工科物理理论课与实验课的整体优化

工科物理理论课与实验课的整体优化

工科物理理论课与实验课的整体优化这一教改立题是1999年教育部征集“21世纪初高等教育教学改革项目”选题过程中，由工科物理课程指导委员会建议立项的。当初东南大学对该项目的申报工作进行了积极的准备，后经申报获准了这一个由世行贷款资助的国家级高等教育教学改革项目的立项。三年来，东南大学物理系在教育部、江苏省教育厅和东南大学各级组织的积极支持和指导下，组织了一批热心于教育事业，同时具有较高的科研和教学水平的骨干教师，围绕项目的总体目标进行了教学研究、教学试点、实验室建设、教材建设和相应的教学软件、教学管理等方面的教改工作。可以说，我们已经完成了项目的预期任务，在教改实践中为工科物理课程体系的进一步改革积累了经验。

在此我们借项目总结的机会，对教育部、江苏省教育厅和我校教务处给予项目组的支持表示衷心的感谢。同时感谢工科物理课程指导委员会和有关兄弟院校对我们教改项目的帮助与支持。

一、物理理论课与实验课整体优化的必要性和现实意义

物理课作为工科学生必修的基础课程，其课程定位于对非物理专业的学生进行科学素质教育，这一教育理念是得到国内外公认的。我国工科物理课程设置有一个发展变化的过程，二十年前以验证性内容为主的实验课只是单纯地服务于课堂教学。随着实验与实践教学日益受到重视，许多高校加大了物理理论与物理实验课程的改革力度，可以说近几年来众多学校在这两门课程教学内容和课程体系的改革中都取得了很好的成绩。现在提出理论课与实验课的整体优化这一教改命题，其必要性与现实意义在于以下几点。

1.物理学是自然科学的基础学科，物理学充满着一整套获得、组织、应用和创新知识的有效步骤和方法。物理学又是理论与实验相结合的典范学科，其基本观点、思维方法、实验思想和技能对培养高水平工程技术人才是必需的。物理教育中物理理论与实验的自然和谐对创新型人才的培养有着不可低估的作用。

2.在我国高考体制下，多数大学新生对物理课程的学习认识仍停留在高中应试型的状态上，其表现有:①偏重于物理理论知识的学习，习惯于（也擅长于）解析现成的习题，甚至是难题。但不善于主动观察和分析实际生活和实验中的现象，许多学生遇到实际问题往往束手无策（即使是一些现有知识可解决的问题），说明分析、提炼信息以及建立物理模型的能力较差。②每届新生仍习惯于高中阶段实验课紧随理论课的学习模式，而对目前多数高校实行的物理实验内容大循环的教学运作表现出不适应，他们往往较为片面地认为物理实验应该步步紧跟理论课的教学进度，只注重实验对理论的验证，容易忽视物理实验与理论课不同的教学特点以及实验教学对人的科学素质和科学态度训练的独特性。

3.我国多数学校物理理论与实验课的独立设置对加强理论与实验教学起着积极的作用，但这种客观上的课程分离设置容易使学生在两门课程的学习过程中忽视理论与实验的结合。另外各学校基础课教师人员缺乏，基础课教师的教学负担重已是不争的事实。在强调教学效益等因素时，容易出现理论课教师与实验课教师的教学队伍分离，这种分离容易导致两门课程过分强调系统性而形成自我封闭的教学体系，不利于物理理论与实验的融合在人才培养过程中优势作用的发挥。许多学校实际上已注意到了物理理论与实验教学的不可分割性，开展了多种形式的课外科技活动、选修课程和实验室开放活动。我们课题组已经持续关注此类问题多年，我们认为，从教育理念、教学模式、教学方法、教学内容等诸多方面探讨物理理论与实验课的教学优化整合是一件有利于创新人才基本素质培养的好事，也是工科物理课程理应追求的建设目标。

4.我国的高等教育已经经历了连续十几年的迅速发展，多数学校的物理教学条件，尤其是物理实验教学条件得到了很大改善，现代化的教学手段也不断引入与更新，从这方面来看，优化整合物理理论与实验课的教学、挖掘物理教学对人才培养的丰富内涵已经具备了较好的教学环境及相应的物质条件。

