课程的良好发展，也更能良好地为学生服务。所以，本实验课程给每位参与的老师根据自己的特点自主选择选择实验内容的机会，而不是以前的指派式实验教学模式。一句话，就是把教师队伍根据实验内容进行层次化分类，把教师根据自身能力和特长分成几个层次，让每位老师找到合适的位置，找到能最大限度发挥能力的地方。这些层次因为是根据实验内容来分类的，所以分别称作:课题层、项目层、探索层、设计层和高实层。如图3所示。

图3　教师队伍层次化

（4）开放化选课系统

开放化、自主性选课主要表现在学生可以根据自己的需求来选择研究型实验内容，其关键在于站队，学生站在哪个队列就确定了研究的内容，也确定了指导教师。所有选课都在网上完成。整个界面操作简便，实验情况简单明了，内容细致精简。

在网页上，选实验前，学生只能看到实验内容，而不能看到指导老师是谁。教师也只能看到实验内容，而不能看到哪位学生选择了哪个实验内容，等全部选课完成后，系统会自动建立了“教师—内容—学生”的关系。真正做到了以内容为中心的建设目标。

2.具体实施方法举例

案例1　依托SRTP的项目类实验

SRTP项目与“普通物理实验Ⅱ”课程结合，为学生提供前沿科学仪器，还提供专门的研究课题的指导老师，大大提升了学生学习的兴趣，提高了教学质量，激发了学生的学习兴趣，开拓了一条新的实验课程建设道路，让实验内容变得更加充实。学生既完成了必修的实验内容，又完成了SRTP项目，一举两得，深受学生喜欢。

案例2　基于站队式教学方法的多元化复合型课题实验

多元化复合型课题实验相对过去的课题实验主要在教学方法、课题内容、实验仪器和依托关系4个方面进行了改进和发展。如表1所示。

表1　多元化课题实验与原课题实验的对照

多元化复合型课题的实验课程实施步骤:

（1）课题实验的进程与安排。

（2）课题实验的选题与设计。

（3）课题实验的仪器调配和安排。

（4）课题实验的试验与讨论。

（5）课题实验的论文与投稿。

（6）课题实验的答辩与总结。

多元化复合型物理课题实验实施细则:

（1）课题实验所需经费全部从实验中心经常费中支出。

（2）成立专门的课题实验室，由一位中心副主任专门负责管理。

（3）学生发表论文的版面费从物理学系的教学经费中支出。

（4）学生完成课题实验的学分由全体课题指导老师评定并给出。

（5）课题仪器管理、维护和安全实行指导老师负责制。

多元化复合型物理课题实验展示:

（1）课题题目:YAG激光器的应用与研究；主要仪器:Jsy01型Nd:YAG激光器；边沿仪器:光谱分析仪器；自制仪器:旋转摄影器；学生数:2人；成果:发表论文“YAG激光输出特性研究”，张译中，李明欣，《实验室研究与探索》，2008年11月第27卷第11期。

（2）课题题目:扭曲相列型液晶光阀旋光机理分析与研究；主要仪器:液晶光阀系统；边沿仪器:绿激光；自制仪器:光电探测仪；学生数:4人；成果:发表论文“扭曲相列型液晶光阀旋光机理的等效模型”，唐建伟，陈水桥，《实验技术与管理》，2008年1月第25卷第1期。

（3）课题题目:红外热成像法研究材料表面镀膜质量；主要仪器:红外热成像仪；主要仪器:真空镀膜仪；边沿仪器:自加热恒温装置；学生数:2人；成果:发表论文“热像法研究基底与镀膜材料的发射率变化关系”，顾孟扬，陈水桥，李海洋，《大学物理实验》，2011年第4期。

（4）课题题目:超声波声速与干涉现象探究；主要仪器:超声波系统；自制仪器:激光自准仪；学生数:4人；成果:发表论文“基于超声波干涉的峰谷法计算声速值及实验误差探讨”，张正康，周天赐，韩杰克，陈水桥，《物理实验》，2011年6月。

3.教学方法特点分析

本课程采用的站队式教学方法，归纳起来有以下特点:

