构建“跨情境融合”的大学物理立体化教学体系的探索与实践*

杨先卫 陈秋紫 赵小云 杨雄波

(三峡大学理学院 湖北 宜昌 443002)

1 前言

大学物理是面向高等学校理工科非物理专业本科生开设的专业基础课,是达成工程教育认证标准中“科技创新基础能力培养”的核心课程．教育部《高等学校基础研究珠峰计划》和《非物理类理工科大学物理课程教学基本要求》中都明确提出要推动基础学科与应用学科均衡协调发展,发挥基础学科对人才培养的重要作用,指明大学物理课程在培养学生掌握科学研究方法、科学思维方式和创新能力等方面是其他课程不可替代的．在新工科发展进程中,物理学的先导和基础作用将更加显著和重要,未来技术的进步将极大地依赖物理学的前沿进展[1],其意义是不言而喻的．正因为如此,构建既注重与新工科相对应的基础物理知识,又强化对现代高端工科人才创新思维的基础培养,及对科学研究方法的基础训练的新型大学物理教学体系在新工科人才培养中具有非常重要的基础性意义．

2 传统大学物理教学中存在的问题

2.1 学生学习过程中存在的3个不足

在传统的大学物理教学体系下,教师采取讲授式为主的教学方法,按照教材体系力求将每个概念和定律涉及的方方面面传授给学生[2],学生在课程的学习中存在以下3个不足.

(1)大学物理基本概念、原理多,知识点多且数学推导多,基本理论规律抽象难懂,学习难度大,导致学生对物理基础理论的深刻理解不足,深度学习活动难以发生.

(2)学生习惯被动学习,延续中学背公式、记定理、会做题的学习方法,导致学生的创新意识和能力发展不足,缺乏探究式学习和发现式学习活动.

(3)学生获得了理论知识,但缺乏与专业相关的应用模型和场景的构建,难以学以致用,导致学生的物理知识与专业应用的结合不足,物理学习与后续专业学习基本脱节．

以上3个不足造成了学生主动学习意识差,挑战学习难点的意愿和学习成就感低,学习兴趣不高．最终导致本课程难以发挥在创新思维与方法、创新能力培养中的基础作用,难以为专业思想与专业能力的培养提供强有力的动力．

2.2 教学过程中存在的3个矛盾

形成以上3个不足的原因是由于在传统的大学物理课程教学中存在着以下3个矛盾.

(1)物理知识的理论性、抽象性与教学生动性的矛盾．传统教学以教师为中心,采取“满堂灌”的方式,过分注重理论知识传授,忽视了学生的自主学习、创新学习和合作学习等方面能力的培养.

(2)教学供给的单一性与学习需要多样性、差异性的矛盾．传统大学物理的教学内容安排、授课和考核评价等是全班一个模式,注重所有学生的整体发展,忽视了学生学力发展差异,欠缺满足学生个体需求的渠道.

(3)课程内容的基础性与学习效果应用性、专业性的矛盾．传统大学物理课程以传授基本概念、原理规律为主,忽视应用性和前沿性的案例探讨,内容脱离学生专业和相关产业需求,不能做到理论联系实际,缺乏产研教融合,内容高阶性不足．

3 跨情境融合的大学物理立体化教学体系的构建与实践

教学的根本问题,是外部知识如何被学生获得、占有并转而成为学生个体的内在力量、精神财富的问题．针对传统大学物理教学中存在的问题及其成因,笔者在多年教学实践的基础上,以“夯实学生基础、培养创新能力、服务专业需求、实现价值引领”为改革方向,秉持“学生中心、产研教融合”的教学理念,打破传统模式下教师和学生的思维惯性,优化课程目标,搭建“学研践”立体化教学平台,建立“产研教”融合的课程内容体系和多维立体化考评体系,实施全立体化的学习情境与学习过程,最终构建了跨情境融合的立体化教学体系．

立体化教学体系具有时空、资源、情境3个维度,3个维度相互联系,互为支撑,如图1所示.

第一个维度是把传统的封闭式、标准化教学活动转变为开放式、融合性、个性化的教学新时空,让学生既能时时可学、处处可学,也能开展各种个性化、差异化的学习活动.

第二个维度是构建了3个层次的立体化教学资源,即教学包(教材、云课程、试题库、案例库等)、教学资源库(文字、图片、AVI视频、AR动画、2D虚拟仿真网页、3D VR虚拟全景视频等)及课程教学平台.

第三个维度是通过在课内外营造学生自主、合作和创新式学习环境,实现基础认知情境、科学探究情境、知识建构情境到知识拓展情境的跨情境融合教学模式．

图1 立体化教学体系示意图

在具体的教学实践中,立体化教学体系由以下几个创新环节所构成．

3.1 优化了教学目标 强化能力目标和思政培养目标的实现

传统的大学物理课程以达成知识传授目标为主,学生能认知物理知识体系,获得解决一般基础物理问题的技能,具备一定的科学思维和素养,在传统教学目标中能力和思政培养目标明显不足[3]．立体化教学体系在原有知识目标的基础上,补充了物理学在生活、工程技术中的应用案例和前沿科学的研究案例,从物理学发展、课程内容、课程方法以及中国的科技成就等多个方面引领学生的自然科学观,激励学生的民族自信心和爱国主义情怀[4-5]．从而强化了能力目标和思政培养目标,突出独立获取知识的能力以及分析解决实际问题能力的培养,并赋予大学物理课程思政功能．通过优化教学目标,立体化教学体系将更加注重知识的形象化和应用性,强化了学生的主体地位,有利于解决传统大学物理教学中存在的教学问题．

传统教学和立体化教学体系的教学目标对比如表1所示.

