新工科背景下基于ODEC的大学物理实验教学模式探索

2024-03-27杨有贞曾建成

高教学刊 2024年7期

杨有贞　曾建成

摘要：针对大学物理实验单一授课方式已不能有效满足新工科人才能力培养的问题，该文开展微课教学方式（Online Course），延伸传统教学中“教”与“学”的时间和空间，培养学生自主学习能力；增加演示实验为必要拓展（Demonstration experiment），加深学生对物理规律等理论知识的具象理解，有效提升学习热情和物理思维能力；融入课程思政元素（Course Education），将知识传授与科学精神、人文精神培养有机融合，内化为学生的正向“心法”；实施以赛促学（Competition ），提升运用物理原理解决实践问题的能力，外化为学生的“技法”。在此基础上，制定兼具过程、结果及拓展属性的“1+1+X”考核模式，考核结果发现基于ODEC的教学方式与成绩具有正向关联，构成知识传授、能力培养、价值塑造协同育人模式，符合新工科背景下德才兼备人才培养的规律。

关键词：新工科；大学物理实验；微课教学；演示实验；以赛促学；协同育人

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）07-0114-05

Abstract： In view of the problem that the single teaching method of university physics experiment can no longer effectively meet the ability training of new engineering talents， this paper carries out the Online Course teaching mode ， which extends the time and space of "teaching" and "learning" in traditional teaching， and cultivates students' autonomous learning ability. Demonstration experiment is added as a necessary extension to deepen students' concrete understanding of theoretical knowledge such as physical laws， and effectively enhance their learning enthusiasm and physical thinking ability. Integrate the ideological and political elements into the course education， internalize the students' "mind method"， and enhance the learning drive; The implementation of competition has improved the ability to use physical principles to solve practical problems， and has been externalized into students' "skills". On this basis， the assessment model of "1+1+X" with both process and result characteristics is developed. The assessment results show that the teaching method based on "ODEC" has a positive correlation with performance， which forms a collaborative education model of knowledge transmission， ability cultivation， and conforms to the law of talent training with both virtue and ability under the background of new engineering.

Keywords： new engineering; experiment of college physics; online course; demonstrative experiment; promote learning through competition; collaborative education

“新工科”教育是區别于传统工程视角而提出的概念，继“一带一路”、中国制造2025等重大规划、新技术和业态涌现背景下，2017年我国首次提出“新工科”建设的概念，提出培养应用型人才的必要性[1]。这就促使工程教育范式的调整，以便适应新工业革命对人才的要求。新工科建设可以看作是“卓越计划”的升级版，其强调培养服务国家战略、满足产业需求和面向未来发展的应用型、综合型和复合型工科人才[2]。而最首要核心是知识结构健全，其包含5方面，其中首要是自然科学知识[3]，是工程活动实现创造的基础[4]。

大学物理实验作为理工科生刚入学的一门培养实践能力的公共必修课程，对于培养学生的实际动手能力、探究综合能力、创新能力都有着重要的作用[5]，也是培养“宽口径”人才的重要一环[6]。如何重新构建更有效的教学模式，为适应新工科专业知识的快速更新，是当前课程教学面临的一个重要课题[7-8]。为适应新背景下应用型人才培养的需求，全国很多院校打破传统大学物理实验教学，不断探索新的模式[9-10]。但是，依然存在课程教学和评价模式相对单一的问题[11-12]，有待于进一步探索。

本文以培养高校创新型综合应用人才为总目标，开展新能源材料与器件、电子信息、通信工程等诸多新工科专业大学物理实验课的教学内容和课程体系改革，利用微课教学、拓展演示实验、增加课程思政元素并利用国家赛事指导学生参加竞赛，使得教学过程相互衔接、补充，实现实践课程协同化培养人才的教学模式。

一开展微课教学模式

预习是物理实验教学质量的关键，传统课前预习多数通过书本，只能进行理论知识的学习。单纯地将实验原理、实验装置等抄写在实验报告上，对仪器的了解只能通过书本上的图片获得，无法建立对实验的直观认识，缺少主动性和思考[10]。2017年课题组紧跟新时代高教发展趋势，通过几年的大学物理实验（微课版）[13]建设，获批宁夏高校首批国家级一流本科课程，完成视频72个、课件29个、文档36个及1套习题库（含题目300套）。这些数字资源依托华中科技大学出版社网络（http：//zyjy.hust p.com/index.php？m=Subject）在线开放平台，为学生线上自主预习和复习创造了条件，进一步开展线下课堂教学，完成基础性实验。据统计，课堂上基础性实验时间缩短18%，实验报告的成绩平均提高6.4%（几乎接近于提高了一个绩点，尤其是分数低的情况）。这样以线上微课预习为先导的教学模式，让学生在课堂上“活”起来，课堂外“忙”起来，延伸了传统教学中“教”与“学”的时间和空间，培养学生自主学习能力，有效提高了教学效率和教学质量。

