应用型人才培养模式下基于OBE理念的量子力学教学设计与实践

张成园 丁勇 王军平 李永庆

[摘           要]  以应用型人才培养为目标导向，针对量子力学课程中教法、学法及评价机制等存在的问题，基于OBE教育理念为指导，借助“雨课堂”和“学堂云”等一体化平台，对量子力学课程进行教学改革，将过程评价与结果评价相融合，探索和实践多途径的人才培养模式。

[关    键   词]  OBE理念;量子力学;教学改革

[中图分类号]  G642                    [文献标志码]  A                  [文章编号]  2096-0603（2022）10-0043-03

随着现代科技和社会的发展进步，新兴产业不断涌现并蓬勃发展，社会对人才的专业基础和创新意识的需求变得越来越多元化，量子力学作为现代物理学的基础理论之一[1，2]，其在原子能技术、航天航空技术、电子技术等方面得到广泛应用，并逐步渗透到各个科学领域，例如生物学、材料科学、信息科学和计算机等，交叉学科的应运而生，推动了交叉领域的重大进展。科学技术的不断进步，对人才的专业基础和创新意识提出了新的要求。随着《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》和《中国教育现代化2035》等教育信息化改革文件的推广，在教育体系中，信息资源和技术成为实现教育改革的关键因素。“互联网+”、大数据、新一代人工智能等教育手段和資源已经广泛应用于教育教学，引领着教育理念和教育模式的重新构建。与此同时，自OBE教育理念[3]（Outcome-based Education，成果导向教育）提出后，我国高等教育教学和工程教育的改革备受影响，取得了丰硕成果，尤其是在为国家培养需求人才的教育方面，实现了重大突破。作为应用型本科院校，在推动课程信息化建设的同时，确定了“以学生为中心”和以“产出为导向”的课程建设理念。

经过三年的教学实践，教学团队已初步完善了量子力学课程体系建设，体现出了OBE教育理念在教学改革中的优势，加强了学生的学习能力和实践能力，有效提高了应用型人才的培养质量。

一、教学手段和方法

在OBE教育理念作为量子力学教学体系的指导思想下，以培养应用型人才为目标，在教学过程中，教学团队主要采用的教学手段和方法如下。

（一）以产出为导向，运用多媒体和网络技术，加强可视化教学

量子力学理论性强，物理概念抽象，理解起来难度较大。为有效解决此问题，在教学实践中，教学团队调整了部分内容的授课方式，加强了可视化教学比例，借助于Matlab、Maple和Mathematic等软件强大的数值计算及绘图能力，使抽象的理论通过绘图等方式形象化[4]，加深学生对量子力学知识点的理解和掌握。例如讲解氢原子问题，应用Matlab进行数值求解其能量本征值和波函数，并将概率密度进行可视化。

（二）融合线上教学和线下教学优势，开展混合式教学

通过“学堂云”“超星”等教学平台，将部分难度适中的内容设置为线上自主学习，安排线上讨论、线上练习以及针对线上学习内容的线下课堂分组讨论，以便于教师充分掌握学生学习情况，保证学生线上学习的质量。线下授课部分，借鉴对分课堂模式，引入分组讨论，调动学生的学习积极性。把讨论和讲授的时间错开约一周，让学生在这期间充分消化吸收线上课程资源。通过网络对学生进行教学，既可以打破传统教学带来的局限性，又可以提高学生的学习效率。在上课的过程中学生不仅可以学习文化知识，同时也能掌握一些计算机知识，现实中的老师跟学生在网络中互相交流，减少了传统教学老师在课堂中的监管行为，给学生营造自由、轻松、愉快的学习氛围，有利于提高学生的学习成绩。

（三）设计反映量子科技发展新成果的科学研究题目

结合本科生的学习特点，遵循量子力学的教学规律，努力吸收近年来在教育思想、教学内容、课程体系以及教学方法等方面已经取得的新成果，综合力、热、光、电和原子等本科课程，在不断完善量子力学授课内容的基础上，紧密结合当前量子力学学科发展前沿，在教学过程中融入思想政治元素。不断设计和持续更新反映目前量子物理相关学科科学技术发展新成果的科学研究项目。

（四）全面实行导师制，构建校企联合培养模式

基于学校组织的创新创业训练计划项目和国家或辽宁省组织的物理学术竞赛，教学团队开设面向竞赛和项目的相关辅助性实践课程。在学校和企业导师的联合指导下，以培养学生的综合素质和创新创业能力为目的，让学生个人或团队自主完成研究项目设计、项目实施和撰写研究报告等工作。

