罗格斯大学工科物理实验课程教学特色与借鉴

常　睿,　周亚亭,　赵勤贤

(1.常州工学院 a.教务处;b.数理与化工学院，江苏 常州 213032； 2.常州工程职业技术学院 建筑工程学院，江苏 常州 213164)

0　引　言

物理学是一门以实验为基础的学科，物理概念的建立和物理科学原理的发现，都必须以实验事实为依据，物理科学原理也必须经得起科学实验的检验[1-3]。物理实验基本仪器的使用是工科专业人员的基本技能，物理实验极富探索性和实践性的特点，使得它成为培养学生创新和实践动手的重要手段[4-6]。正因为这些原因，在国内外很多高校工科专业中，物理实验是一门很重要的基础课程。

美国罗格斯·新泽西州立大学(Rutgers, the State University of New Jersey，简称罗格斯大学)是一所国际著名的高校，物理实验是该校工科专业必修的基础课程[7-9]。但无论是物理实验的课程安排还是教学实施，罗格斯大学与国内高校都有很大的不同，尤其是学生自主合作进行实验活动的教学模式，有效促进了学生自主学习能力和团队精神培养，提升了物理实验课程教学成效。

1　罗格斯大学工科物理实验课程教学情况简介[10-12]

在罗格斯大学，物理实验课程由隶属艺术与科学学院的物理与天文学系管理并组织实施。该校为工科专业开设的物理实验课程，主要有普通物理实验和分析物理实验两种，它们都是开设两学期且每学期延续10周的1个学分的课程。普通物理实验和分析物理实验的区别主要在于两个方面：①前者涉及经典物理学的内容较多(共18周)，而涉及近代物理学和原子物理学的内容很少(各1周)；后者则在减少了经典物理学内容(共12周)的同时，增加了近代物理学和原子物理学的内容(各4周)。②分析物理实验与普通物理实验相比，其实验数据的处理要求有更高的数学分析能力。

物理实验课程的指导教师，由学校专任教师或经过专业训练的研究生助教来担任。在每次学生实验操作开始前，指导教师通常会用10～15 min，对实验原理和实验所用仪器操作方法等进行一个简单的说明。当学生开始实验操作后，除学生特意请求指导教师的帮助外，从设计实验步骤、实验仪器操作到实验数据的记录与处理分析、直至最后完成实验报告的撰写，整个实验过程都由学生自行处置。此外，指导教师每学期会随机6次在物理实验课堂教学中，利用前15～20 min，对学生前期实验内容进行书面小测验，来检查学生的学习效果。

2　罗格斯大学工科物理实验课程教学特色

2．1　自主合作进行实验活动的教学模式

学生可根据学校计划的教学班级设置，结合自己的时间安排和所在校区等情况，自主选择物理实验教学班级。物理实验课程开课前至少一个学期时间，物理与天文学系就会把电子版的物理实验指导手册和实验报告模板，放置到校园网上供学生下载自学。一个物理实验课程教学班的学生最多不超过30人，课堂教学时一般每3个学生自由组合成一个实验合作学习小组，在事先自学物理实验相关学习材料的基础上，完全通过小组成员自主进行的合作活动，来共同完成每一次的物理实验。

在每周的物理实验课堂教学过程中，一个学生实验合作学习小组，必须在包括课堂小测验和教师统一指导在内的3 h课堂教学时间内，合作完成一个物理实验活动的全过程。学校严格规定各实验合作学习小组间不得抄袭实验报告或数据，认为即使是同一实验，不同小组的实验结果和实验报告组织风格也会有所不同。对于有抄袭嫌疑的实验合作学习小组，指导教师将根据实验报告与其他组相似程度，按情节轻重最低判以零分的成绩。为督促学生在物理实验课堂教学时都能参与到实验活动中去，在同一实验合作学习小组的所有学生，将根据全体成员在实验过程中共同活动的综合表现，被判定相同的实验报告成绩。

2．2　学生同伴学习与教师指导有机结合

在工科物理实验教学中，学生主要通过实验合作学习小组这种同伴学习的形式，来完成物理实验课程的学习。当学生在实验过程中遇到组内学生无法解决的问题时，也可通过请教实验指导教师来获取帮助。但由于1个指导教师要同时面对25个左右学生，因而指导教师不可能细致入微地关注和指导每个学生参与实验的全过程。而由多个学生组成的实验合作学习小组来完成同一个实验的教学形式，小组每个成员都可以通过与同组同伴之间讨论交流、相互启发，来获取所需要的解决方法，进而顺利完成实验任务。

