基于OBE理念的大學物理實驗教學體系探索

武立華, 劉志海, 張 楊, 李 平, 王立媛, 李 松

(哈爾濱工程大學 理學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

作為理工科專業的必修基礎課,大學物理實驗課程在培養學生科學素質和創新能力方面,具有其他課程不能替代的重要作用[1-4]。該教學體系是基于傳統教育思想設計的,具有知識系統性強、內容深、理論性強等特點。在知識爆炸、科學技術飛速發展的今天,大學物理實驗課程卻普遍面臨學分、學時不斷壓縮的局面。OBE(outcome-based education)理念最早出現于美國和澳大利亞的基礎教育改革[5-8]。OBE是以預期學習產出為中心來組織、實施和評價教育的結構模式,而定義畢業生預期學習產出是首要的關鍵環節[9-10]。參照歐美經驗,布魯姆的教育目標分類框架是被廣泛使用的指南,它提供了描述學生知識、情感和技能掌握程度水平的詞匯。為了實現預期學習產出,所有的教學計劃和課程內容都是遵循“回溯式設計”原則,實現完整的匹配矩陣。我國工程教育認證通用標準中,對于畢業要求的12條標準即是對這一問題的詳細解釋[11-12]。OBE理念核心問題是:當所有的學生在完成他們的學習與訓練體驗全過程的時候,究竟什么才是使他們有能力獲得成功必不可少的要素？在大學物理實驗教學過程中,基于OBE理念,圍繞“學生內驅學習與自主發展的能力、創新意識與創造性思維、交流與溝通能力、合作與協同能力、終生學習能力”等使學生獲得成功必不可少的要素,構建并設計了全新的實驗課程體系。

1 OBE理念下以“解決復雜工程問題”為目標的大學物理實驗體系重構

物理學史中每一個問題的解決都依賴于數學、自然科學、工程基礎和專業知識的綜合運用,尤其是經典的物理實驗內容,更是復雜工程問題完美解決的典范。因此測量物理量并找出規律的過程,既是解決復雜工程問題的過程,又是創新創造的過程。

為了實現培養具備綜合的科學素質和創新精神的高級人才的總目標,打破原有的物理實驗教學框架,從“認識物理量的本質”入手,圍繞“基本物理量的表征形式與度量方法”中心主題,對大學物理實驗的教學內容和實驗方式進行重構,使物理實驗教學重歸“測量物理量并找出規律(麥克斯韋)”這一最本質、最樸實的愿景。圖1是生產生活中經常測量的一些物理量。

圖1 生產生活中經常測量的物理量

以空間距離的測量為例,教學思路舉例:

(1) 長度是什么,怎么測,空間是什么？

(2) 長度的測量方法:大尺度下用米尺,小尺度用卡尺、千分尺,微米尺度下用光學的方法——光杠桿、干涉儀、光纖傳感，非接觸的情況下用聲學的方法——超聲測距。

(3) 涉及到的實驗:基本測量、楊氏模量、邁克爾遜干涉儀、MZ干涉儀、光纖傳感等。

僅就長度測量而言,對于不同的尺度需采用不同的測量儀器,即使同一尺度的測量也可以有多種測量方法,涉及到的實驗也不止一個。這就需要學生互相討論研究來確定測量方案。這一過程需要學生協同合作完成,在該過程中可以提高學生的“交流與溝通能力、合作與協同能力”,同時拓展學習視野。

2 OBE理念下的大學物理學科交叉創新實驗的設計與實施

這類實驗可以拓寬學生視野,使學生能夠在知識整體框架內調適自己的學習,還可以使學生在所有的學習課程方面形成一個整體,跨越各個學科在共同協作解決實際問題時的溝通與交流的障礙。

