地方應用型高校大學物理實驗教學改革初探

周 政 彭立新 郭 剛 張麗娟

(湖南工學院，湖南 衡陽421002)

推進新工科建設也是國家為了我國加快實現產業升級和產業轉型的必然要求。為進一步加快培養新一輪產業變革所需要的新工科人才，教育部多次組織高校開展了新工科建設研討會，為高校新工科建設指明了建設重點和建設方向。2017年，教育部明確了新工科建設需要緊緊圍繞工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量、新體系等方面來開展。相較于部屬重點高校，地方高校、特別是新建地方應用型本科院校辦學定位則要充分利用和融合地方資源，發揮自身辦學優勢，主動對接地方經濟社會發展需要，加強產教融合和校企合作建設，積極開展新工科建設要求的研究和實踐，從而推動地方高校改造和升級自身傳統的工科專業。地方應用型高校作為新工科建設的重要力量，必須主動抓住時代發展機遇，積極謀劃、潛心提煉自身學科建設對應用型人才培養的核心目標，全面提升地方應用型高校學生培養質量以適應地方經濟社會的發展和地方產業結構的升級。

1 新工科人才培養要求

新工科建設是國家在“卓越計劃”基礎上提出的一項以“培養并造就一大批具有高素質、復合型工程人才”為建設標準的高校工科專業人才培養與教育改革行動[1]。鑒于此，眾多地方應用型高校紛紛主動地迎合國家和地方社會產業發展新需求，新增以互聯網和工業智能為核心的新工科專業，同時也在新舊工科專業人才培養基礎上開拓教育改革新路徑，而針對人才知識體系和專業課程的教育改革必然繞不開對工科類專業學生進行科學實驗訓練起到重要基礎的大學物理實驗課程。眾所周知，物理實驗是工程技術和高科技發展的基礎，大學物理實驗在培養工科學生的科學素質和創新能力等方面具有非常重要的作用，是一門實踐性較強的在低年級工科學生中開設的基礎性必修課程，是工科大學生系統學習科學研究方法和科學思維方法的開端，在實踐教學中起到了承上啟下的作用，是工科大學生后續專業課程學習的基礎。大學物理實驗教學不僅承擔著教授學生掌握科學的實驗方法和技術以及進一步鞏固物理理論知識的任務，還能提高學生在實踐活動中的動手能力。但是，目前大多數地方應用型高校大學物理實驗教學都沒有脫離傳統的教學模式的桎梏，傳統教學模式過分強調教師對知識的灌輸，學生在實驗教學過程中創造性思維與創新性意識的沒有得到很好的鍛煉，在培養學生團隊協作精神以及學生終生自主學習能力等方面也有著明顯的不足，導致學生進入后續的一系列專業課程學習后勁不足。這種傳統的教學模式已經極大地落后于當今科學技術發展的步伐，無法達到新工科建設對地方應用型高校人才培養提出的新要求[2]。因此在新工科背景下，地方應用型高校不應該停滯不前，得過且過，避重就輕，應該正視現有教學模式存在的各種問題，加快改革步伐，立足于國家、特別是地方產業需求和技術發展趨勢，創新實驗課程的教育方式和手段，提高實驗課堂效率，增強物理實驗教育競爭力，積極轉變傳統的大學物理實驗教學模式，站在區域經濟發展和產業轉型升級的高度上來培養新工科人才。