（五）开展专业创新实验，建设虚拟仿真教学中心

为更好地与专业教育融合，教学团队在教学中应用创新类实验[5]，学生依托省级“物理综合虚拟仿真实验教学中心”教学平台，以及拥有自主知识产权的“斯特恩-盖拉赫虚拟仿真实验中心”，大力推进把“问题导向”融入量子力学课程教学和实验实践教学，深化教学的内涵建设，突出综合性、设计性、创新性和研究性项目的设计和训练。同时加强了校内外实践基地建设，以量子力学教学内容作为主体，积极引导学生参加学科竞赛、课外科技创新活动和创业实践，通过查阅资料、熟悉硬件、编写程序等环节，完成设计内容，提高学生的实践能力，增强学生的创新精神。

（六）完善考核方式和评价体系

教学的考核评价是教学的重要环节，它能起到导向的作用。基于OBE成果产出教育理念[6]，减少对学习方式、学习时间等的关注，注重学习成果。根据教学目标设立相应的考核内容，将过程评价由原来的20%提高到30%[7]，其中包括出勤、课后作业、线上学习、分组情况讨论和创新实验设计等科研任务式考核方式，有效改进了教学不足的问题。

二、教学改革创新点

应用型人才培养模式下，基于OBE教育理念的量子力学课程体系建设，其主要创新点如下。

（一）能力导向的教学内容新

依据应用型人才的能力和素质要求，注重实施能力导向的实践教学。运用多媒体和虚拟仿真技术，将量子科技前沿和科研成果融入实践教学内容，结合理论知识，设计综合性和研究性实验。反映教学内容的前沿性，提升教学内容的完整性和教学技术水平的先进性，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。

（二）教学方法和教学手段新

信息技术与教育资源的融合，为教学方法手段创造了极佳的条件。在课堂教学中采用探究式、讨论式、参与式和混合式等教学方法，最大限度地提高学生课堂的参与性和自主学习的积极性。随着现代信息技术的发展，网络信息技术逐渐与课堂教学融合，校企构建智慧学习支持环境，采用雨课堂等具有开放、共享特点的移动互联技术，实行“互联网+教学”线上线下混合的教学，为课堂教学提供了多元化互动形式，如小组讨论、师生讨论、学习结果实时展示和同伴互评等。拓展了教学活动的形式，更好地支持学生参与问答、讨论、问题解决等活动，为主动的参与式学习搭建桥梁，有效突破单一的讲授式课堂教学方式，提高教学效率。

（三）教学评价机制新

在实践教学中引入质性分析与考试相结合的评价方式，从时间角度将课程教学和课程设计为若干个阶段，每个阶段制订严密的计划，并在阶段结束时按照要求对学生进行严格的检查和考核。舍弃仅以一纸报告评定成绩的简单考核模式，既强调笔试的重要性，又注重教学过程与教学效果的考核，通过小任务+大项目，组内自评和互评机制，以激发学生平时学习的积极性，减少学生期末临时突击的现象。例如采用非标答案测试、反思报告、案例分析、课堂讨论以及创新实验设计等方式作为平时成绩，结合期末考试成绩，作为学生专业知识的评价方式。不仅考查学生的学习能力与沟通合作能力，还可以动态监测学生的学习情况，考查学生的学科素养，充分体现学生知识、能力和素质的综合水平。

（四）课程教学体系新

以成果产出为导向的教学法将教学体系进行了重构，打造了“以本为本”，即完全以学生为主体的教学思路，重点突出了学生创新型自主学习和教师研究型课堂教學两个方面，使课程教学变革向“以学生全面发展为中心”推进。一是通过“变教师为导师”，将教师与学生一起组成学习共同体，在与课堂内容的多向互动中引领学生自主学习，使大学课程由教走向学。二是通过“变考生为学生”，把学生作为学习主体，不再是为考试而学习的盲目者。从“听课者”成为“问课者”，实现大学课程从“教的课程”走向“学的课程”。三是通过“变教材为参考书”，变革教材是教学的标准和评价尺度的传统观念，在教学过程中，教师已不再绝对服从教材，而是实现了从“教教科书”到“用教科书教”的转变。

三、课程改革主要成效

（一）协同制订教学大纲，明确教学体系

基于OBE理念，从学习成果的要求入手，确定可测量、可评估的课程学习目标，明确课程学习目标所覆盖的知识单元、知识点与能力要求;确定主要的教学方法与教学策略，按照学生特点，合理安排教学活动;制订详细的评分标准;结合社会的需求引入新的观念和理论，有明确的实现能力培养大学生创新创业项目设计及实验要求，提高学生的综合能力。