為此,設計“以問題驅動”的跨學科交叉創新實驗項目,同時設立物理實驗室的跨學科交叉課程資助項目,目前“物理實驗儀器的創新與設計”“體驗創客”課程已連續開設4年,該課程有效地聯結大學物理、大學物理實驗及學生科技創新活動,深受廣大學生歡迎,主講教師獲得本科教學優秀通識教育選修課程教師稱號,其相關研究成果于2015年發表在《課程教育研究》期刊上[13]。作為激勵機制與保障,探索問題驅動的跨學科交叉創新實驗項目的教學方法,以達成圍繞“解決來自科學研究過程中的物理問題”的實驗教學團隊在教學和學生培養方面開展合作互動,拓寬學生學術視野、孕育知識創新的目的。一方面,為大學生創新的想法提供生長的土壤和環境；另一方面,通過合作的牽引,推動學科交叉的本科生培養新機制的建立。

實踐證明OBE理念下的大學物理學科交叉創新實驗的設計與實施培養了學生的“創新意識與創造性思維”。在學校的高度重視下,我院設立了“專題立項”經費5萬元,該經費專用于“物理儀器創新設計”專題立項,每年資助不少于100個學生團隊參與科技立項,目前已連續實行4年,3 000余本科生參與專題立項?！肮枮I工程大學物理儀器創新設計大賽”目前已連續舉辦4屆,共產生300余件優秀作品,其中部分優秀作品經過進一步的包裝、轉化,已經充實到大學物理演示實驗教學當中。另外，本校大學生創業團隊自成立以來,受到了國家大學生創業實踐項目的支持與資助,參加了“紅博五四杯創業計劃競賽”并斬獲銀獎。項目受到多家媒體的關注。

3 OBE理念下物理實驗考核方式改革的探索與實踐

課程考核作為實驗教學過程中的一個組成部分,能夠起到考核學生學習情況、檢驗實驗教學效果、實現實驗教學目標的作用,是促進和完善教學機制的有效手段之一,也是衡量人才培養質量的重要環節。大學物理實驗課程是以培養學生運用所學知識解決實際問題為目標,課程考核應以綜合能力考核為主要內容,但現用的大學物理實驗課程考核側重知識的掌握程度而非知識的運用能力,表現為評價主體過于單一、評價內容重知識輕能力、評價功能缺乏激勵等問題。

為此,基于OBE的核心理念,嘗試圍繞預期學習產出的能力指標開展階梯式實踐教學考核方式改革,利用物理實驗考核環節將大學物理實驗、大學生創新創業環節貫通起來。將“解決復雜工程問題”的能力有機地導入到課程考核之中,改變過去按部就班的實驗教學模式和所有的學生“一視同仁”的考核內容,除驗證型基礎實驗外,綜合實驗和研究型實驗均提供不同難度、不同方向的選題,學生可根據自身的特長、興趣方向選擇題目并自組協同小組完成實踐考核內容。

為了使創新能力、動手能力較強的學生能夠在實驗考核中成績更加突出,將物理創新引入到考核評價體系中。利用實驗室的開放管理模式,鼓勵學生積極參與創新實踐活動,并將在物理創新競賽中獲獎的學生按照獲獎的層次,以較為合理的分值附加在實驗課程的成績上。這樣做激發了學生參加物理創新實踐競賽的熱情,也促進了學生在實驗課程中的主動性與積極性。

4 結語

基于OBE理念的大學物理實驗教學體系,其目標為面向高水平研究型大學和工程教育專業認證對基礎物理實驗教學的重大需求,從大學物理實驗教學體系和OBE教育理論的現狀入手,系統研究體現OBE理念的實驗教學設計和實驗教學實施問題,探索全新的物理實驗教學和考核方式,為物理實驗教學改革提供新的方法和途徑。目前我們的改革取得了一定成果,在實驗教學研究改革立項和大學生創新科研立項的帶動下,帶領學生自主設計研制了20多種反映物理學新成就和有高新技術含量的新實驗、新裝置,被全國70多所高校以及香港理工大學使用,獲得了國內同行的好評。