基于OBE理念的大学物理实验教学体系改革与实践_王威.pdf

第 卷第 期大学物理实验 年 月 收稿日期：基金项目：辽宁省教育厅教学改革项目（、）；沈阳工业大学“专创融合”示范课程项目（）；沈阳工业大学教学改革重点项目（）；沈阳工业大学首批课程思政示范课程培育项目（）。文章编号：（）基于 理念的大学物理实验教学体系改革与实践王 威，国安邦，马 贺，张旭东，赵 骞，孙维民（沈阳工业大学 理学院，辽宁 沈阳）摘要：基于 教育理念，通过实施“”的改革发展策略，即通过“一个理念、两种模式、三种手段、四种转变”等对大学物理实验教学体系进行改革与实践，最终实现了在学生创新实践能力、教师教研水平和职业获得感、课程信息化水平、中心开放度和示范作用、学校基础实践教学水平等方面的“五步提升”。尤其通过“虚实拓扑”的教学模式，有效解决了目前实验教学中存在的问题，获得了广大师生的认可。关键词：教育理念；大学物理实验；教学体系中图分类号：文献标志码：大学物理实验投稿网址：一直以来，地方高校在区域经济和社会发展以及高素质应用型人才培养方面做出了突出贡献。目前，伴随着我国高等教育的普及，国家和社会对工科院校培养的高素质人才提出了更高的要求。基于“学习产出”的 理念（），倡导面向市场需求，培养学生的创新能力。其教育过程的设计要以实现学生特定学习产出为目标，以教育环节和课程为抓手，实现学习产出。因此，成果产出成为了 教育模式的基石，同时也是教育手段开展的目标。物理学是一门实验科学，通过观察现象、动手实践来培养学习兴趣是学好物理学、培养创新实践能力的有效途径，。大学物理实验作为理工科学生必修的基础课程，是进入大学后接受系统实验方法和技能训练的开端，在人才培养中具有不可替代的重要作用，。现有大学物理实验的教学现状及问题根源 目前物理实验的教学现状主要存在三个问题。一、大学和高中实验教学脱节。学生实践操作能力、独立分析问题与解决问题的能力不强。在实验中遇到仪器故障、连线出错等问题，束手无策，缺乏自信心和探索精神。二、传统的教学模式多注重知识的传授，忽略了学生的个性化发展与创新能力的培养。过于注重实验验证，忽略了其研究创新和综合应用性，导致学生对实验课缺乏兴趣，失去对实验深层次思考和探究的动力。三、信息化建设水平无法满足日益增长的教学需要，缺乏先进的虚拟仿真教学手段和教学模式。虽然目前大学物理实验中心建立了以基础性实验、综合性实验、设计性实验的分层次的物理实验教学体系和基于选课制的“时间开放、项目开放、资源开放”的开放式教学模式，但对于解决上述问题还存在明显不足。造成这种局面的原因主要是：教学模式相对落后，过多注重课堂教学而忽视课堂内容和实际应用的联系，学生的被动学习习惯，教学资源缺乏信息化教学的手段，缺乏创新实践的载体等等。实践能力和创新精神是信息时代对人才提出的新的要求，是物理实验教学改革应努力的方向。因此物理实验教学改革应当着力转变教育理念，创新教学模式，开发实践教学资源，为学生动手能力、自主学习意识和创新意识的培养创造良好的条件。通过把课上实验内容和课下知识拓展相结合以及引入虚拟仿真教学，提高学生学习兴趣、挖掘学生潜能、全面提升学生的综合素质。大学物理实验的教学改革思路和具体内容 针对教学中的上述问题，我们提出的教学改革思路是：基于 教育理念，实施“”的改革发展策略，即通过“一个理念、两种模式、三种手段、四种转变、五步提升”等对大学物理实验教学体系进行改革与实践。一个理念是指将 理念贯穿于整个实践教学体系。包括在教学模式、教学内容、教学方法、评价体系、学生培养、教学团队等方面，强调“学习产出”，体现先进教学理念。两种模式是指建立“课上课下”和“虚 实”的两种实验教学模式。深度融合基础实验、拓展实验、虚拟仿真三个教学资源，为学生打造了全方位培养创新实践能力的教学模式。三种手段是指采取“拓展实验、虚拟仿真、进阶训练”三种教学手段，注重学生个性化发展；借助虚拟仿真打破时空限制，激发探究性学习；采用进阶训练实现“两性一度”的课程升级。四种转变是指全面改革教学环节，在教学方式、实验室开放、教学内容、考核评价等四个方面，实现“四种转变”，完成到 理念下教学改革的预期目标。通过上述“”的实施，最终实现五个方面的提升，即在学生创新实践能力、教师教研水平和职业获得感、课程信息化水平、中心开放度和示范作用、学校基础实践教学水平方面得到提升。实施拓展实验，引导学生探究式学习，构建个性化培养的创新型实践教学模式 首先，实验中心出台了关于拓展实验的相关实施方案，并通过中心网站向学生发布。组织学生开展拓展性实验，即实施课上课下“”物理实验教学模式，将“课上实验内容和课下知识拓展相结合”。