2 OBE教學理念

Outcome based education(英文簡稱OBE，產出導向教育)，由美國教育學家W.D.Spady等人在1981年提出[3]，目前已經成為許多西方國家高等學校主流的教學理念[4]。國內對OBE理念的研究則是以2016年為分水嶺。在2016年之前，國內學者、高校教育工作者和管理者對OBE理念的研究大多停留在對其概念的理解和研究上，基于OBE理念的實踐教學研究不多。在2016年我國正式成為《華盛頓協議》成員國后，國內學者、高校教育工作者和管理者等開始從實踐教育教學應用等角度對OBE理念進行探析。在傳統的教育模式下開展的教學改革研究主要強調教師如何更好地將教學內容傳授給學生，并不會深入地研究社會和用人單位對學生培養的新要求，但是OBE理念則是反過來以成果為導向來評價教育的新模式。具體到對學生的培養過程，OBE理念要求先明確社會需求預期需要達到的教學目標，然后再設計教學目標能夠實現的專業課程體系。因此，OBE理念從本質上就決定了培養出來的人才是滿足社會和用人單位的需求，在根本上也就保證了社會和用人單位的需求與高校人才培養結果的一致性。另一方面，OBE理念倡導的教學思想與作為推動新工科建設重要抓手的工程教育專業認證的標準是一致的，OBE理念也已然成為引導我國高等學校各門課程改革的一個非常重要的教育理念，對我國高等學校提高新工科人才培養質量至關重要。新形勢下不同類型的高等學校必須根據自身的辦學目標和辦學定位的不同，積極采取不同的、適合各校校情的新工科建設策略和人才培養機制。

3 大學物理實驗教學存在的突出問題

大學物理實驗課程在地方應用型高校中是一門針對低年級工科學生開設的基礎實驗課程，可為學生后續的一系列專業課程打下堅實的基礎。因此，在新工科建設背景下，地方應用型高校大學物理實驗教師應該積極開展教學改革，根據社會和用人單位對人才培養的新需求，轉變大學物理實驗的教學理念和教學目標，為地方應用型高校培養新工科人才做出應盡的貢獻[5]。由于受到辦學條件和師資力量等方面的限制，尤其是在新工科建設背景下，新建地方應用型本科院校大學物理實驗課程教學的問題和不足更加明顯，無法達到國家新工科建設對大學物理實驗教學提出的新要求和社會與用人單位對新工科人才培養的新需求。以筆者所在單位為例，部分新建地方應用型本科院校存在的突出問題主要體現在如下幾個方面：

3.1 實驗室條件不足

大學物理實驗課程主要涵蓋了力學實驗、熱學實驗、電磁學實驗、光學實驗和近代物理實驗等五個方面的知識體系。教育部已經在文件中明確要求大學物理實驗課程需要分別開設一定數量的基礎性實驗、綜合性實驗和研究性實驗。但是，目前部分新建的地方應用型本科院校開設的各個方向的大學物理實驗都是獨立的、關聯不緊密，從而導致學生對各類實驗之間的聯系認知存在不足。另外，在有的新建地方應用型本科院校人才培養方案中，大學物理實驗的學時附屬在理論課中，實驗不獨立設課，導致大學物理實驗教學內容殘缺，學生對實驗數據處理、實驗基本方法、實驗誤差理論和有效數字沒有充分認識。同時，由于實驗課時少，只開少數實驗，許多儀器沒有說明書且質量差，相當一部分儀器被長期閑置不用，大部分儀器無法正常運轉，修復困難且修復成本高，有些儀器幾近報廢。在實驗時長和實驗設備等條件的限制下，學生缺乏對綜合研究性實驗的學習和獨立思考。

3.2 教師教學方法落伍，缺乏工程意識

目前，部分新建地方應用型本科院校采用的傳統大學物理實驗教學中，教師非常重視實驗結果，對實驗過程并不重視。上大學物理實驗課時，由于學生對實驗原理的理解不深和動手能力較差，實驗教師一般不僅講解實驗原理和實驗步驟，還需要詳細演示實驗過程，學生再按照老師的講解和演示過程進行重復實驗。近幾年，多媒體等信息化技術也已經被廣泛地引入到各類學科教學中，在大學物理實驗教學中多媒體技術等信息化技術的運用不論在實驗課堂中還是實驗課堂外都為學生學好這門課程帶來了極大地便利，具有傳統的大學物理實驗教學手段無法達到的優勢。但是目前，部分大學物理實驗教師更多的是在傳統的教學模式下以多媒體等信息化技術為輔助手段開展實驗教學，沒有重視自身的信息化技能的更新提升，沒有充分利用仿真實驗室等網絡技術優勢，不僅會造成高校教學資源閑置浪費，也會導致相關師生在遇到疫情等原因而不得不網絡教學的情況下嚴重削弱實驗授課質量；還有部分教師完全依賴于信息化技術，削弱教師的主導作用，把一堂實驗課幾乎變成了影像視聽動畫課。綜合來看，如果學生長期沒有積極參與到實驗教學課堂中來，他們只是被動地接受大學物理實驗教師講授的實驗教學內容和教學任務，這樣極大地限制了他們在大學物理實驗學習過程中的創造性和主動性，偏離了大學物理實驗課程的一個重要目標是培養學生利用所學的物理知識分析和解決實際問題的能力。由于大多地方應用型高校處在非省會城市，引進高層次人才較為困難，導致地方應用型高校大學物理實驗教師由物理理論課教師兼任較為普遍，而非專業的理論課教師對大學物理實驗課程教學改革思考不足，并不能肩負起新工科建設背景下大學物理實驗的教學改革。其次，目前很多大學物理實驗教師為研究生畢業后直接進入地方應用型高校任教，他們缺乏實際工程和企業工作經驗。這也勢必導致地方應用型高校培養的學生的邏輯思維能力和動手能力不足，不能滿足新工科人才要求。

