中学与大学物理实验的衔接问题与对策研究

2022-06-02 03:29王振国王艳伟

大学物理实验 2022年1期

高珊，王振国，王艳伟

(温州大学数理学院，浙江温州 325035)

物理学是自然科学的基础，其对于科学素养和创新能力的培养与要求是物理学处于科学技术发展主导地位的重要原因。2017年版《普通高中物理课程标准修订稿(征求意见稿)》提出物理核心素养这一概念，指出学生要从物理观念、科学思维、科学探究、科学的责任与态度四个方面形成适应终身发展和社会发展必要的文化品格和必要能力。物理实验在培养学生科学思维、科学探究能力、探索精神和创新意识等方面有着不可替代的作用。在中学物理学科的实验教学中融入物理核心素养，以学生的学科理论知识和感性经验为基础，以科学探究为手段，以科学思维为核心，可以有效激发学生内在的学习动力，培养学生的物理实验技能。但刚升入大学的大部分学生习惯于用中学形成的固有实验方法、思维方式以及原有知识体系去进行大学物理实验。因此分析中学与大学物理实验的衔接问题，帮助学生尽快适应大学物理实验课程就显得至关重要。经调研、归纳发现中学、大学物理实验主要在教学理念、教学内容、学生实验能力三方面存在衔接问题。在教学理念上[1]，由于中学和大学在物理实验课程方面的教学目标与教学要求标准相差较大，中学旨在培养学生的基本实验能力以及巩固理论知识，而大学要求学生通过学习基础物理实验具备综合实践与独立思考、探究、分析、解决问题的能力，两者的差异使得学生刚步入大学时难以适应新的实验教学要求，实验课程达不到预计的教学目的和培养目标；在教学内容上[2-4]，高中物理教材在内容和微观设计上，更侧重于学生高考的需求，而大学物理实验内容是为了培养学生对实验原理的理解、实验步骤的处理以及数据分析处理等能力，两者的教学内容产生了空白与重复的部分，导致学生在过渡阶段难以适应；在学生实验能力上[5,6]，中学由于实验器材、场地、高考压力等原因导致学生的物理实验素养没有得到应有的培养，中学生所具备的科学素养以及形成的固有物理思维、探究方式与大学物理实验的培养目标相差较大，学生不能及时适应物理实验教学方式、内容以及考核上的改变，导致进行大学基础物理实验时产生实验操作不规范等衔接问题。

1 解决物理实验教学衔接问题的实际对策

我国的基础教育改革经历了从“双基”到“三维目标”的转变，而新一轮的高中课程改革又在“三维目标”的基础上提出了“核心素养”的培养目标。中学物理实验是在物理核心素养的基础上培养学生的科学素养和科学探究能力，大学物理实验的目的也是培养具有科研素养的高水平人才，两者目标统一。但中学教学的不断改革与大学传统教学模式之间的差距也导致两者在实验教学上存在一些衔接问题。基于目前中学与大学的物理实验教学衔接问题，我们针对教学理念、教学内容、学生实验能力等方面提出解决对策，满足学生的实验需求和探索欲望，实现中学和大学物理实验教学的有效衔接。

1.1 调整教育理念，统一教学目标

(1)中学提升对物理实验教学的关注，将物理实验课程正规化

广大物理教育工作者在思想上应该把基础教育与高等教育看成一个统一的整体，使实验教学与理论教学相互配合[7]。学校对物理实验课程的管理和监督是物理实验教学顺利开展的保障。中学应将物理实验课程与理论课程同等看待，建立完善的实验教学管理、监督、培训和考核体制以实现物理实验课程的系统化和常规化。学校可聘用具有专业素养的物理实验教师，与理论课教师分别授课，根据物理学科理论课程的进展为实验课程制定学期规划，规定课程数量和必修的实验项目；定期组织教师实验技能培训；定期组织学生进行操作考核和笔试考核，为学生制定过程性评价方案，使学生的实验技能培养可视化。