二、项目的总体目标与研究内容

项目总目标

立足于发挥物理理论与实验的自然和谐对学生科学素质培养的优势，以实验和问题为切入点，通过多层面、多方位的课堂与实验室开放教学活动，为学生营造一个理论与实验相互融合的、可进行探索式学习的教学环境。在此基础上构建理论与实验整合优化的工科物理创新教学的课程体系。

项目研究的内容

1.研究理论与实验在教学内容上的有机分工、配合和优化，研究如何发挥理论与实验的统一和谐及互补的教学优势在创新人才培养中的作用。

2.研究如何从理论教学和实验教学的不同方面设计可行的教学路径，在教学主渠道中引导学生重演和体验科学家发现和解决物理问题的过程，从而实现其探索式的创新学习。

3.开发演示实验在学生探索式学习过程中的深层次教学功能，改变以往传统演示实验单纯的演示功能，将演示实验作为理论与实验课整合的衔接口。

4.完善全方位开放的实验教学体系，通过预备实验、基础实验、课题实验和现代专题实验几个教学模块的路径设置，实现对不同层次、不同年级的学生设置以实验和问题为切入点的教学过程，实施因材施教。

5.精心设计与遴选课题，实施案例教学，营造学生团队进行实验观察、讨论、探索、归纳总结的自主学习环境。

项目研究中的关键问题

运用科学的方法，寻求符合教育规律、可操作性强的理论与实验课程整合优化路径。

三、项目研究的主要工作

本项目组在三年的教学改革实践中，紧扣项目总目标，不断实践、总结和调整，创造了运作灵活的大开放的教学环境，从课堂教学、课内外实验、选修课程、网络教辅、课外创新活动等各方面搭建学生自主学习和探索研究的实践平台，多方位、多层次实施物理理论课与实验课的整合优化。

1.将演示实验作为理论与实验课整合的衔接口，开发演示实验在学生探索式学习过程中的深层次教学功能。

我们重新审视了实验中心的近百种演示实验设备，认为有必要挖掘和扩展物理演示实验的教学功能，对物理演示实验作为学习者学习过程中的一种重要优化的有效途径加以重新认识，建立多层次的物理演示实验体系，即课堂教学演示实验、课后开放型演示实验和自主研究型实验（选修）。引导学生经历科学发现的过程，对感兴趣的物理问题自主学习和研究，走上“观察—实践—探索研究”的学习轨道。经扩充和完善后的物理演示实验为学生课内学习和课外探索研究提供了良好的条件。

（1）课堂教学演示面向全体教师和学生，要求上课教师尽可能选择利用与教学内容结合密切，效果好，有启发性实验当堂演示，引导学生提出问题和思考问题。目前，力、电磁学、振动、波动和光学内容的演示实验课堂覆盖率达80%。

（2）课后开放型演示实验面向全体学生，各任课教师鼓励学生课后参加，每个学期利用双休日开放16周，每个单元3小时可完成一组系列演示实验，学生亲自动手参与实验，每学期参加学生近千人次。

（3）自主研究型演示实验面向选修公选课和试点班学生，该类实验主要利用世行贷款所购置具有较高科技含量和物理内涵的仪器设计而成，已开设出近30个实验项目。此类实验的教学安排过程是:根据教师提供的实验探索指南，学生实验前自己查阅相关资料进行理论预习，实验中根据实验现象提出问题作进一步探索研究，每年有近200名学生选做这部分实验。

近三年来，每学期约500名学生（个人或集体2～4人）自愿参加双休日开放型演示实验，完成2～3组系列演示实验并写出一篇200～300字的体会或小论文；100名左右的学生选修了“现代工程技术中物理现象探索”、“物理学史与思想方法”公选课，完成了自主研究型演示实验，撰写了一批有一定质量的研究论文。

