基于“OBE”和“新工科”理念的《大学物理》教学模式探索

摘 要：习总书记在党的十九大报告中提出：“创新是引领发展的第一动力，是建设现代化经济体系的战略支撑。”在上述指导思想的引领下，文章基于“OBE”和“新工科”两种教育理念，结合大学物理课程的特点，研究并提出了一种创新型教学模式（PREI），理论和实践说明该教学模式有助于创新人才的培养。

关键词：OBE；新工科；云课堂平台；大学物理；PREI教学模式

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）18-0001-05

Abstract： In the report of the 19th National Congress of the Communist Party of China （CPC）， General Secretary Xi put forward： "Innovation is the first driving force to lead the development and the strategic support to build a modern economic system." Under the guidance of this guiding ideology， the paper， based on the two educational concepts of "OBE" and "New Engineering specialty"， as well as the characteristics of the university physics subject， puts forward an innovative teaching model -PREI， and demonstrates that the teaching model is conducive to the cultivation of innovative talents with theory and practice.

Keywords： OBE； new engineering specialty； Cloud classroom platform； College Physics； PREI Teaching Model

“OBE”[1]教育理念是基于產出的教育模式；“新工科”[2]理念的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才；不管是OBE的理念还是新工科理念，都需要确定培养人才的目标——即培养什么样的人才？习总书记在党的十九大报告中提出：“创新是引领发展的第一动力，是建设现代化经济体系的战略支撑。”创新靠什么？发展靠什么？靠人才。高校作为优质人才培养的基地，应推行“创新”教育，而课程是人才培养过程中最基本的要素和载体，因此创新教育最终要落实到每门课程的实际教学过程中。物理学科是一门探索自然界客观规律并应用客观规律的学科，物理学从某种程度上可以说是一门实验科学，它是一门理论严谨、实践性和应用性都很强的学科，所以在该课程教学过程中进行创新教育不仅是现代化经济体系建设的要求，也是物理学科自身性质的要求。目前谈“OBE”和“新工科”两种教育理念的比较多，但是在两种教育理念下进行大学物理课程教学改革研究方面可以说还是刚刚起步，因此如何在两种教育理念下进行大学物理课程教学进行大学物理创新教学模式研究是当今一个重要的研究课题。

本文通过对该课题研究与不断教学实践，提出了一种培养创新人才的创新型大学物理教学模式，即：PREI教学模式。PREI（Problem Research Expand Innovation）是基于问题研究、拓展、创新的教学模式，通过PREI教学模式可达到夯实内化基础知识、培养创新意识、创新能力和科学研究素质的目的，PREI教学模式要求课程教学做如下工作。

一、PREI教学模式对教学内容提出了更高的要求

PREI教学模式首先需要提出研究性问题，研究性问题要具有继承性强、拓展性强、应用性强、创新性强的特点。因此首先需要梳理大学物理各个知识点的特点，重组大学物理内容，使大学物理教学内容模块化，提高教学内容的挑战度。例如大学物理光学部分有光栅衍射知识模块，把光栅知识可设定为问题研究，在夯实知识点的基础上拓展到相位型衍射光栅的理论研究，进一步拓展到光钎光栅器件、光栅传感器件等应用方面的研究，通过拓展研究达到创新的目的。再例如大学物理中有简谐振动模块，把其作为问题研究，可拓展到分子、原子、等离子体的震动等等，从而可以拓展到金属表面等离子体共振增益效应的前沿知识的创新性研究。按照上述思路，梳理大学物理的各个知识模块，把可拓展创新的知识点进行重组，实施PERI教学。

二、PREI教学模式要求课程网络平台建设

PREI教学模式需要把研究性问题在课前传递给学生，需要学生课前通过自学、查阅中英文资料进行自主研究问题，然后提交反馈给教师，从而便于学生和教师都带着问题进入主课堂。因此PREI创新教学模式需要把研究性问题以“微课”翻转课堂的形式通过一个平台传递给学生，利用我校引入的清华大学教育技术研究所研发的支撑高等教育教与学的网络支撑环境的综合平台，简称石大云课堂平台，学生通过该平台的翻转课堂模块进行自学，图1（a）是电脑播放图，图1（b）是手机播放图，然后就拓展的问题查阅资料进行研究，把研究成果提交石大云课堂网址的课程作业栏目。