人是社会性动物，①学校中指导教师与学生在社会阶层上的地位差别，影响了教师对学生进行沟通指导的有效性。②同组实验学生之间相似的社会阅历和生活背景，使得他们在心理上有更好的相融性，而学生需要合作完成实验的共同任务，更使得学生之间能够平等有效地进行相互沟通和学习。在这种同伴学习过程中，相互之间的探讨和指导更加有效，学生的学习积极性更高，因而取得更好的教学效果。

2．3　引入现代科技成果，激发了学生的学习兴趣

罗格斯大学物理实验课程与我国高校一个非常大的差别，是在实验过程中大量使用各种传感器，包括力传感器、运动传感器、角运动传感器、温度传感器、压强传感器、磁场传感器等，替代传统测量工具来测量各种物理量，同时还大量使用虚拟仿真实验来帮助学生掌握实验原理和方法，用图形化的数据记录和分析处理软件来自动记录、分析和处理实验数据[11-12]。这样的做法，在强化学生知识结构中物理学原理与现代工业技术之间有机联系的同时，也显著降低了学生完成实验操作、处理实验数据的工作强度和难度。因而通过物理实验课程，强烈地激发了学生学习与探究现代科技的兴趣，同时有效地促进了学生应用现代科学技术和工具解决实际问题能力的培养。

2．4　为学生自主学习和完成实验提供方便[11-12]

与我国高校采用正规出版的物理实验教材不同，包括罗格斯大学在内的许多美国高校，物理实验课程教学中大多使用实验指导教师自编的实验指导手册和虚拟仿真实验。这样做的好处:①学校可以根据最新科技发展，来迅速更新物理实验的内容；②实验指导教师可针对教学中学生存在的共性问题，及时在实验指导手册和虚拟仿真实验中进行弥补或调整；③物理实验指导手册和虚拟仿真实验，是基于学生物理实验的真实环境和设备条件，充分考虑了学生的知识能力特点的基础上编写的，多数学生在物理实验指导手册和虚拟仿真实验的指引下，就能顺利地完成实验的全过程。为向学生宣传环境保护的概念，学校还特别向学生声明，考虑到保护环境和珍惜森林资源，不推荐学生使用纸质的物理实验学习资料。

2．5　客观合理地对学生进行学业评价

该校工科专业物理实验课程成绩，由平时的物理实验报告成绩(占比60%)和物理实验小测验成绩(占比40%)两部分加权平均而成。10次物理实验报告的平均成绩即为实验报告的总评成绩；去除最低的一次外其他5次小测验的平均成绩，则作为物理实验小测验的总评成绩。由于学生最终的实验成绩是由很多次成绩按规定比例加权平均得到的，这种做法在很大程度上避免了教师主观判断和偶然因素对学生成绩的随机影响，因而对学生的学业评价更加客观合理。此外学生为顺利完成实验任务并得到较好的实验报告和小测验成绩，不得不主动在每次物理实验课堂教学前进行预习，课后再去复习巩固课堂教学的实验内容。这种对学生学业的评价方式，有效地把握了学生自我实现心理的需要，提高了学生课后自主学习提高的自觉性[13-16]。

3　罗格斯大学工科物理实验课程教学体系对我国高校的借鉴意义

3．1　学习自主合作进行实验活动的教学模式

在很多国内大学物理实验教学时，教师首先对实验的要求、仪器操作和数据处理的方法等，作一个详细的介绍或演示，然后再由每个学生按照教师讲授或教材列出的实验步骤，来完成从实验操作到撰写实验报告的全过程。在学生完成实验的过程中，教师则在实验教室内来回巡视，根据学生提问或在学生实验中发现的问题，为学生提供个别辅导。这种实验教学模式很大程度上扼杀了学生的学习自主性，学生主动学习的积极性也很低，学生间缺乏甚至不存在合作与交流，不利于学生团队合作精神的培养。

罗格斯大学物理实验课程的学生，在自由组合的实验合作学习小组中，通过共同合作的自主活动来完成实验。这种共同合作活动在较好培育团队合作精神的同时，很大程度上消除了学生对学习过程的抵触情绪，提升了学生对教学过程和教学效果的满意度，有效促进了学生创新意识和创新能力的培育，提高了人才培养的质量。这种实验教学模式，在中国高校加强内涵建设的今天，有积极的实践参考价值。

3．2　自编电子化的物理实验教材(包括虚拟仿真实验)

当前我国大多数高校使用的物理实验教材，虽然已经开始引入传感器等现代技术的使用，但物理量的测量还以传统的测量工具为主。实际上，现代传感器技术很多已经是成熟技术，把传感器与计算机技术相结合，能自动完成测量数据的采集和处理，测量方法简便而且测量精度很高。在物理实验中引入传感器测量技术和数据自动采集、处理技术，最突出的一个优点是能使物理实验的教学跟上现代技术发展的潮流，帮助学生理解物理学原理与现代工业技术之间的密切关系，激发学生探究现代工业技术方法和原理的兴趣，促进学生应用现代科技解决实际问题能力的培养。