（二）引入研究型教学模式

OBE教学理念强调能力导向的教学模式，重视教学的产出，将研究型教学模式引入量子力学教学中，借助互联网教学手段，采用小组话题讨论，有效实现教学模式的创新。以此鼓励学生自主思考，提高学生的实践和应用能力。

（三）形成产学研相结合的教学体系

产学研合作是社会对应用型人才需求的客观要求，也是各高校实现成果转化、提高人才培养质量和改革教学模式的必然趋势，无论产、学，还是研，都是将知识以不同的形式传授给学生，达到吸收知识并转化为自身能力的过程。教学团队把校内的创新创业教育和校企间协同育人作为产学研融合的实践体系，加速学生的知识输出环节，通过学生的实验实践活动引导学生形成跨学科思维方式，培养学生的自主学习兴趣，提升学生的动手实践能力，将所学知识运用到科学研究中。

四、推广应用效果

以量子力学课程为载体，将OBE理念贯穿于应用型人才培养全过程，以产出为导向，以满足社会需求为宗旨，注重学生能力获得，为将理工科学生培养成不同类型的创新人才夯实基础。在一定程度上对产学研合作教育等教学设计的丰富发展起到促进作用，同时将此实践成果进一步推广到我校其他理工学院进行拓展应用，对我校基础课程进行成果导向式教学改革和人才培养具有重要意义。目前，主要应用效果如下。

（一）教学内容丰富，教学质量提高

自教学改革实施以来，以提高教育教学质量为目标，将课上教学内容进行了整合与优化，在参考其他院校教材的基础上，深入挖掘课程资源，开展例证教学研究与实践，建立功能完备的教学资源体系。包括教学大纲、授课内容的章节设计、多媒体课件、校内外专家协同制定的试题库、多媒体资料库以及教学团队进行自主录课的精品视频库等，逐步将量子力学课程打造成省级一流本科课程，提高了教学质量，并为进一步建设精品课程提供了契机。

（二）构建应用人才培养模式下的新课程体系

该教学模式在物理学和应用物理学专业推广以来，通过教学质量监控的反馈信息，教学效果广泛受到学生好评，对教师的教学方法和教学态度都予以了高度评价，学生的学习效果得以体现，综合创新能力明显加强。学生课堂平均出勤率达到95%以上，经过三年的摸索与实践，在注重过程评价，采用多样化的考核模式基础上，学生期末总成绩实现了良好的正态分布，并能够将理论知识转化为实践能力，可自主完成与课程相关的学年论文和毕业设计达10篇。

（三）成果产出效果显著，学科竞赛成果突出

自该项教学改革以来，通过对量子力学课程教学产出模式的不断探索和外延式拓展，在教学改革方面取得了一定的成绩。在教学中不断培养学生的自主学习能力和实践创新能力等，近几年取得了比较显著的成绩：建设了拥有自主知识产权的“斯特恩-盖拉赫虚拟仿真实验”教学平台1个，并以服务校内理工科学生近1000人;学生参加多项辽宁省大学生物理学术竞赛，并在竞赛中分别获得一等奖、二等奖和优秀奖等12项;指导大学生创新创业项目3项，其中1项获批为国家级立项。

五、结语

为适应当今社会对应用型人才的需求，基于成果产出即OBE理念为教学导向，针对专业核心课“量子力学”进行了改革。在建设一支特色教学团队的基础上，应用多种教学模式，形成产学研相结合的教学体系，为将理工科学生培养成不同类型的创新人才夯实了基础。

参考文献：

[1]曾谨言.量子力学教程[M].北京：科学出版社，2014.

[2]潘必才.量子力学导论（第2版）[M].北京：中国科学技术大学出版社，2019.

[3]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[J].高等工程教育研究，2014（2）：29-34.

[4]樊广伟，鲁婧.量子力学教学过程中的可视化改进[J].课程教育研究，2016（14）：171.

[5]王子武，李伟萍.创新人才培养模式下的量子力学教学改革[J].赤峰学院学报（自然科学版），2014（2）：274-275.

[6]黄辉辉，基于OBE理念的学习成果评价体系研究[J].牡丹江大学学报，2018（30）：91-97.

[7]武继江.少学时条件下高校课程平时成绩评定的思考[J].教育教学论坛，2018（32）：221-223.

◎编辑 鲁翠红

1394501186287