另外石大云课堂平台是一个交互性、学生学习情况统计性很好的平台，在云课堂平台上可以在教学资源中不仅可以添加和课程相关的课程资料，例如课程PPT、课程授课视频、课程微视频、课程测试题目、课程创新资源以及用于教学的各种辅助资料等；更重要的是在该平台上可以通过教学活动栏目和学生进行互动式教学，例如可以设置课程问卷、课程作业、在线测试、播客单元、课程答疑等互动环节。

该平台还有手机客户端，可以实现随时随地与学生就研究性问题进行互动。手机安装优慕课，在优慕课中可以打开自己的课程，进行相关教学资料的学习以及关于某一话题与老师进行互动交流。

大学物理课程组根据PREI教学模式的需求和大学物理课程的特点，在该平台上进行了大学物理课程建设，建有“课程学习、教学资源、课程作业、翻转课堂[3][4]、科技创新、实验视频、授课视频、答疑讨论、科学计算”9个模块，如图2所示，（a）是电脑显示的结果，（b）是手机显示的结果。

三、大学物理PREI教学模式需要实验创新平台建设

由于大学物理是基于实验的一门科学，一些物理问题的研究往往需要设计实验进行研究，因此为保证PREI创新教学模式的顺利实施，需要对实验创新平台进一步完善。为了让现有实验平台与PREI创新教学模式有机的融合，把大学物理实验室中的175项实验分成了演示性实验和研究拓展创新性实验，表格1是实验创新平台的部分试验项目。其中演示性实验在课堂教学中起到辅助知识点内化为学生能力的作用；研究性实验平台是在第二课堂中在教师的引导下学生自主研究、拓展的平台，通过自主研究拓展物理知识达到培养学生双创能力的目的。

四、大学物理PREI教学模式需要虚拟数字化模拟平台建设

由于大学物理问题研究过程需要数字化和可视化，因此PREI创新教学模式需要一个虚拟数字化模拟平台，而虚拟数字化模拟需要一个软件平台，因此大学物理课程教学团队创建了两个数字化平台辅助于教学，其中一个平台是MATLAB数字化平台，如图3是通过MATLAB数字化平台研究圆孔分辨率问题的仿真[5][6]；另一平台是基于c语言的交互式科学计算平台[7]，图4是基于该平台做的等倾干涉的仿真，其中设置了一些参数变量滑动条，通过这些滑动条的移动能清楚明显的观察到参数变量与实验结果的动态变化关系。以上两个数字化平台齐头并进建设，分别建设有物理知识点模拟仿真项目108项和67项。

虚拟数字化模拟平台的使用和物理问题的模拟需要老师去引导学生，由于大学物理课程课时所限，把这项内容以微课的形式上传云课堂平台，充分发挥学生的自学能力和教师的指导作用。科学计算微课制作初步如图5所示，其中图5（a）是电脑的登录的图面，图5（b）是手机登录的图面。

五、大学物理“三平台”驱动“主课堂”的PREI教学模式的实施

PREI教学模式基于“互联网+教育”背景的，目前“互联网+教育”逐渐引起了教育工作者的重视并进行了相关的研究[8][9]，而PREI教学模式融入了“问题导入式”、“案例式”、“研究式”、“线上线下式[10]”、“混合式[11]” 、“翻转课堂式”、“第一课堂大班教学，第二课堂小组研讨式”、“拓展创新式”等多种教学模式。

PREI教学模式是基于三平台驱动主课堂教学思想的，如图6所示，云课堂上承载着主课堂上需要学生提前线上研究的教学资源，是主课堂的主要推动力，实验创新平台和数字化平台是主课堂问题研究的拓展创新平台，可以说是主课堂的双翼，只有通过这两个平台上的创新工作，才能达到培养创新人才的目的。