(2)大学更新物理教师教学理念，改革物理实验教学方式

大学基于学生个体差异，教师可采用分层教学和分组教学的方式，因材施教，实现中学、大学物理实验的顺利过渡[8]。对于物理专业，学校可在学生入学后组织实验基础测试，通过笔试和实验操作考试全面考查学生对实验仪器、原理、探究过程、数据分析处理的能力，并结合学生的学习兴趣、动手能力等因素把全体学生分成高中低三组，根据不同层次制定相应的教学策略、内容和考核方式[9]；对于非物理专业学生，结合其培养方案，选择相应实验项目开设课程，不同专业有所区分，如测控专业的核心专业课程是《传感器原理设计与应用》，《非平衡电桥及热敏电阻温度计》与《霍尔位置传感器的定位》等实验项目对于学习传感器有很大的帮助。类似还有其他物理实验与不同专业核心课程紧密相连，大学物理实验的开设要具有针对性，将实验分类，因材施教。

(3)将中学物理实验操作考核纳入高考，建设物理实验技能培养衔接体系

目前高考物理实验采用卷面理论考察的形式，难以考查学生真实的实验操作水平。将物理实验操作考核成绩按照百分比纳入高考物理总分中，使得高考对物理实验部分的考察更加全面、真实。建立中学物理必修实验题库，采用线上抽题的形式，在学期末对一学期的实验内容进行操作考核，考核分数录入实验成绩系统作为平时实验操作成绩，高考前教育管理部门规定统一时间进行实验操作总的考核作为总结性成绩，实验平时成绩和总结性成绩、高考物理卷面成绩按比例分配作为物理总成绩，提高学校、学生对物理实验的重视、切实在物理实验中落实核心素养、提高学生实验技能和科学素养。

1.2 拓展实验内容，提高学生兴趣

(1)中学物理实验融入创新实验类竞赛与项目化学习

将创新类物理实验竞赛与项目式学习相结合，融入中学物理实验教学内容中，通过制定项目、拟订方案、实施方案、交流与评价四个阶段，对“项目式学习”模式进行展开[10]。教师除完成教材原有实验的基础上，结合本学科课程标准选择项目化学习题目，激发学生兴趣、勾起学生求知欲的学习情境，制定具有挑战性且不违背最近发展区理论的学习目标，并在问题中融入简单的工程、技术等学科知识，锻炼学生的基本实验能力。学生独立完成查阅资料、整理信息、拟订方案、小组谈论、数据分析处理、内容展示等科学探究环节。中学组织创新实物理实验类竞赛，学生可通过项目化学习对原有物理实验进行改进与创新，既能调动学生的积极性与主动性，提升学生的创造力，让学生学会灵活运用综合知识解决实际问题，又能将项目化学习灵活运用，得到实际应用。可以有效解决中学与大学教学内容单一、重复的衔接问题。

(2)大学基于科研实验室面向基础物理实验开放

传统大学基础实验项目有限，已经开发不出更具有创新性的学生实验。高校科研实验室是从事实验教学、科技创新、技术研究的重要场所，也是培养学生创新思维和创新能力的重要载体。科研实验室拥有着最前沿的科研知识内容，并且蕴含多门不同类型的学科知识，基于此，大学基础物理实验室可以依托科研实验室，与时俱进，获取最前沿的科研信息，开设具有创新性的科技活动[12]。

以软物质科研实验室为例，图1是学生利用科研实验室的原子力显微镜进行的多价离子对DNA凝聚的影响实验结果。在此科研实验中，学生必须要学习物理化学及生物相关知识，了解仪器原理及DNA凝聚的相关素材，拓展学生的知识储备，也能与中学所掌握的显微镜知识有效衔接。

(a)

(b)