二增加演示实验为必要拓展

演示实验是将抽象的物理知识通过直观、形象的实验现象呈现出来，增加学生的感性认识，引导学生观察与分析物理现象，完成从感性认知到理性认知的学习过程，能够有效提升学生的学习热情和物理思维能力。为此，课题组设计并开发含力、热、声、电和光五类内容有一定水平的演示实验项目，并采取购置新设备、改造旧设备和自制仪器相结合的方式，注意选择具有先进性的仪器，合理配置实验项目和仪器的台套数，对传统实验从内容体系到硬件建设进行全面更新和重建，确保实验内容具有开放性、探索性和创新性，并集知识性、趣味性和易用性物理现象为一体的特性。共构建98个实验内容，包括光学演示项目30个、电磁演示项目30个、力热演示项目38个，建成演示实验室3个、共300 m2。部分演示实验内容见表1。

演示实验通用性开放首先面向新生，具体时间是每年10月中旬，以班级、学院为单位，以力热、光、电磁三个演示项目为次序进行轮转参观，这一环节的主要设定目标是展示物理现象强烈刺激学生眼球，使其产生神秘感和好奇心，进而产生强烈的求知欲。其次，演示实验针对的是开设教学计划内综合性实验的学生，进行一些教具制作、科技发明等系列活动；最后，演示实验拓展性针对的群体具有不确定性，以主题式或研究性为导向，学生可以通过组队式学习。具体活动剪影如图1所示。演示实验的教学模式是成功的，图2摘录了部分学生的体会和收获，从反馈结果看，增加演示实验作为教学环节，有利于加深学生对物理规律等理论知识的具体化理解，有效提升学生学习理论与实践知识的内在动力。

三有机融入课程思政元素

2016年12月，习近平总书记强调，各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应[14]。落实立德树人的根本任务，本质上是我国高等教育“培养什么人、怎样培养人、为谁培养人”等重大教育问题。而这其中首义是科学精神的教育。为此，笔者从物理实验与技术及工程关系中挖掘课程思政。例如，在误差理论部分讲解物理（实验）发展历史环节，教学目标是勾勒出本课程的大致框架，清楚课程的来龙去脉，在课程思政要素挖掘方面侧重显性元素：历史发展观。以弓箭为例，讲解其主要利用物体弹性原理，结合汉朝的将军李广，凭借百步穿杨的绝技，屡屡打败匈奴的历史事件，以古鉴今，激发学生的学习期望，并培养学生的家国情怀与国际视野，增强学生的民族自信与文化自信，赋予担当的使命感与责任感，从而实现思政目标，课后给学生布置观看CCTV“聚元号弓箭”，其制作工艺列入国家级第一批非物质文化遗产视频名录。在进入实质性的实验教学过程中，例如，电磁学实验望远镜，教学目标是掌握望远镜结构与功能，理解望远镜对天文观测的重要性。同样挖掘隐性元素即科学精神、家国情怀、民族自豪感。思政映射与融入点采用追踪前沿，以我国开创了建造巨型望远镜的新模式，建设了反射面相当于30个足球场的射电望远镜的500米口径球面射电望远镜——“中国天眼”为例，学生学习科学家为实现这一目标我国科学家二十年磨一剑，“勇攀高峰、敢为人先”“追求真理、严谨治学”科学家精神，感受大国工匠，匠心筑梦。图3给出了学生在课后观看《大国工匠》的部分剪影，学生在进行思政内化过程中也表达了自己的认识和感受。通过此方式，将知识传授与科学精神、人文精神培养有机融合，内化为学生的正向“心法”，是增强大学生学习内驱力的重要途径。

四实施以赛促学提能力

笔者所在教学团队积极探索提高学生理论素养和创新能力训练的新途径，重视学生综合实践能力的提高、突出创新创业能力的培养。进一步指导学生参加竞赛，加强交流。其中，关注的焦点赛事是全国大学生物理实验竞赛（创新）。该赛是全國普通高校大学生竞赛排行榜中唯一的物理类竞赛，在全国范围内具有广泛的影响力。2019—2023年，该竞赛年均500多所高校2 000多支队伍参赛，宁夏大学通过校内选拔赛出了5支队伍进入入围赛（每所高校限报5支队伍），图4为部分参赛作品（讲课和制作），历经全国赛初赛和决赛，取得了不错的成绩，同时笔者被评为优秀指导教师，部分获奖证书如图5所示。以学科竞赛驱动学生化被动为主动，且深度学习专业知识，让教学更接地气，从而丰富学生的专业知识储备。据统计，参加竞赛的同学后续保研、考研率达到98%，参加工作后3年内职业进阶的达到80%，5年内职业进阶达到90%，这表明课题组实施的课程建设充分符合社会层面的需求标准，从而实现“产”联“学”，构建了新工科人才实践水平培养的重要途径，充分发挥了新工科专业人才实践水平形成的重要要素作用。