3.3 忽視專業差異

地方應用型高校大部分工科專業學生都要開設大學物理實驗，大學物理實驗教師教學任務艱巨。受實驗室資源緊張和大學物理實驗教師人數不足等方面客觀因素限制，地方應用型高校開設的大學物理實驗項目基本一致、區別不大，忽視了不同專業學生的差異。但是，社會需求對不同專業學生的要求不同，不同專業學生的培養目標也差異較大。如果學生被動地學習與自己專業關聯不大的大學物理實驗，導致他們不能積極參與大學物理實驗教學中來，經過幾個大學物理實驗項目之后，他們就會逐漸喪失對大學物理實驗的學習興趣，從而致使大學物理實驗教學和學生專業上的學習需求相脫節。另外，部分新建地方應用型本科院校大部分大學物理實驗開設的項目這么多年來一直沒有太大的改變，僅是對實驗結果的反復重現和經典物理原理的驗證，同時在真實實驗操作中，學生難免會遇到有危險性的實驗，有受場地設備條件限制不能完成或難以重復的實驗，實驗現象模糊而難以觀察細節的實驗，沒有跟上科技創新發展的陳舊實驗內容，這些均會導致學生無法正確掌握實驗操作步驟并分析有效實驗結果，被動的機械的都不利于學生增強創新意識和自主學習意識，隨著時代發展對大學物理實驗內容和實驗過程的新需求進行改革和創新，對培養學生創新性思維能力的作用有限。如光學干涉實驗中，由于地方應用型高校受自身資源限制，目前在光學干涉實驗中所使用的方法和現代干涉檢測技術相差較大，難以引起學生的學習興趣，也達不到社會需求對新工科人才的要求。

3.4 考核方式單一、忽視能力考核

大學物理實驗課程考核是檢驗新工科建設背景下地方應用型高校培養新工科人才成敗的一個關鍵元素。但是，目前部分新建地方應用型本科院校采用的傳統的大學物理實驗考核過于強調實驗結果，并不重視學生在實驗過程中的動手能力和思維能力的提升，難以體現出學生利用物理知識解決實際問題的能力，這種只注重實驗結果的考核方式忽略了對學生動手實踐能力的考察和學生在實驗過程中創新的評定，導致學生只注重實驗結果的正確性而無心深入探究實驗原理和實驗過程中創新性思維能力的培養，偏離了國家新工科建設對地方應用型高校在強化學生創新性思維能力培養的要求。

針對部分新建地方應用型本科院校大學物理實驗教學中存在的突出問題，筆者進行了較為深入的思考和研究，并在所在單位開展了一定的教學改革嘗試。下面分別從培養目標、教學內容、教學模式和考核方式等四個方面，闡述近幾年將OBE教學模式運用到大學物理實驗教學中的思考和教學改革嘗試。

