學(xué)院的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)教學(xué)，分為理論課教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，兩種教學(xué)是獨(dú)立運(yùn)行的。理論課教學(xué)是以知識(shí)傳授為主，培養(yǎng)中學(xué)生的理論思維方式；實(shí)驗(yàn)課教學(xué)則是要求中學(xué)生把握一些基本的技術(shù)，以動(dòng)手為主，培養(yǎng)中學(xué)生產(chǎn)生理論結(jié)合實(shí)際的思維，使中學(xué)生具備初步的研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力。那些年來(lái)物理教學(xué)出現(xiàn)的問(wèn)題是中學(xué)生結(jié)業(yè)后在研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)上倍感無(wú)從下手，沒(méi)有思路。即使理論學(xué)的挺好，但碰到實(shí)際問(wèn)題不會(huì)用科學(xué)理論的思維去剖析，也難以用適宜的理論或?qū)嶒?yàn)技術(shù)去解決問(wèn)題大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)常用儀器的使用的原理，而是借助用直覺(jué)去猜的辦法。在人才培養(yǎng)上出現(xiàn)“高分低能”、“知行不一”的現(xiàn)象，中學(xué)生沒(méi)有產(chǎn)生理論聯(lián)系實(shí)際的思維。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題我們對(duì)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了調(diào)查和比較研究，對(duì)中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院200名理工科結(jié)業(yè)生進(jìn)行問(wèn)卷測(cè)試，要求中學(xué)生填寫已學(xué)過(guò)的數(shù)學(xué)理論課程章節(jié)和已做過(guò)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)名稱，各填寫20項(xiàng)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。理論課的記憶率為77.8%，實(shí)驗(yàn)課的記憶率為22.1%。若果按中學(xué)生做過(guò)的38項(xiàng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，實(shí)際記憶率僅為11.7%。數(shù)據(jù)結(jié)果表明目前學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)人的療效與理論教學(xué)相比存在著巨大差別，中學(xué)生普遍覺(jué)得實(shí)驗(yàn)教學(xué)好多是“走過(guò)場(chǎng)”。因此我們對(duì)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程解剖進(jìn)行比較剖析。下邊是一個(gè)理論教學(xué)的中學(xué)生學(xué)習(xí)鏈：
(預(yù)習(xí))→(課堂教學(xué))→(備考)→(作業(yè)練習(xí))→(考試)，
理論課學(xué)習(xí)，中學(xué)生可借助教科書課前預(yù)習(xí)，提升聽(tīng)課的療效，課后可借助筆記和教科書進(jìn)行備考，消化課程內(nèi)容，再通過(guò)作業(yè)訓(xùn)練鞏固和檢驗(yàn)自己的學(xué)習(xí)成果。作為班主任教學(xué)的兩個(gè)環(huán)節(jié)，課堂教學(xué)可充分發(fā)揮效率，考試可客觀、準(zhǔn)確地掌握教學(xué)質(zhì)量關(guān)口。
表1中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院關(guān)于學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)的問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果
但是，實(shí)驗(yàn)教學(xué)不存在理論教學(xué)這樣的條件。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的中學(xué)生學(xué)習(xí)情況為：
(預(yù)習(xí))→(課堂實(shí)驗(yàn))→(備考)→(作業(yè)練習(xí))→(考試)，
中學(xué)生難以借助書本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和操作訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容僅僅局限在課堂3—4小時(shí)，3—4小時(shí)內(nèi)中學(xué)生要了解實(shí)驗(yàn)原理、儀器的使用方式和原理，但是完成實(shí)驗(yàn)基本上是不可能的。多年來(lái)院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)“走過(guò)場(chǎng)”已成為普遍現(xiàn)象。中學(xué)生在課堂實(shí)驗(yàn)上難以消化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，因而也提不出哪些問(wèn)題，這樣的課弄成誰(shuí)都能帶，教學(xué)門檻很低。另一方面，面臨成百上千中學(xué)生，數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)考試也難以著力有效地進(jìn)行，憑印象打分，成績(jī)因班主任而異，考試沒(méi)有客觀一致的標(biāo)準(zhǔn)。這樣的考試對(duì)班主任也沒(méi)有衡量和約束能力，所以實(shí)驗(yàn)班主任只存在教學(xué)量的壓力，而沒(méi)有教學(xué)水平高低的壓力。難以客觀評(píng)估教學(xué)療效也是導(dǎo)致大面積實(shí)驗(yàn)教學(xué)常年低水平循環(huán)的主要誘因。低水平的教學(xué)循環(huán)帶來(lái)的影響除了是培養(yǎng)人才的療效低下，并且使實(shí)驗(yàn)班主任隊(duì)伍退化。針對(duì)過(guò)去院校常年存在的那些問(wèn)題和困難，北方科技學(xué)院在建校之初，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)從第一屆中學(xué)生開(kāi)始在變革上就邁出了重大的腳步。