学生在课上完成自己选定的实验题目后，在课下业余时间自愿组成一个由 人组成的研究小组，专业不限，每组推选组长，由组长带领组员完成下列五类个性化拓展实验之一，包括：检测与维修有故障的实验仪器，并达到能在实验教学中正常使用的程度，同时测出实验教学中要求的合格实验数据；利用做过的实验题目的实验原理和主要实验仪器或对实验的实验仪器、实验方法进行改进，自主设计完成一个非课堂上测量的物理量的测量；自制实验仪器并完成某物理量的测量；应用物理实验的研究；物理演示实验、实验仿真开发以及基本物理量的测量方法。小组完成拓展实验后以小组为单位提交实验报告，成绩采用 分制，由实验教师统一评定给出总成绩。组长成绩不高于总成绩，每个组员成绩不高于总成绩的，该成绩最终计入期末成绩考核，计入后总成绩不超过 分。其次，开展“演示实验与专题研究相结合”的专题式个性化物理拓展实验研究。根据学科和专业特点，提出与电气，信息、材料、机械、理学等理工科专业相关的课题，开展“物理”演示拓展专题探究实验，为相关专业学生提供一个以物理学为背景的工程应用创新平台，成为面向全校学生开展小设计、小研究、小发明、小制作等一系列创新活动的课外科技活动基地之一。引入虚拟现实技术，建设 实验资源，构建全新跨时空教学模式 通过“虚 实”，打造“虚实结合”的闭环式教学模式。“虚”是指在原有网上选课的基础上，进一步自主设计和开发出虚拟仿真预习系统和考试系统，实现课前充分预习，解决无法实现期末阶段全部学生参加考试的问题。通过预习系统，完成对实验项目内容和操作的考核，检查学生的预习情况，并将成绩计入该实验项目的总成绩中，占。通过虚拟仿真实验考试系统，检验学生对实验操作、数据处理和注意事项的理解和掌握情况；通过系统内置的计分函数给出综合评价，计入期末总成绩，占。而“实”是指课上动手实验，可以检验课前预习效果以及课堂上真实操作的真实反馈。虚拟仿真技术的应用可以突破时空限制、增加学生的学习兴趣和自由度，并且解决传统实验受时空、成本、安全性和师资限制的问题。年，实验中心开发了微晶磁性材料 仿真实验项目，采用唯象建模和交互式人机互动的教学方法，突破了磁性材料制备过程高成本、高危险的限制，弥补了磁学实验较少的缺陷，受到学生的广泛欢迎。经过 年多的实践，两种教学模式的“学习产出”非常突出。不仅有效融合了基础实验、拓展实验、虚拟仿真三个教学资源，为学生打造了全方位培养创新实践能力的教学模式。而且学生参与人数多，受益大，显著提高了他们的实践能力和创新意识。全面改革教学环节，实现 理念下的“四种转变”，体现“两性一度”的课程升级 由“知识课堂”向“能力课堂”转变新时代的课堂强调培养学生的高阶能力，即提出问题和解决问题的能力，实现从知识获取向能力提升的本质性转变，需要创新原有的物理实验教学框架，在教学内容和教学方式等方面进行改革，。第 期王 威，等：基于 理念的大学物理实验教学体系改革与实践例如，基于“认识物理量的本质”入手，以“基本物理量的度量方法”为主题开展拓展实验，对教学内容和实验方式进行重构。例如，对于电流的测量。不同量级的电流需要不同的测量仪器，即使同一量级的电流的测量也可以有多种测量方法，涉及到多个实验。这就需要学生互相讨论，协同合作研究来确定测量方案。在此过程中不仅有效加深学生对物理量测量的理解、拓展学习视野，而且也可以培养学生找出规律的创新能力，以及合作能力。此外，引入思政教育，结合物理学史和科技应用，讲述实验背后的小故事，培养学生实事求是的科学态度、爱国主义热情和奉献精神。由“封闭课堂”向“开放课堂”转变为学生开放拓展实验室、丰富虚拟仿真资源、搭建 资源，鼓励课下科学探究。例如在示波器的实验中，扬弃传统教学模式，提前公布学习阶段目标、学习内容重点难点以及学习要求，让学生在课后到实验室提前熟悉实验仪器，借助虚拟仿真，在预定时间内完成指定工作，待到上课时间进行操作、完善，学生带着问题进实验室，在实验中解决问题，实验后反思、总结问题，从而大大提高实验效率和教学效果。同时，在拓展实验的基础上，以物理实验竞赛、双创项目、挑战杯等竞赛为载体，引入跨学科交叉创新的研究性实验课题项目和教师的科研课题，强化科研引领教学、反哺教学的理念。让学生在课外回到课堂，从而实现真正意义的“开放式”教学。由“传统内容”向“工程应用”转变面向工程应用是一所工科性大学培养人才的定位目标。为此，实验中心系统结合学生实际情况和教学资源分配，梳理了 余个物理实验项目和 个物理演示实验项目。针对学习内容、实验类型、与应用拓展，将 余个物理实验项目分为基础性、综合性和设计性实验，结合学生的兴趣和需要，要求学生在全年从中任意选择 个实验项目，其中设计性实验项目不低于选课数的。