我国高校在物理实验中使用自编教材和虚拟仿真实验，①能够及时将最新的科技发展反映到物理实验教学内容中去；②能够及时根据学生可能的学习困难，修订物理实验教材内容，帮助学生更好地自学实验教材，顺利完成实验教学任务，提升教学质量。借助虚拟仿真实验，学生可轻松地通过课前或课堂自学，掌握实验原理，设计出合理的实验操作方案，直至自主完成实验全过程。此外，环境友好的无纸化电子教材，在节约资源的同时也减少了学生购置教材的成本。

3．3　对学生实验过程中个人表现进行考核

我国高校物理实验成绩的考核，有的取学生每次实验报告的平均成绩，有的则加上一次最终的实验考试成绩进行加权平均后评定(如果一次考试成绩在总评成绩占太大比例的话，会使评定的成绩具有相当大的随机性)。很少有学校在平时的物理实验课程教学中，对学生已经学过的实验内容进行测验或考试。此外国内高校物理实验授课班级人数较多，因而实验指导教师也不可能在课堂教学过程中，准确考察每个学生完成实验的表现，综合考虑到实验成绩的考核中去。由于没有测验考试和迅速高质量完成实验以获得较高成绩的心理刺激，学生缺乏在课外时间预习和复习巩固物理实验内容的心理动力。

如果我们采用罗格斯大学类似的做法，则能够减轻或避免上面提到的学生课后缺乏学习积极性。采用多次考核成绩加权平均的方法，也能减少各种随机因素对学生学习表现的影响，更为客观地评定学生物理实验课程的学业成绩。此外，如果我国高校教师在物理实验课堂教学过程中，记录各位学生在其实验合作学习小组中的活动表现，并综合考虑到实验合作学习小组全体成员的实验报告成绩评定中，那么对学生的实验成绩考核，将能更真实地反映每位学生的学习情况，并有利于督促每个学生以更积极的姿态，参与到共同合作的实验活动中去。

4　结　语

知识与技能的获得，终究是一个需要学习者主动内化的活动。因此，物理实验课程教学过程中要取得最佳教学效果，必须激发学生自主学习的激情和兴趣。与此同时，现代化大生产的复杂性和人的社会性，决定了人们必须与他人一起共同进行生活、生产甚至是研究活动。因此培养学生与他人协商合作，合力完成同一工作任务的团队合作精神和能力，已经成为学校教学工作的一个重要任务。

罗格斯大学在物理实验中引入现代传感器技术和信息处理技术的做法，使学生能对物理学原理与现代科技之间的密切联系有深刻的体验，在物理实验教学中彰显技术和时代进步的潮流，对于学生培养学习物理学和物理实验的兴趣，提升应用现代科学工具和技术解决实际问题的能力。开发和使用电子化的校编教材和虚拟仿真实验，在保障物理实验内容紧跟科技和时代发展趋势的同时，能够根据学生能力和发展的需要，更大限度地提升对学生学习的帮助和指导作用。

增加平时物理实验小测验的次数，结合物理实验报告成绩加权平均的物理实验成绩评价方式，在更为客观合理评定学生学业成绩的同时，也刺激了学生利用课外时间来预习和复习巩固物理实验内容的积极性。如果能在实验课程教学过程中，记录每个学生的课堂表现并综合考虑到学生的实验成绩评定中去，那么对学生的实验成绩考核将更为客观合理，并能促使每个学生更加积极地投身到合作学习小组的共同实验活动中去，因而能进一步提升教学效果。

参考文献(References)：

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[4]李文娜, 袁媛,魏国强. 物理实验教学体系的改革与实践探索[J]. 教育探索,2009(7):31-32.

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[6]张映辉. 构建突出实践创新能力的物理实验教学体系[J]. 大学物理, 2013, 32(12):43-45.

[7]https://www.timeshighereducation.co.uk/world-university-rankings/2015/world-ranking#/

[8]http://www.topuniversities.com/qs-world-university-rankings

[9]http://www.rutgers.edu/

[10]http://www.physics.rutgers.edu/ugrad/labs/

[11]http://www.physics.rutgers.edu/ugrad/labs/schedule-s14.html

[12]http://www.physics.rutgers.edu/ugrad/labs/schedule-f14.html

[13]http://www.physics.rutgers.edu/ugrad/labs/general.html

[14]https://rlc.rutgers.edu/

[15]https://rlc.rutgers.edu/student-info/group-and-individual-academic-support

[16]https://rlc.rutgers.edu/mslc/physics