2.完善多层次开放的物理实验教学体系，构建运作灵活的多途径理论与实验整合的实践教学平台。

物理实验课程内涵丰富，所覆盖的知识面和包含的信息量以及对学生的基本训练内容是其他课程难以替代的，物理实验课程理应在培养学生观察分析、建立模型、判断研究、归纳总结，激发学生的想象力、创造力，训练学生科学研究等方面发挥重要的作用。因此，引入现代教育思想，大胆进行工科物理实验教学内容和课程体系的改革是一件有意义的工作。

经过多年的努力，我们利用“211”建设资金的投入，尤其是世行“高等教育发展”贷款项目在我校物理实验中心的启动，构建了按学生的能力培养、创新精神和素质训练的要求分层次的由预备实验、基础实验、课题实验、现代专题实验四大模块构成的开放型的课程结构。

物理实验课程体系具有如下特色:①因材施教。分层次教学不仅体现在不同模块的教学内容中，同时体现在每个实验项目中，不同层次和实验基础的学生均可以选择合适的实验项目和实验内容。②实验内容现代化。淘汰并更新与实际应用脱节的实验内容和测量方法，引入一些新实验、新方法，提高了实验内容的现代化水平。③教学模式现代化。适应深层次实验室开放（实验时间、实验空间、尤其是实验内容的开放）的教学需求，为学生提供自主学习的优良环境，有利于学生创新精神和实践能力的培养。④教学管理和教学手段现代化。通过校园网实现了选课、成绩管理、实验预习等教学管理的现代化。同时教学环节中合理运用CAI多媒体软件和网络电子教案的现代化教学手段，既有利于学生掌握知识、扩展信息，又有利于提高教学效率，为教师更好地发挥指导作用创造优越的条件。⑤成绩评定注重学生知识、能力、素质的综合提高。实验成绩评定加重了平时成绩的比重，同时通过论文与制作的答辩、评比和竞赛等活动引导学生注重能力培养和创新意识。

（1）预备实验引导一年级新生体验自主学习

我们将一些在中学物理知识基础上可进行的部分实验列为预备实验。该教学模块最初定位在为一些中学实验基础较差的学生提供“补课”机会，适当提高基础实验部分的起点，以适应21世纪实验教学内容现代化的需要。经过几年的教改实践，预备实验室已调整为补课、自学、开放同时兼备的学生自主实验的场所。

预备实验室对刚跨入大学（还未开设大学物理理论课程）的学生全面开放，电子教案辅助教学，教师或研究生助教适时辅导。学生通过校园网自由选择实验项目及实验时间，学生实验情况和成绩管理全部实行计算机管理。九九级新生中有700余人选修了预备实验，之后选修人数逐年递增。2002年选修人数达到2 000余人。可以看到，预备实验很受大学新生的欢迎，进预备实验室做实验的学生没有只局限在中学实验基础较差的学生群里，而有相当一部分学生中学实验基础较好，他们也到预备实验室来选做各自感兴趣的物理实验项目，从学生的反馈信息中看到，学生们看中的是开放自主实验的环境。

（2）基础实验提高教学起点，实施层次教学，因材施教

基础物理实验是面向全校理工各科学生的必修课程。我们对基础实验的教改工作体现在如下方面:①用现代发展的观点精选与改进实验项目，使物理实验内容和手段与现代科学技术贴近；②精心设计实验内容、增加实验项目的信息量、编修实验教材，每个实验按基本内容、提高性实验内容和扩展设计性实验内容分层次编排，以求对不同类型的学生因材施教；③逐步加大选做实验比例，给学生学习提供宽松的环境。

分层次的实验教学，不仅保证大面积学生教学的质量，同时使优秀学生脱颖而出。分层次的实验内容把学生吸引在实验室里，他们充分利用实验室的条件，通过观察、思考尽可能地做好各个实验。从学生反馈的教学信息中可以看出，分层次的实验教学为学生能力培养和素质教育提供了新的平台和窗口，受到了同学们的热烈欢迎和支持。

