高考选考物理方案下大学物理实验课面临的挑战及应对措施

杨则金

（浙江工业大学理学院应用物理系<国家级物理实验教学示范中心>，浙江 杭州310023）

0 引言

每次高考改革都是社会关注的焦点话题[1-2]，这次改革力度之大彰显了教育改革的决心。除了少数名牌大学要求必须选考物理以外，大部分学校没有要求学生选考物理，因此出现了物理系录取的学生未选考物理的情形。越来越多的学生在高考时放弃选考物理，在高中阶段只浅显的学习七八个月左右的物理。理工科专业的本科学生在低年级的时候还要求学习大学物理以及实验课程，这就造成了未选考物理的学生既要面对掌握大学物理基本原理的困难，还要克服学习大学物理实验的实践困难，学生基础参差不齐也给教学进度安排带来了困难。中学校长为了提升一本的录取率通常建议学生放弃选考物理。部分学生未选考物理，这导致这些学生无论是在大学物理课还是大学物理实验课上都与选考的学生存在着明显的差距，这种参差不齐的基础导致教学进度很难统一，教育质量出现了滑坡的现象，并且目前很多高校尚不具备将选考和未选考物理的学生进行分类选课和培养的条件。由于一个自然班内部学生的成绩要排序，因此分类开设大学物理实验课也不具有分类培养的可行性。在实验教学中，部分高分高能的学生做完实验以后很快就离开了实验室，而其他学生也趁机离开了教室，即使随机抽查部分学生要求其复述实验环节以及数据测量的过程，但是仍然改变不了学生不能独立完成一个实验的现状。学生离开教室时教师签名字以及随机抽查完成情况的方式很难改变学习效果，不擅长做实验的学生轻而易举地就可以从先做完的学生那里复制来数据。浙江工业大学编写了大学物理预修教材并开设了相关课程[3]，在有限的学时内全面地学习预科开设的所有物理章节效果不是很理想，学生反映进度太快，远不适应本科阶段的教学特点，由于实验资源的限制导致物理实验的安排往往无法与理论课程保持同步，因此很多实验课程的理论知识必须由教师在实验课堂上细致地讲解，压缩了学生做实验的时间。本文作者基于多年的教学经验总结了一个行之有效的教学方法，对于培养学生的物理基础有显著的作用。

1 新高考方案下暴露出来的问题

学生入学时虽然总分数不比改革前低，但是含金量高的物理分数低或者没有选考，就像俄语生高考普遍比英语生多考几十分的优势一样，从清华北大等顶尖高校只录取物理竞赛获奖的高中生就可以得到论证。新高考方案下物理只是一门普通平常的考试的课，表面上看在高中的三年并未阻碍学生的发展，甚至还促进了学生的发展，因为可以助其考上排名更靠前的高校，超额完成了高中三年量化的教育任务。实际上此举负效应很大，直接导致学生对物理兴趣不大，加之大学物理难度大，导致学生更加抵触大学物理课以及实验课，就进一步放大了对物理课作用的不客观认识，阻碍了学生整体能力的提升。学生在基础物理实验课上的表现与改革前相差甚远，学生的理解能力、动手能力、作业完成的质量、课堂效率等多方面都全方位的下降。仅有小部分选考物理的学生的实验完成的效果达到了改革前学生的水平。统计分析发现未选考物理的学生在课堂实验测量、数据处理以及笔试等多个环节均落后选考学生1～2个等级（按照优、良、中、及格、不及格五个等级划分）。笔者尝试在整个实验教学环节全程手把手地指导，结果发现越是指导的细致学生对教师的依赖就越强，就越难达到教是为了不教的目的。大学物理实验课是最能反映学生能力基础的一门课，因为既有理论原理需要消化，还有实验测量需要完成。没有选考物理导致学生大脑里没有物理学科的概念和意识，这比基础知识薄弱更加难以培养和塑造。现在很多的学生在遇到实验操作困难时坐在凳子上使用微信聊天、打游戏和看视频，等待教师手把手地指导，由于这不是个别现象，教师忙不过来，不停地在30个学生中间讲解。全部告诉学生实验步骤，逐个对学生讲解时间也不允许，学生也接受不了，更主要的是无法给学生预留发挥的余地，无法实施启发式教学，而预留给学生一点想象的空间学生往往又做不到，反而又浪费了时间，每一步实验步骤都卡脖子的现象揭示了学生思维能力弱化的本质，这种现象在改革前十分罕见。因为有的学生不买教材就借用别人的教材用手机拍照通过阅读图片完成实验，个别学生用手机里的计算器计算数据，还有的学生是班级干部，经常和任课教师以及辅导员联系，因而教师无法判断学生使用手机的意图。