(1)把大面積增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量作為教學(xué)變革的第一目標(biāo)
北方科技學(xué)院在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)上，軟硬件建設(shè)并行，采用產(chǎn)學(xué)研合作模式開(kāi)發(fā)出系列教學(xué)軟件，建設(shè)了一系列與課程對(duì)應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，與實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)以及基于仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)操作考試系統(tǒng)。
中學(xué)生課前必須先在網(wǎng)上完成實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)，預(yù)習(xí)改變了過(guò)去抄書完成預(yù)習(xí)報(bào)告的形式，采用基于仿真實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)系統(tǒng)了解實(shí)驗(yàn)原理，儀器的原理及使用，完成實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程。預(yù)習(xí)系統(tǒng)有基于實(shí)際操作規(guī)則(非操作次序)的班主任專家衡量系統(tǒng)，會(huì)對(duì)中學(xué)生的預(yù)習(xí)做出衡量，強(qiáng)調(diào)錯(cuò)誤，容許中學(xué)生反復(fù)預(yù)習(xí)直至獲得滿意的分?jǐn)?shù)。這樣中學(xué)生在上課前已基本把握了實(shí)際的教學(xué)內(nèi)容，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的使用達(dá)到胸有成竹，然后在課堂上中學(xué)生獨(dú)立完成真實(shí)實(shí)驗(yàn)并與班主任進(jìn)行交流。班主任課堂上只需答疑解惑，中學(xué)生有充足的時(shí)間消化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，收獲感大大提升，迸發(fā)了中學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。
考試系統(tǒng)由仿真實(shí)驗(yàn)、教師專家系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)試卷庫(kù)組成，班主任可以自由組卷，中學(xué)生的考試分?jǐn)?shù)由計(jì)算機(jī)手動(dòng)評(píng)選，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的評(píng)估有客觀一致的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)中學(xué)生是公正的，不同班主任的教學(xué)質(zhì)量可比較，加上每學(xué)期一次的中學(xué)生問(wèn)卷(后附)調(diào)查，對(duì)班主任的教學(xué)和水平進(jìn)行評(píng)估，推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)班主任隊(duì)伍的業(yè)務(wù)提高，北方科技學(xué)院結(jié)束了過(guò)去院校常年存在的實(shí)驗(yàn)教學(xué)低水平循環(huán)的現(xiàn)象。近幾年中學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)給與了很高的評(píng)價(jià)。表2和表3分別為北方科技學(xué)院中學(xué)生對(duì)學(xué)院化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的評(píng)教分?jǐn)?shù)以及評(píng)教所用的問(wèn)卷。
表2北方科技學(xué)院化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中學(xué)生評(píng)教分?jǐn)?shù)
表3北方科技學(xué)院中學(xué)生評(píng)教問(wèn)卷(實(shí)驗(yàn)課)
(2)營(yíng)造創(chuàng)新人才培養(yǎng)的多樣化實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境
結(jié)合當(dāng)前信息管理技術(shù)的發(fā)展，我們把現(xiàn)有的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室都建成了開(kāi)放式服務(wù)實(shí)驗(yàn)室，在完成公共選修實(shí)驗(yàn)、選修實(shí)驗(yàn)之余，全天候向中學(xué)生開(kāi)放。中學(xué)生可在網(wǎng)上預(yù)約進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間，預(yù)約成功后學(xué)生刷卡步入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在內(nèi)容上也對(duì)中學(xué)生開(kāi)放，中學(xué)生可按照實(shí)驗(yàn)室條件自選題目以滿足不同層次中學(xué)生求知、探索和創(chuàng)新的欲望。幾年來(lái)，中學(xué)生做的項(xiàng)目有：“雙限氣溫報(bào)案器的設(shè)計(jì)與制做”、“光盤化學(xué)參數(shù)檢測(cè)及其應(yīng)用”、“液體物性參數(shù)的檢測(cè)和研究”、“搭建磁阻效應(yīng)裝置檢測(cè)弱磁場(chǎng)硬度”、“用內(nèi)阻應(yīng)變傳感設(shè)計(jì)與制做便攜式電子稱”等。這種課題以中學(xué)生自發(fā)學(xué)習(xí)和組團(tuán)獨(dú)立完成為主，班主任在參考文獻(xiàn)以及課題方向上做啟發(fā)式指導(dǎo)，初審中學(xué)生的方案與題目，以論文答辯的方式作為實(shí)驗(yàn)課程的考評(píng)形式之一。班主任與中學(xué)生在線上、線下進(jìn)行多種方式的討論，產(chǎn)生多樣化的教學(xué)模式。
(3)以素養(yǎng)教育為目標(biāo)，改進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容與教學(xué)方式