PREI（Problem Research Expand Innovation）是问题研究拓展式的教学模式。PREI教学模式流程图如图7所示。该教学模式首先要提出问题，借助石大云课堂平台上的“翻转课堂”模块，在翻转课堂模块中采用抛砖引玉式添加授课视频，抛出具有应用和拓展研究的问题。课前学生在云课堂平台上观看视频，并通过网络查阅拓展问题的中英文资料，形成自己的观点和研究思路后带入主课堂进行深入研究讨论，课后在第二课堂，通过实验平台和虚拟数字化双平台进行问题的拓展研究。课后拓展的问题通过科技小组的研究并形成创新性的成果上传云课堂平台的课程作业，图8（a）是部分学生上传作业的情况，图8（b）是手机版查看的未交作业的情况。上传后的科技创新成果择优组织学生在主课堂上进行PPT答辩，图9是学生答辩场景。

六、PREI教学模式实践结果分析

教学实践说明大学物理教学中采用PREI教学模式是课程本身特点的需求，同时又是培养“双创”人才的需求。实验班的大学物理教学引入了PREI教学模式，实践结果显示实验班不仅在卷面成绩方面优于常规班，在双创能力、批判性思维能力、团队合作能力等方面也高于常规班。

（一）期末卷面成绩的对照

该教学模式对学生期末成绩的分布起到了一定的影响，图10是采用PREI教学模式的实验班和未采用该教学模式的常规班的期末卷面成绩的对照图，由图可以看出对于大约75分以下的同学来看，两个班的成绩差别不大，这些学生经调查发现，他们很少主动去网上学习反转课题模块教师抛出的问题，更是很少去网上查阅查阅相关资料，因此实验班的这批同学的成绩与常规班的差别不大也不足为奇了；但是对于75分以上的同学，实验班的成绩明显高于常规班的学生，这说明对于学习能力较强的学生而言，采用PREI教学模式后的教学成绩普遍比常规班高，他们分析问题解决问题的思路明显比常规班要有条理性和批判性。

（二）创新能力的对照

通过PREI教学模式的课后拓展研究工作，以及科技小组的答辩回报工作，大大提高了学生对问题的研究创新能力，同时也提高了学生的创业意识，总之学生的“双创”能力得到质的提高。在大学期间体现学生“双创”能力的项目是大学生创新创业项目，在《大学物理（2-1）》教学结束后，实验班的优秀学生大都组成了不同的团体申报了大学生创新创业项目，申报命中率98%以上。另外科技小组通过实验平台研究拓展了一些实验项目，例如：蛇摆、珠竞走、地下车库定位导航系统、全息三维投影技术演示仪、高斯来复枪、消失的电力、智能磁流变液制动装置、基于多集接收技术的LED光通信演示仪、波分复用音频传输综合演示仪、基于磁耦合的无线输电装置等项目都是学生的拓展作品；学生的数字化平台作品也在学校进行了集体展评，得到了全校师生的好评。通过PREI模式的教学后，实验班的优秀学生可以说基本上具备了双创人才的特征；而常规班的学生创新创业的意识相对而言比较弱，申请大创项目的学生相对而言也很少。

經过一年的PREI教学模式的实践，基于三平台的PREI教学模式有利于学生对知识的深化、内化、拓展，有利于学生批判思维的培养，更有利于学生创新能力的培养。

参考文献：

[1]杨毅刚.基于OBE模式的技术创新能力培养[J].高等工程教育研究，2015（6）.

[2]叶民.新工科：从理念到行动[J].高等工程教育研究，2018（1）.

[3]赵俊芳，崔莹.翻转课堂的内在意蕴及高校教学改革的未来走向[J].中国高教研究，2016（6）.

[4]万敏.翻转课堂模式在大学英语教学中的实证研究[J].高教探索，2016（5）.

[5]董梅峰.用于激光束分束的相位型衍射光栅的设计[J].物理工程，2016，26（4）.

[6]董梅峰.大学物理教学中自制衍射光栅及其实验研究[J].大学物理，2015（4）.

[7]董梅峰.基于科学计算平台的《大学物理》变量可视化研究式教学[J].物理通报，2017（5）.

[8]张岩.“互联网+教育”理念及模式探析[J].中国高教研究，2016（2）.

[9]桑雷.“互联网+”背景下教学共同体的演进与重构[J].高教探索， 2016（3）.

[10]冯大建，迟宝东，刘子琦.高校人文素质教育在线教学的思考[J].中国大学教学，2014（8）.

[11]俞君.公安院校混合式教学新解：一种基于SPOC的模式[J].中国大学教学，2017（3）.