浙江工业大学是以本省生源为主的地方性省属高校，大部分学生高考都没选考物理，大学入学后即使参加了预科物理的补修，效果仍然不甚理想，虽然很多学生在实验课结束的时候都离开了实验室，但是很多学生都是最后几分钟匆忙完成趁乱赶紧走人，少部分学生是胡乱连接几根导线然后坐下来玩手机等待其他同学做完了复制一份数据应付交差，这种现象在改革前很少见，学生普遍都有独立完成实验的能力。改革后学生在做分光计最小偏向角测量的实验时，一个班级只有个别学生会确定截止位置，虽然中学没有深入学习物理，可是分光计的实验不需要多少物理基础，只需要大家耐心调试，但学生的理解能力以及动手能力都很有限，在改革前至少有相当一部分学生可以独立完成该实验。

2 以学生为中心的育人方法

2.1 加强学生思想认识教育，呼吁学生重视物理实验学习

目前浙江工业大学是采用了入学后分三个不同阶段（入学后第一周、第四周、第八周等）考试检验学生的物理水平的方法，由此推测该生是否需要学习大学物理预科课程，这一举措十分有效地弥补了学生物理基础过于薄弱的漏洞和不足，然而预科有限的学时下学生的课后复习是自主掌握，主动训练的强度不够。

由于中学阶段没有深入学习物理，造成了对物理可有可无的偏见认识，也造成了物理与其他学科的科学属性一样的不全面认识，降低了物理学的基础决定地位，大学阶段反而要系统的学习物理，这是一个矛盾，学生也十分不理解，而且学生已经错过了训练思维能力的最佳时间，加之本科教育是严进宽出，导致大学物理实验课的学习效果呈明显的下滑态势，且有加速的倾向，因此教师需要回归到中学阶段的应试教育模式下培养其物理基础。由于未选考物理的学生考入了一个超过自身思维能力水平的高校，其潜在的劣势就在专业课的学习阶段暴露无遗。

通过思想认识上的转变，为使学生充分认识到科学研究的奥妙，教师在每次课堂教学都加入了一些思政元素和史料的讲述，通过这些故事引导学生期待神圣的科学体验之旅，例如诺贝尔奖获得者屠呦呦教授历经190次的失败后[4]终于完成了青蒿素的萃取过程。现实生活中学生们往往关注的是可以带来快感体验的网红和影视明星。再例如，吴健雄在验证弱相互作用下宇称不守恒的实验时晚上睡在实验室的睡袋里，周一至周五还要乘火车返回纽约给学生上课，周末返回华盛顿国家标准局继续从事实验研究的艰辛经历，一定会让学生明白吴健雄高超的实验技术绝对是日积月累形成的，掌握这些技术的过程也并不都是愉悦的体验，只有乐在其中的人才不觉得整个过程都是吃苦受罪，而是一种常人无法理解的幸福，这些真实的故事说明信念的力量是巨大的。

培养学生自主学习的能力、主动学习的意识、适应快速学习方式的习惯，将实验测量作为认识科学真理的一个珍贵的学习体验。完全弄清楚每一个实验仪器的工作原理是很难的，但是学生应该理解和掌握每次实验的核心思想和内容，例如光学干涉图样的条纹就是辅助理解干涉现象非常重要的实验，耳听为虚眼见为实，通过直接实验测量就可以增强学生对理论成果的理解。因此，通过实验培养学生的思维习惯是最能提高教学效果的一个手段。再如分光计的实验学生观察到汞灯的黄线、绿线、紫线这些分立的线条，可以培养学生原子物理中分立光谱的概念。再例如固体导热系数测量的实验，就是利用了许多等价代换的思想进行测量。