此外，面向全体理工科学生，开设结合工程应用的物理演示实验项目 个，部分开设的物理演示实验项目见图。例如，在物理演示实验教学上，改变原有的按照物理学知识点的讲授顺序。结合工程应用，优化实验项目和内容，将物理学现象与工程应用有机结合。按模块方式组织教学内容，引入五个模块的实例教学，即分别在检测领域、新能源、环境保护、信息技术、一般工业技术等五个模块中引入物理学原理的工程应用实例，使学生直接面对实际工程应用，强化工程应用意识。图 结合工程应用的物理演示实验项目 由“多元考核”向“综合评价”转变学习产出评估是 理念中十分重要的环节，如何制定科学合理的实践教学考核方法，是准确评估学生学习产出的重要根据，。传统教学中对单个实验项目采用“预习分操作分实验报告分”的多元考核模式，该评价模式综合考虑了实验前知识预习、实验中实际操作以及实验后数据处理，但操作评价环节教师难以操作，分数区分度较低，严重影响了学生操作的积极性和评价的公平性。因此，创新实验教学考核评价机制，根据物理实验教学大纲，分析各实验的实际情况，对重点、难点进行分析，提出了从夯实基础（分）、适度进阶（分）到拓展提高（分）的三阶式的教学内容规划，根据不同实验的具体情况制定进阶的级数和相应的分值，学生可根据自己的实际情况选择相应的实验层次，提高了学生分数的辨识度。实验中教师积极引导学生完成较高层次的内容，为了鼓励培养学生的创新意识，对学生选择的实验内容不加以限制。此外，多维度评价学生的实验学习成效，既看重结果也关注过程，既侧重个大 学 物 理 实 验 年人也考虑团队，结合拓展性实验以及参与物理实验相关的各级各类竞赛、项目综合评价学生的成绩。例如对于完成拓展性实验的以及参与物理实验竞赛的学生有加分的激励政策。本课程成绩包括平时成绩（）和期末考试成绩（），其中，平时成绩包括预习成绩（）、课堂操作（）和数据处理及撰写实验报告（）。教学改革成效通过上述“四种转变”，实现实验教学内容的高阶性、教学模式的创新性以及教学评价的挑战性，进一步完善了有利于培养学生综合实践能力的创新教学体系，教学成果显著。学生成绩的区分度显著提高，差异化培养更为明显，学生的实操时长和对于实验项目的完成度显著提升。虚拟仿真实验教学的引入拓展了实验教学的边界，增强了知识体系的完整性，拓宽了学生的求知视野。学生基于物理拓展实验所培养的科学探究能力得到明显提升；近年来，实验中心师生自制 余件实验装置，开发 余个实验应用项目，拓展 余个专题探究实验，并投入教学使用；开发 项 实验，丰富了虚拟仿真实验；指导学生参与各类竞赛和大创项目，共获得省挑战杯特等奖 项，三等奖 项。获批国家级和省级大创项目 余项；获得国家级、省级物理实验竞赛获奖 余项；教师出版教材 部；指导学生以第一作者发表教学论文 余篇、学生发明专利 项、外观设计专利 项、软著 项。结 语以 理念引领的大学物理实验教学体系的改革，通过实施“”的课程教学改革发展策略，实现了“学生、教师、课程、中心、学校”五位一体协同发展的实质提升，为建设国家级物理实验中心和省级大学物理教学平台提供重要保障，同时也为地方应用型高等工科院校开展物理实验教学提供有价值的借鉴。参考文献：李志义，朱泓，刘志军，等用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革高等工程教育研究，（）：教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会，物理基础课程教学指导分委员会理工科类大学物理实验课程教学基本要求北京：高等教育出版社，刘利清，王利霞，鞠维，等基于 理念下的大学物理实验教学改革和试行方案大学物理实验，（）：王威，马贺，姜伟高校大学物理演示实验教学改革的探索与实践科教文汇（下旬刊），（）：宋金璠，秦佳琼，石明吉，等基于 理念的大学物理实验 课程教学研究教育现代化，（）：孙维民，国安邦，赵骞，等课上课下“”物理实验教学体系和模式的探索与实践大学物理实验，（）：武立华，刘志海，张杨，等基于 理念的大学物理实验教学体系探索实验技术与管理，（）：王婷，冯金山，李屹坤，等基于 教育理念的项目驱动式开放实验教学实践大学物理实验，（）：王倩，张建祥，高国棉，等“新工科”背景下大学物理实验教学中课程思政的探索与实践大学物理实验，（）：陈桂云，吴威小数据，大教育 大学物理实验课中的教学变革 大学物理实验，（）：，（，）：，“”，“，”，“”，：；第 期王 威，等：基于 理念的大学物理实验教学体系改革与实践