數(shù)學(xué)學(xué)是以實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)的學(xué)科，它的概念和規(guī)律都是在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的，愛(ài)因斯坦把數(shù)學(xué)理論稱之為“理想實(shí)驗(yàn)”的結(jié)果。在我們的理論教學(xué)中對(duì)概念的引進(jìn)缺少對(duì)概念產(chǎn)生之前的認(rèn)識(shí)和實(shí)驗(yàn)背景的講解，中學(xué)生不曉得概念是如何形成和進(jìn)化而至，使中學(xué)生產(chǎn)生對(duì)理論的方式化理解，把概念絕對(duì)化。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常常只讓中學(xué)生動(dòng)手，沒(méi)有理論剖析。這些理論教學(xué)缺思想，實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)理論的教學(xué)療效是即使中學(xué)生理論學(xué)的挺好，并且遇見(jiàn)實(shí)際問(wèn)題不會(huì)用理論思索只會(huì)猜。出現(xiàn)了“中國(guó)教育只出將才不出帥才”、“優(yōu)秀人才都集中在純理論估算，實(shí)驗(yàn)科學(xué)探求、高科技開(kāi)發(fā)優(yōu)秀人才極少”的現(xiàn)象。目前基礎(chǔ)數(shù)學(xué)課程中的好多實(shí)驗(yàn)，是獲得過(guò)諾貝爾獎(jiǎng)的成果。它們?cè)诳偨Y(jié)規(guī)律和對(duì)規(guī)律本質(zhì)解釋上做出了歷史貢獻(xiàn)。那些內(nèi)容是讓中學(xué)生了解當(dāng)時(shí)科學(xué)家為何要設(shè)計(jì)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，了解化學(xué)的概念和規(guī)律是如何形成進(jìn)化的挺好的素材。還有些實(shí)驗(yàn)為后來(lái)科技發(fā)展開(kāi)辟了新的研究領(lǐng)域，派生出好多研究方向或產(chǎn)生一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)。它是培養(yǎng)中學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新意識(shí)的重要內(nèi)容。在我們的教學(xué)上注重作了補(bǔ)充、講解和討論。
現(xiàn)今科學(xué)的發(fā)展和各學(xué)科之間的互相交叉和滲透。新的綜合化趨勢(shì)已成為科學(xué)發(fā)展的主流，改變過(guò)去分學(xué)科的教學(xué)體系，完善以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)代技術(shù)實(shí)驗(yàn)、研究性實(shí)驗(yàn)分層次的課程體系，每一層次為中學(xué)生提供一系列設(shè)計(jì)性、探究性的課題實(shí)驗(yàn)。那些課題實(shí)驗(yàn)是課程內(nèi)容的拓展與延展，在研究性實(shí)驗(yàn)課程上，降低了到科研實(shí)驗(yàn)室做課題的階段，開(kāi)辦了“掃描隧洞顯微術(shù)研究材料表面態(tài)密度分布”、“超快波譜研究二維半導(dǎo)體材料中自旋壽命”、“高溫超導(dǎo)體高溫輸運(yùn)特點(diǎn)檢測(cè)”等與科研前沿緊密聯(lián)接的研究性課題，為中學(xué)生提供了聯(lián)接不同事科的實(shí)驗(yàn)以及科學(xué)研究與教學(xué)實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)。
(4)從仿真實(shí)驗(yàn)的定位與本質(zhì)出發(fā)，強(qiáng)化仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用
隨著20世紀(jì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)常用儀器的使用的原理，目前仿真實(shí)驗(yàn)已成為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)常用的一種實(shí)驗(yàn)技巧。仿真實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)是構(gòu)建在對(duì)理論和實(shí)驗(yàn)的深層認(rèn)識(shí)和高度統(tǒng)一的基礎(chǔ)上，科學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)學(xué)家依據(jù)理論模型設(shè)計(jì)的產(chǎn)物，不等同我們亦稱的實(shí)踐概念。仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)有完全相同的理論模型和本質(zhì)。它的特征是操作上與真實(shí)實(shí)驗(yàn)具有相同的自由度，但是正確的操作和正確的現(xiàn)象一致，錯(cuò)誤的操作和錯(cuò)誤的現(xiàn)象相符。在教學(xué)上由于教學(xué)的須要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的區(qū)別只是它的原始信息是虛擬的。仿真實(shí)驗(yàn)在改善我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，變革實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)上已起到無(wú)法替代的作用，使我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)甩掉課堂和課時(shí)的限制，在時(shí)間和空間上得到延展和擴(kuò)充，在教學(xué)上明顯提高了大面積實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平。
北方科技學(xué)院在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)上的變革和探求，得到教育部基礎(chǔ)數(shù)學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)的大力支持和認(rèn)同，2013年，2016年兩次在北方科技學(xué)院開(kāi)展了全省化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討培訓(xùn)會(huì)議，使我們的變革和成果在國(guó)外院校中起到了示范和幅射作用。
本文選自《物理》2018年第6期
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