2.2 有针对性的课前预习

每学期开课之前集中讲解3个学时的误差理论和不确定度的计算方法。由于实验手册的理论内容讲解的范围有限，因此教师通过搜集大学物理教材、专业教材、专业的文献、科普的读物等资料，扫描成电子版提前一周发给学生，通过建立的课程微信群或者QQ群要求学生认真预习并写详细的预习报告，上课时抽样检查，例如固体导热系数的测量，着重要求学生复习热导率的推导过程。大学物理普遍都不学习固体物理，因此提前通知学生预习霍尔效应的理论知识，课堂教学根据反馈实时调整讲授理论知识的广度和深度。课堂提问检查预习效果因而进一步明确讲解的重点和难点，目的就是有的放矢的利用三节课的时间，尽可能最大化的培养学生的综合能力。通过课前以及课后通过在网络通信工具上及时地一对一指导，自然引导学生不断地学习物理，这种教师推动学生学习的策略，就逐渐地减弱了学生被动接受的意愿和加强了主动学习的意识。实践证明，本科初级阶段必须采用部分高中阶段的教学习惯和方法，循序渐进地过渡到快速的本科教学模式下，科学把握教学进度，灵活掌握教与学的尺度，否则跨度太大学生就会陷入一味地埋怨和抱怨之中，最终陷入不能自拔的本科晚期阶段的境地，追悔莫及。高考改革前的学生大多只预习物理实验手册上的内容，写一个预习报告，就足可以理解实验的要领和原理，高考改革后执行原来的教学方案学生普遍感到实验课太难，因此需要教师调整教学方法以适应学生分层的物理基础，否则很有可能陷入舍本逐末的境地之中。

2.3 课堂育人方法

每个学期都是采用分段教育方法，第一个基础阶段是手把手地详细讲解理论和指导实验，第二个提高阶段是概括讲解理论和着重指导共性的、易出错的实验操作步骤，第三个创新阶段是预留1～2个实验为独立完成的实验，侧重检验学生前7～8次训练效果，做完实验写完实验报告上交。这种分阶段授课的教法就循序渐进地培养了学生的能力，最后再结合几个核心实验的完成情况，就可以比较科学地确定学生们的实验操作分数，例如分光计的误差的计算结果就可以判断学生是否认真的计算了测量数据。笔试考试约占总评的50%，但是要求笔试不低于一定分数，平时操作训练的分数加上笔试考试的分数就可以客观地评价学生了，在网上录入成绩时采用优秀、良好、中等、及格和不及格五个等级。这是易受学生理解和支持的育人手段，其中2019春季学期化工学院的学生给予本人的学评教为满分，30个学生每人对教师进行10项指标的评价，学生给予了300个完全满意，位列全校第一。这个方法的好处就是做到了以学生为本，为学生的短期和长期利益着想，解决了学生不会入门的难题，同时也培养了学生的实验兴趣，做到了兼顾未选考物理学生的知识补充与选考物理学生的能力提高的两个层级学生的基础问题，也实现了所有学生由知识到能力的质变。以上过程动态调整，当选考物理的学生占比较高时，可以多给予学生一些独立完成的机会，当学生的动手能力和理解能力有限时，为了保证三个学时能够圆满完成实验则需要详细讲解，做到因材施教和创新改进教学方法，保证既能减轻学生的思想负担也能给予学生充分的信心和锻炼的机会，成功体验到获取知识的乐趣和美的享受。由于方方面面的限制，分层级的开设多个难度等级不同的实验供不同基础的学生选择，暂时尚不具备条件开设。