(c)图1 用原子力显微镜观察多价离子对DNA凝聚的影响

科研实验室可为学生提供具有创新性的科研实验和学科交叉类实验，如生物单分子操纵与检测小组依托物理学科，建立了生物物理测量交叉研究实验室，吸引物理学、生物学、化学和电子信息等不同学科的学生。而在科研实验中，学生可以综合多种学科知识，丰富自己的知识体系，增强动手操作能力，从而促进自我的全面发展。

(3)教育厅加强省中小学教师专业发展培训项目

中、小学教师要通过学习不断加强自身科研素养、教育理念以及专业能力，省培项目是一项提升教师综合素质的有效途径。以浙江省为例，根据《浙江省中小学教师专业发展培训学分制管理办法》等规定，要求各培训机构要以本机构的专业特色来申报培训项目，教师可根据自己的需求以及学分进行选课。物理教师通过培训项目可以学习新的教育理念、实验项目以及教育方法等，但高校可申报的培训项目以及特色专业有限，教师在项目选择上也具有局限性。相关部门可调整培训项目的开设和选择，对教师的需求进行调研与整合，再根据调研情况与各培训机构的专业特色分配申报名额以及申报项目类型，从一线教师的教学实际需要出发，满足教师的学习需求。如针对于今年中学教学改革趋势，开设有关物理核心素养、深度学习、项目化学习、高考物理选考、STEM与自主创新实验等专题学习交流讲座，加强中学教师实验教学水平与专业素养，更新教学理念。

1.3 创造实验条件，强化学生实验能力

(1) 中学加强基础实验室建设，满足学生、教师实验需求

中学应加大实验经费的投资，改善实验室的条件、更新仪器设备和材料、在实验设备的更新上注意与社会的生产、科研结合起来，使得传统型的实验能与现代化的高科技测量技术相合。充分利用现代技术，实验室提供计算机设备，学生利用计算机搜寻各种相关实验软件,在计算机上进行模拟试验和数据分析处理，开阔学生的眼界，丰富基础物理实验教学的内容，提高其解决实际问题的能力[12]。此外学校还应建立物理教师实验中心，作为中学物理教师实验技能培训的中心，鼓励教师自己动手、研究和改进演示实验，加强教师教研能力，满足其实验创新需求。

(2)大学开设预备实验，降低实验起点

新高考改革后，部分高校针对选考问题开设了物理预备实验课程作为中学、大学物理知识的过渡衔接[13，14]。随着新高考改革政策的不断完善，物理预修课程也相应取消了。但中学、大学学生物理实验能力的衔接问题不仅是由选考产生的，地区、专业等差异也导致学生的实验基础参差不齐，所以大学开设预备实验课程是很必要的。高校可在学生入学时组织基础物理实验理论与操作考核，做出诊断性评价，根据不同专业学生的基础开设预备实验班，分层教学[15]，因材施教，巩固学生基础实验原理、教给学生实验仪器的使用方法、科学探究方法、数据分析、处理的方式等。通过预备实验课程的学习，缩小学生个体实验能力的差异性，做好中学、大学学生实验能力方面的过渡衔接。

(3)建立线上虚拟仿真实验室，满足学生物理实验需求

引入线上仿真实验室，建立预习、模拟操作、实验课堂、数据处理、交流讨论等学习系统，联合企业、高校科研实验室、慕课等引入多种类大学基础物理实验和近代物理实验以及科研实验项目，满足不同层次学生对物理实验学习的需求。学生通过仿真实验室获取预习资源、各高校实验授课视频，利用线上模拟操作功能增强实验技能和创新能力，利用数据处理系统绘制实验图、验证试验准确性、进行误差分析。学生的线上学习情况透明、动态化，教师根据仿真实验室给出的学生实验学习情况分析报告对学生的学习情况及时做出反馈，进行针对性指导和教学，加强学生自主实验能力、科学素养以及自主创新的能力。图2为线上仿真实验CCD杨氏模量测定学习界面，通过将实验分步的方式记录学生实验完成情况，提高实验教学整体质量与效率。

图2 CCD杨氏弹性模量测定学习界面

2 总结