表1 传统教学和立体化教学体系的教学目标对照

3.2 重构“三阶递进”教学内容体系

重构了“三阶递进”的教学内容体系,产研学相结合,把抽象的物理问题形象化、生活化．

教学内容体系的重构以联系专业产业、科技前沿为两翼,研发大学物理在生产生活、工程技术和科学研究上的案例．将课程原有章节按照力学、波动光学、热学、电磁学和近代物理划分为相对独立的五大篇,在满足国家教学质量标准要求的情况下,以学生能力培养为主线将各单元内容重构为物理基础、知识应用、知识拓展3个模块,课程思政蕴含在所有模块及其教学的全过程,从而使课程内容的教学从基础认知、专业应用到拓展升华“三阶递进”式展开,如图2所示,学生实现了从低阶到高阶,最终跨越终阶瓶颈的学习．

图2 “三阶递进”的教学内容体系示意图

关于教学内容与学生专业的适配方面,在充分调研的基础上,物理基础模块部分应针对不同专业学生所讲授的内容有所侧重．而在知识应用、知识拓展模块上,结合不同专业领域和产业需求灵活设置探究课题[6]．通过产研学相结合,突出物理知识的应用,学生所学的内容更广、更深,学生需要“跳一跳”才能完成,体现课程的高阶性．同时,理论联系实际,把抽象难懂的物理问题形象化,更贴近生活．

3.3 创建了“跨情境融合”的教学模式 关注能力发展与创新意识培养[7-8]

传统的教学以教师为中心,忽略课前、课后的作用,能力培养不充分．跨情境融合的教学模式以学生的发展为中心,开展课前、课内、课后“三课”一体的教学活动．如图3所示,在课前构建基础认知情境和科学探究情境,即教师课前布置自学内容和探究课题,学生课前自学自测,组队完成课题初探,直接认知基本概念、定理等核心知识;在课内构建知识建构情境,即教师在课内根据课程进度,适时组织学生进行课题汇报、全员研讨、课堂应答等活动,通过学生的课堂质疑和教师的归纳总结,对物理学的核心知识进行重新建构和思维网络形成;在课后构建知识拓展情境,即课后学生完成作业及课题报告,参与拓展创新和科普活动,拓展升华所学知识,学以致用．这种教学模式有利于培养学生解决复杂问题的高阶能力,锻炼勇于质疑和探索的思维,培养学生的创新意识．

图3 跨情境融合教学模式示意图

3.4 构建“三维三结合”课程评价体系

构建了“三维三结合”的课程评价体系,强化能力和思政考核,促进三维目标达成．

传统大学物理考核中对学生综合能力和思维养成的考查不足,本评价体系对学生的学习成效从知识、能力、思政3个维度进行个性化、多元化的立体综合评价,通过教学平台精细化的过程及数据管理,实施了定量评价与定性评价、学生互评与教师评价、动态评价与静态评价相结合的评价手段,如图4所示.

图4 “三维三结合”的课程评价体系示意图

知识目标评价通过平时测试和期末考试来实现;能力目标评价通过课题探究和期未考试来实现,课题探究由探究过程、探究方法、探究成果3个环节构成;思政目标评价通过课程反馈来实现,课程反馈由探究态度、课程反思报告、课堂考勤3个环节构成．

4 立体化教学体系的实施效果

立体化教学体系突破了传统教学时空的束缚,通过教学新时空的创建、立体化教学资源的推送,以及四重教学情境的构建和跨越,有效地解决了大学物理教学中存在的“3个不足”和“3个矛盾”．通过课程评价系统的反馈,以及对学生的问卷调查显示,相比于传统教学模式,除了掌握的物理知识面更广、深度更大之外,大部分学生在资料搜索整理、表达沟通、PPT处理及报告、分析问题解决问题、逻辑思考、团队合作、工程应用等多项能力和专业认知水平得到了明显提高(图5)．学生对课程满意度为100%,对教师的教学评价很高．

图5 课程评价反馈统计图

在课程组直接指导的全国大学生物理实验竞赛和光电竞赛中多名学生获得国家级和省级奖项,为全国大学生数学建模竞赛、挑战杯大学生课外学术科技作品竞赛等各项理工类学科竞赛提供了强有力的支撑;学生通过课外科学实验创新实践,取得了一定数量的科创作品,并以此为素材,以科普服务队为载体,积极参与所在市区中小学的科普宣传活动,取得了良好的社会效果．本课程也于2020年获批了国家级线上线下混合式一流本科课程．

5 结束语

立体化教学体系是在国家深化教育改革背景下对大学物理所做的一次深层次的改革与探索,取得了一些成效,但依然存在一些困惑．

(1)课程内容的高阶性和挑战度的把握需要进一步探讨．不同专业学生的基础和需求有比较大的差异,合理设置学生“跳一跳”就可以够的着的探究课题有利于培养学生的积极性,但是如果拔的太高,学生不能完成,会起反效果.

(2)让所有学生都参与课题探究式教学的方式需要进一步探讨．学生性格有较大差异,能力水平有高有低,如何更有效地进行教学过程管理,特别是对在课外自学环节的监控方面,如何充分调动所有学生参与积极讨论,也是未来需要解决的问题.

(3)课程思政元素的挖掘及与教学内容的无缝衔接需要进一步探讨．如何针对学生的思想认知特点,用学生喜闻乐见的方式,春风化雨的发挥育人功能,增强教师协同育人意识和能力,增强学生的思政获得感都是需要解决的实际问题．