抽查做完实验的学生的学习效果，包括检查他们的数据、要求学生讲解实验原理、实验测量过程、拟计算的物理量、误差的来源、不确定度的计算方法等，侧重检查学生的实验过程和对实验的全方位的理解，此举极大地激励了学生在做实验过程中需要反复领悟实验的目的、原理和注意事项等环节。30人的自然班至少抽查3人，主要抽查长期低头看书以及请教别人、随大流一起走的学生，起到旁敲侧击的提醒作用，尤其关注做的最快的学生，因为部分学生可能是在他的启发之下完成了实验，如果他的测量是错误的，可能很多人都是错误的。在前几次实验抽查不合格的初级阶段要求学生重做，但是必须自己找到一个会做的学生辅导自己，否则时间来不及，中期阶段如果抽查不合格就要求在教师指导下快速地独立完成再离开实验室，晚期阶段直接扣除平时分，否则仅凭实验报告的完成情况给学生打出平时分不够全面。这个办法的目的就是防止少数学生不做实验带坏了风气，学生毕竟还是处于心智尚未发育成熟的阶段，消除学生得过且过的惰性，一味地鼓励表扬不能令其严肃地对待学习任务，必须要有一定松紧度的奖惩措施。

由做得快的学生现身说法，给予更多锻炼学生表达能力、逻辑思维能力的机会以及检验其是否深刻地掌握了实验步骤，通过他们为茫然不知所措的学生讲解测量步骤，学生之间也最能理解问题所在，容易找准切入点，为那些学生树立信心提供最有效的教育手段，同时也培养了团结协作的精神，逐渐消除学生早已固化的应试教育下被动接受的思维模式，逐渐地提升动手能力以及领会隐藏在现象背后的科学规律。相对师生而言学生之间的言传身教更有说服力，因为学生之间讨论问题思想上更容易放松，也会互相讨论一些十分基础的问题，这是学生之间互相交流的优势。

编写更加详细的教案发给学生，因为很多概念是不需要深入掌握的知识，需要减少学生思考的时间，为学生顺利完成实验提供时间上的保障，例如示波器的每个按钮的物理原理并不需要大家掌握：驻波实验的理论部分，虽然大学物理教材中有详尽的推导过程，可是学生并不会翻开大学物理的教材仔细阅读，因此很有必要系统的阐述驻波的原理，知识体系整合到一起将使学生更容易完整地预习。

根据学生的人数进行分组实验，即让学生自由组合，由基础好和动手能力强的学生做每一个小组的组长，仍然是每人一台仪器单独测量，让大家近距离完成实验是为了沟通交流更加便捷，这样就避免了不擅长做实验的学生进度慢而担心掉队的恐惧心理，待其顺利完成了若干个实验以后就逐渐地对物理实验测量产生一定的兴趣，找到切入点，慢慢地就可以独立自主地完成实验。这种分小组讨论的形式更适合地方高等院校未选考物理的学生，经过一段时间的观察和检验发现该方法效果很好，帮助很多学生克服了心理上的障碍，也是因材施教的一个具体体现。

高考改革前教师通常讲解手册和对照说明书讲解实验仪器，课堂教学互动反馈少，绝大多数学生都能听懂基本原理。高考改革后教师讲解的内容更具体细致，范围涉及中学物理内容，很多实验要当场示范甚至调节出现象提供给学生参考，课堂互动增多，每次课教师都要检查指导学生的预习情况、实验进展的快慢和完成数据的可靠程度等，基于反馈和互动进一步理顺实验的核心与要点，促使学生短期内掌握实验要领。例如，固体导热系数的测量，很多学生对实验升温的过程缺乏耐心，反映了学生兴趣淡薄的急躁心态。高考改革前，学生几乎可以每人一组独立完成实验，遇到反复强调的问题的次数少，部分同学可以提前完成，教师利用这个时间可以检查预习报告，批改实验报告，找出共性的错误和问题并集中讲解反馈，要求学生及时更正。高考改革后大部分学生需要教师手把手地指导，整个实验过程教师需要一直不停地检查每人的测量过程，教师没有任何时间批改作业，所以批改作业均是在课后完成，也只好通过网络反馈实验数据处理过程中出现的共性问题，学生们普遍感觉到课程难度大，对物理实验课程开设的必要性产生怀疑。改革前大部分学生测量的数据正确，抄袭数据应付检查的现象少，很多学生说他们特别喜欢物理实验，比其他课程的实验有意思，个别学生经常会创造性的发挥，对实验的理解达到了很高的水平。改革后几乎没有学生能对实验进行反复多次测量找到数据波动的原因，也很少有深刻认识实验原理和误差来源的学生，对实验现象的深入剖析不够，个别学生往往要用四节课的时间完成实验。