（1）站队式教学方法:按学生需求和教师层次排课的全新站队式模型是一种创新，这种站队式教学方法使师生无障碍交流，激活了实验仪器，提高了实验仪器的利用率和可持续发展。

（2）学生自主性选课题:在站队式教学方法的设计中，大部分实验内容都是学生根据自己的要求和兴趣选择的，学生自己组队参与，通过共同参与实验，完成课程。最后通过答辩的方法既锻炼了学生的表达能力，又激活了实验气氛。

（3）实验内容类别化:为了满足不同层次学生的需求，对实验内容进行分类是一种创举。其既推进了实验室的发展，又增强了学生的兴趣，是一种面向对象化的教学手段，所以教学成果比较显著，特别是有些学生还发表了高水平的文章。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

本课程采取全方位课程考核方式，主要分五个方面:

（1）平时的团队合作能力、实验水平和操作表现（占20分）；

（2）设计课题题目深度、难度，师生间探讨与交流情况（占10分）；

（3）大论文一篇，要求内容新颖，有独到的见解（占40分）；

（4）现场答辩表现（由3～4位老师打分）（占30分）；

（5）有否申请SRTP或投稿（加10分）。

在课程考核上，基本将所有环节都纳入了其中，不仅有理论考核，还有实践考核；不仅有操作考核，还有答辩考核；最后还对有突出表现的学生加分。实验总分为100分（加分后不能超过100分）。

2.支撑手段

“普通物理实验Ⅱ”课程是学校的优质课程，为了保障课程良好运行，实验中心对课程进行了一系列的规范化管理:

（1）实验中心拨出专项经费运用于学生研究课题实验时购置仪器或材料。

（2）实验中心指派最好的指导老师，参与课程教学。

（3）实验中心为每组做研究工作的学生开辟一个单独的实验空间，一般一个研究内容一个房间，2～4位学生，允许学生在非课程时间来实验室做研究工作。

五、教学效果和推广性分析

该实验教学方法自从系统实施以来，每学期都进行完善，深受学生喜欢。受益学生数量超过600人/年，学生评价良好。课程被学校认定为优质课程，可在其他实验室推广。

基于该课程的教学方法已经多次在全国性物理实验教学研讨会上报告或发表论文“多元化物理课题实验课程的建设和探讨”，陈水桥，李海洋，陈洪山，鲍德松，陈红雨，《实验室研究与探索》，2011年第12期；“研究型物理实验以内容为中心的站队式教学方法探索”，陈水桥，李海洋，陈洪山，陈红雨，鲍德松，《物理实验》，2012年第11期。

基于该课程，指导学生发表论文:“热像法研究基底与镀膜材料的发射率变化关系”，顾孟扬，陈水桥，李海洋，大学物理实验，2011年第4期；“基于超声波干涉的峰谷法计算声速值及实验误差探讨”，张正康，周天赐，韩杰克，陈水桥，《物理实验》，2011年第6期；“基于超声波干涉的拟合法计算声速值及其误差分析”，周天赐，陈水桥，《浙江大学学报》，2011年第7期；“利用示波器测量铁磁材料的物性研究”，宋胜浩，刘才明，《物理实验》，2011第8期；“利用扭曲向列型液晶光阀实现对数字全息再现像质的改善”，陈水桥，薛懿，闵晓宇，陈大寅，《实验室研究与探索》，2012年第11期。

该课程方法比较适合于本科类高校，但要求学生基础知识比较扎实，最好是理工科类学生。该课程方法可在综合性大学推广。

学生典型评价:

（1）“普通物理实验Ⅱ”课程让我体会到了物理实验研究思路，初步在科研训练中得到了锻炼。它的教学方法对我深入掌握物理学相关知识帮助很大。（杜竞杉，混合班1102，学号3110000190）

（2）“普通物理实验Ⅱ”课程为我们学生提供了良好的实验环境，锻炼了我们试验能力和解决问题的能力，对培养我们的思考问题和团队合作的意识起到很大的作用。（黎玉燕，巴德年医学班1101，学号3110000128；吴超逸，混合班1104，学号3110000145；靳泰然，混合班1105，学号3110101393）

六、课程教材及实验参考书

陈水桥.物理课题实验.讲义，2011