五制定多元的考核评定方式

考核方式影响着教与学的方向，也是检验实验教学效果的重要手段。以往的大学物理实验教学环节偏单一化，必然联动考核的单一性，即多以最后提交的实验报告为打分依据，从而脱离了过程，如操作情况和解决问题的能力。本课题组在前述的ODEC四个环节基础上，提出“1+1+X”模式的考核。第一个“1”是指含课前预习权重30%、课中实验操作权重30%、实验报告数据处理权重40%的过程考核。其中，课前预习包括课前观看微课、完成题库练习题至少一套和预习报告的撰写（不再是机械照抄，而是要求在理解基础上写其精华部分）。课中实验操作部分通过课堂上教师巡查每名学生操作的具体情况，包括规范性、真实性、科学性和合理性，认可后签字，给出学生操作成绩。课后学生完成并提交实验报告，教师对实验报告的考察聚焦在数据处理情况、误差分析情况和问题与讨论，且最后的部分必须体现“课程思政”要素。第二个“1”是指对综合性实验的考核，体现实践性评价，教师给出若干设计实验项目，学生根据自己的兴趣组队，撰写实验方案，利用现有实验仪器完成实验，以小论文形式提交并进行答辩。“X”主要聚焦创新性评价，指与大学物理实验关联度较大的成果如科技竞赛、论文或者专利，根据成果质量在前述两种考核成绩中额外加分。

图6给出了2018年9个专业的大学物理实验平均分数，以此为基准统计2019—2023年的成绩变化，如图7所示。从图7中可以看到，2020年和2021的成绩普遍下降，主要是因新冠感染疫情之故，导致授课形式和学习方式的局限性。2022年和2023年连续成绩出现了很大提升，成绩提升率最高约16.8%。这是一个可喜的趋势，初步表明“1+1+X”体现了多样化成绩考核模式，“指挥”教与学上升到理论与实践并重的层面，具有兼顾过程、结果和拓展的特点。

六结束语

大学物理实验作为理工科专业公共必修课程，受众面广、教学改革意义深远。课题组通过升级了教学内容、优化了教学方法、拓展了教学内涵，构建了ODEC四个环节的教学模式，丰富了实践课程教学资源，具有可操作性，有效弥补了以往大学物理实验单一授课的不足，构成了知识传授、能力培养、价值塑造协同育人模式。探索了适宜于新工科理念的物理课程教改方向的路径。由于教情与学情的动态性，课题组将持续努力在教学实践中不断完善，课程已取得的成果为促进兄弟院校课程建设起到抛砖引玉的作用。

参考文献：

[1] 杨文斌.产学深度融合新工科专业人才培养探索与实践[J].高等工程教育研究，2020（2）：54-60.

[2] 胡波，冯辉，韩伟力，等.加快新工科建设，推进工程教育改革创新： “综合性高校工程教育发展战略研讨会”综述[J].复旦教育论坛，2017，15（2）：20-27，2.

[3] 陈磊，辜方清，吴孟波.“新工科”背景下的人工智能课程建设[J].创新教育研究，2021，9（1）：5-8.

[4] 孟艳艳，贾长洪，刘萌.新工科背景下基于CDIO 工程教育理念的应用型本科院校人才培养研究[J].高教学刊，2021（3）：152-155.

[5] 张德钱，黄泽超，张玉芹.适应新工科的地方本科高校大学物理实验教学改革探索[J].轻工科技，2020，36（12）：171-172.

[6] 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[M].北京：高等教育出版社，2010.

[7] 马文蔚，周雨青，解希顺，等.物理学（上册）[M].7版.北京：高等教育出版社，2020.

[8] 徐瑛，王思涵，李海军.基于新工科背景下大学物理实验课程的改革探讨[J].大学物理实验，2021，34（2）：126-128.

[9] 周国泉，王悦悦，倪涌舟，等.“思政引领，育人压舱，学术扬帆”——大学物理课程思政的探索与实践[J].高教学刊，2021，7（28）：185-189.

[10] 刘艳，王长昊.OBE理念下大学物理实验课程教学模式的探索与实践[J].大学物理实验，2023，36（6）：136-138.

[11] 李莉，裴艺丽，张师平，等．新工科大学物理实验课程教学调研与改革实践[J].物理与工程，2021，31（6）：174-182.