2.4 课后辅导和作业批改

课程要求学生在撰写实验报告时要有详细的计算过程，要求学生尽量独立完成，因为抄袭的学生往往只抄袭一个结果就上交实验报告了，同时还避免了学生瞎蒙复杂难算的误差的投机取巧心理。

首批前两、三个作业要求所有学生都完全掌握误差理论后再打分，首批作业不计入总的分数，也就是人人都是满分，手把手教会学生如何处理数据，以后的实验报告再客观地给学生打分，这样的要求就可以为不会写报告的学生提供了一次弥补学习的机会，通过这样严肃认真的教学态度感染学生的行为习惯。教师可以挑选出数据处理正确的学生的报告作为模板供大家参考，通过学习过程就自然提高了学生的成绩和能力。

在笔试之前开展专门辅导误差以及不确定度的计算过程。例如，分光计的实验通过总结可以发现这个仪器测量得非常准确，还可以测量其他微小变化量的实验，达到了举一反三的目的。改革前大多数学生都可以掌握计算方法，总体完成的为优良。

改革后批改一个班30人的报告要比改革前长约两个小时。课堂指导的次数也直接反映了学生的整体能力，改革前30人的每次课平均指导5～15人次，人均0.15～0.5次，而改革后则激增为30～60人次以上，人均1～2次以上，大部分学生需要多次指导。改革后课堂讲解的时间也比改革前平均长10～30分钟。

3 育人效果

统计发现药剂1902班24人只有5人选考了物理，食品工程1901班29人只有7人参加了物理选考。高考改革前学生动手能力强，实验报告写得好，遇到的问题也是难度比较大的核心关键问题，个别学生还经常请教大学物理的习题，改革后这种现象消失。改革后的学生们普遍不会计算不确定度。这是与名牌大学的学生素质进一步拉开差距的重要信号，例如中国科学与技术大学，全校本科生几乎都要完成3年的普通物理实验。我校只有少数个别专业开设2个学期的大学物理实验课，其他大部分工科专业的学生只开设一个学期完成8～14次的实验训练和学习。对于基础薄弱的学生来说，等待大学物理以及高等数学完全结束以后再开设可能效果更好。由于学生感到物理实验极其复杂困难，也因此在课程结束时对任课教师的教学评价打分很低，个别学生抵触教师查看其测量的实验数据。

根据作业统计发现，学生们在写实验报告时参阅大学物理教材的比例大幅度增加了，有近一半的学生主动翻阅大学物理教材深入学习，一方面表明课堂教学过程得到了学生们很好的执行和落实，另一方面也表明学生的基础相对于改革前确有一定的下降。由于学生精力很有限，因此没有统计学生查找专业图书的情形，例如霍尔效应实验中半导体的概念，迈克尔逊干涉仪实验中激光的概念。学生实验报告的正确率相比改革前仍然有一定程度的下滑，得高分的学生数量明显减少，日常教学反映不会算的学生明显增多。智能手机的出现影响了学生的学习效果，因为学生无法集中精力专注实验。有的时候先做完的学生通过手机发送测量好的数据给其他同学参考，。迈克尔逊干涉仪实验中学生会利用手机拍摄视频，为课后深入理解干涉条纹的不断冒出或者缩进提供了方便。

从实验报告的得分来看，改革前后也相差了至少一个等级，理论考试也是差异明显，改革前100分的笔试得80多分以上的学生比比皆是，现在是70分左右的居多。改革后教师在教学过程中投入的精力是改革前的一倍以上。通过全方位的辅导学生的动手能力也尚未达到改革前学生的水平，改革后学生的自主学习能力和创新能力比改革前的学生提升的也少，也因此制约了其后续的专业课程的学习。适时的降低物理实验的要求或许也是一个选择，可以将物理实验改为常年对学生开放并且学分更多的选修课。

由于大学阶段的部分教师责任心强，希望通过夯实学生的数理基础进而学精专业课程，就会造成师生之间的关系不和谐，因为有些不懂事的学生认为教师在为难他。物理学在培养人的实事求是的观念上的独特作用是不可替代的，物理学是启迪人类智慧的工程师。