（3）课题实验为学生营造科学研究的氛围

课题实验是将开放性、设计性、综合性、应用性实验有机结合后，对二年级学生推出的教学模块。课题实验模块旨在创造适合于低年级学生的真正意义上的开放综合设计实验环境。课题的选择可以是实验室提供的，也可以是学生自主申请的立题。实验课题分两大类:一类是以开放设计形式出现的基本实验；另一类是综合性、应用性较强的设计性实验。第二类实验课题的内容一般都具有交叉性，包括物理学中力、热、电、磁、光等的交叉，也包括物理学与其他学科的交叉。学生要完成这类实验，除了在实验室进行实验外，还需要去图书馆、微机室。课题班教学积极进行成绩评定方法的改革，从平时实验情况和实验论文及论文答辩多方面综合评定学生的实验和创新能力。在课题班学习的学生共同的反映是能自主感受科学实验过程，对物理理论的学习和研究更为深入。

（4）现代专题实验为学生接近前沿打开窗口

现代专题物理实验教学模块是物理实验课程新体系的重要部分。我们已经对全校研究生开设“现代物理（分析）实验导论”的课程，并正在利用世行贷款的建设项目，将核物理与核技术、X射线分析、磁共振技术、真空与低温技术、光谱分析等专题实验向部分本科生开放。

3.案例教学为物理理论与实验教学的融合开辟一条新路径

案例教学是MBA课程中的主要教学方式，我们将案例教学引入物理教学中是联想到自然科学规律的发现和应用也是常常出自于案例。如牛顿“苹果落地”导致万有引力定律的创立，爱因斯坦的“追光实验”促使狭义相对论的诞生等。从教育思想的角度看，案例教学法体现了主体性教育思想，即引导学生积极地、能动地、创造性地掌握科学文化技术知识。我们以典型事例、典型实验为引导，在物理教学中引入案例教学，在教学方式上体现了重在“愤启悱发”的特点，这就是说，在教学上对学生不搞灌输式、填鸭式，而是结合教学诱导学生主动积极地思考问题，在学生经过钻研思考而达到似懂非懂时必然会产生一种让人启发的愿望，教师的适时点拨就会使学生豁然开朗。案例教学中的“教”的目的在于“学”。在案例教学中我们的做法是让学生通过案例中的具体问题学到学的方法，而这种知识和方法的获得是通过教师的引导，让学生从教学过程中悟出来的。

设计好物理教学中的案例，往往给理论与实验教学的融合找到一条具体的路径，而这种教学过程在实际操作中具有较好的灵活性。课堂组织教学，课后课外的实践、讨论、归纳、总结、交流等活动的开展也具有可操作性。

我们的教学实践证明，选择合适的案例教学过程，实际上是为学生创造一个自主探索学习的环境，学生们可以在这些学习过程中重演或体验科学家发现和解决物理问题的过程。

我们的物理案例教学的选题原则是:①具有丰富的物理思想；②学生喜闻乐见的日常生活、娱乐活动以及生产实践中所遇到的实际问题；③从学生实验中分离出来的相关问题；④从科研项目中提炼出的物理基本问题；⑤当前科技热点问题。

案例教学的实施种类分为:①应用型案例教学。选择与已有的书本知识保持一致的选题，学生的自主性表现在怎样将所学综合知识用于解决一个个实际案例之中。②探索型案例教学。选择从实例分析中归纳和引出知识为目的的选题，让学生去探究其规律，然后再用已有的知识理论进行比较，对有争议的问题还可以分组讨论研究，并定时组织总结交流。

案例教学的一般教学程序:①课内用约15分钟的时间展示案例和提出问题，对实践性较强的案例，恰当地给予学生提示性的线索。②学生课外对案例和问题分组讨论、实践，得出初步的结论，撰写讨论稿。此环节视案例的具体情况增加实践和实验时间。③课内交流各组的讨论意见（约30分钟）。④课外再次分组实践与研究讨论。⑤指导教师汇总各组学生的研究小结。⑥教师组织课堂讨论与总结（约30分钟）。

四、项目研究的成果文件（目录）

1.“工科物理理论课与实验课的整体优化”项目研究报告。

2.物理理论与实验综合教学大纲和参考教材群索引。

3.自编教材和教学软件:

（1）物理实验（含课题实验）（高等教育出版社出版）；

（2）物理实验网络教学软件系统（东南大学出版社出版）；

（3）大学物理网络课程软件系统（高等教育出版社出版）；

（4）自主研究型演示实验探索学习指南（讲义）；

（5）自主研究型演示实验手册（讲义）；

（6）开放演示实验教学纲要（讲义）；

（7）大学物理案例教学设计和教学纪实举例（教师用讲义）；

（8）物理百问（讲义）。

4.学生论文选编。（两届）

5.近三年本科学生在国内外期刊上发表论文。

（1）邱宁，多普勒效应演示器，大学物理，2000（19）；

（2）刘蕾蕾，精妙——浅谈物理学中的推理矛盾，国际物理教育通讯，2000（26）；

（3）秦瑶，常见均匀刚体的转动惯量的求法讨论，大学物理，2002（2）；

（4）邱宁，多普勒效应测试仪的改进，物理实验，2002（9）；

（5）邱宁，智能加速度测试仪，物理实验，2003（6）；

（6）朱明等，谈圆驻波演示实验中的思想误区，物理实验，2003（6）；

（7）石林等，The in－plane anisotropy of permalloy arrays of submicron rectangular elements.Modern Physics Letter B，2002（16）；

（8）石林等，Ferromagnetic resonance study on the permalloy submicron rectangular arrays prepared by electron beam lithography.Journal of Southeast University 2002（18）；

（9）周啸，轴对称缓变磁场中的等离子体与磁约束，2003年7月寄稿《物理与工程》；

6.项目组发表教学研究论文。

（1）熊宏齐等，传统实验以崭新的面貌迎接21世纪，实验室探索与研究，1999（11）；

（2）钱锋等，培养创新能力，建立物理实验课程新体系，实验室研究与探索，2000（3）；

（3）钱锋等，课题型实验侧重培养学生创新能力，实验技术与管理，2000（5）；

（4）张勇等，谈物理模型教学与学生创造能力的培养，东南大学学报，2001（2）；

（5）武荷岚、解希顺，浅议物理教育与素质教育，大学物理，物理教育专刊，2001（22）；

（6）杨闽南、解希顺，The teaching approach of merging semi－conductor physics fundamentals into college physics course.Proceedings of International Conference on Physics Education for Reforming the Fundamental Physics Teaching，2002；

（7）周雨青等，物理课程是培养工程技术人才素质的助动力，东南大学学报哲学社会科学版，2001（2）；

（8）殷实等，物理课程高层次教学的实践和探索，东南大学学报哲学社会科学版，2002（2）；

（9）陈小凤等，全面开放、自主学习、因材施教、激励创新，东南大学学报哲学社会科学版，2002（2）；

（10）陈小凤等，从示波器使用谈大学物理与物理实验的整合，金陵职大学报，2002（4）；

（11）陈桂云等，物理演示实验认知教学功能的初步研究，物理实验，2002（11）；

（12）章宁等，运用网络技术推进物理教学改革，东南大学学报哲学社会科学版，2003（1）；

（13）周雨青等，理论与实验的整合，物理与工程，2003（4）；

（14）叶兆宁等，The innovation and practice of the physics experiment teaching of network.Proceedings of International Conference on Physics Education for Reforming the Fundamental Physics Teaching，2002；

（15）章宁等，Physical Assistant instruction based in Web.Proceedings of International Conference on Physics Education for Reforming the Fundamental Physics Teaching，2002；

（16）周雨青等，实践长才智 整合出新路，《高等工程教育研究》已录用；

（17）陈桂云等，物理创新能力培养依赖路径，《高等理科教育》已录用；

（18）叶兆宁等，演示先行，探索为本，《物理实验》已录用；

（19）周雨青等，简单但富有启发——从一道开放性初等问题的解看课堂教学的素质教育，2003年7月寄稿《物理通报》；

（20）钱锋等，介绍一堂案例教学课，2003年7月寄稿《高等理科教育》；

（21）叶兆宁等，类比思想在电磁学学习中的巧妙应用，2003年8月寄稿《物理通报》。