4 OBE教學模式在地方應用型高校大學物理實驗教學中的實踐

4.1 基于OBE理念由需求確定大學物理實驗培養目標

OBE理念不同于傳統的教學模式，這種新的教學模式強調以學生需求為中心，這將更有利于地方應用型高校新工科人才的培養[6]。針對目前部分新建地方應用型本科院校采用的傳統大學物理實驗教學模式中存在的問題，制定基于OBE理念的適合地方應用型高校不同專業的大學物理實驗教學培養目標顯得尤為重要。首先，開展充分的市場調研，重點考察地方經濟對地方應用型高校新工科人才培養的新要求，確定不同專業大學物理實驗的人才培養需求，再在此基礎上確定適合不同專業的大學物理實驗人才培養要求和培養目標。大學物理實驗教師再根據不同專業的培養要求和培養目標，在不同專業學生中開展模塊化大學物理實驗教學，形成適合不同專業學生的實驗項目。最后，在具體實踐過程中對不同專業學生的培養要求和培養目標進行進一步的優化和完善。

4.2 基于OBE理念優化和重組大學物理實驗教學內容

4.2.1 在大學物理實驗項目中融入工程教育理念

大學物理實驗教師大都是物理學專業畢業，雖然他們具備較好的物理專業知識，但是工程實踐能力不強。因而，大學物理實驗教師如何在自身工程實踐能力不強的劣勢下培養學生具備這種能力，是地方應用型高校在新工科建設背景下要解決的問題。一方面，我們將嘗試在學校提供教師到企業掛職鍛煉的契機，選派一部分大學物理實驗教師去企業學習。另一方面，我們將嘗試在大學物理實驗教學中，根據不同專業的需求通過項目式實驗方式來融入本專業的工程教育素材，實現與不同專業實際需求的結合，強化學生科技創新意識和工程實踐的能力，這樣可以契合新工科背景下大學物理實驗課堂教學中注重學生工程實踐能力培養的要求。

4.2.2 模塊化教學、適應專業差異

不同專業學生的需求的不同導致大學物理實驗教學內容和教學目標也應該存在不同，但是不同專業的差異化教學會極大地增加地方應用型高校大學物理實驗的教學工作量和教學成本。因此，在不增加大學物理實驗教師教學工作量和教學成本的基礎上，達到新工科建設對人才培養的要求，地方應用型高校大學物理實驗教師需要對實驗教學內容進行合理的模塊化處理。不同工科專業學生選擇不同的教學內容或者教學模塊，大學物理實驗教師需要盡量避免向學生開設與學生專業關聯度不大的大學物理實驗，從而在最大程度上達到新工科建設對不同專業的教學目標和教學要求。

4.2.3 充分利用大學物理實驗仿真教學，打破地方應用型高校自身條件限制

近年來，隨著計算機和智能手機的普及，信息化教學越來越受到教育工作者的重視，計算機已經成為現代課程教學非常重要的輔助工具。計算機在大學物理實驗教學中作用非常顯著，如計算機在大學物理實驗中已經被廣泛用于實驗數據的分析和處理等。隨著科學技術的發展，計算機仿真技術和仿真軟件也日益成熟，如果能夠在大學物理實驗中充分利用計算機技術虛擬仿真部分物理實驗，那么能夠很好地解決地方應用型高校目前實驗設備和實驗場地受限的問題。利用計算機模擬仿真軟件也能設計出許多綜合研究性實驗，培養學生的創新性思維。因此，建設計算機仿真實驗室，將是地方應用型高校大學物理實驗室建設的一個重要方向。

4.2.4 增加研究型大學物理實驗、強化新工科背景下學生能力培養

受生源和師資水平的影響，目前地方應用型高校大學物理實驗過程都非常簡單，在實驗過程中學生能夠在教師全盤演示的基礎上重復出實驗，在實驗后學生能夠較好地完成實驗和正確地處理實驗數據，這個實驗學生就順利過關了。這種傳統的教學模式已經背離了新工科建設背景下地方應用型高校大學物理實驗教學對新工科人才培養的要求和目標，嚴重影響了地方應用型高校大學物理實驗教學質量。在大學物理實驗項目中適當地增加研究性實驗，減少一些基礎性實驗。研究性實驗將以學生為中心，盡量不讓學生被動地接受實驗教師教授的內容，在大學物理實驗課堂中讓學生能夠積極地思考，全身心地參與進來。研究性實驗對培養學生科研探索精神至關重要，這對地方應用型高校培養新工科建設背景下創新型人才具有重要意義。

4.3 基于OBE理念轉變地方應用型高校傳統的大學物理實驗教學模式

目前，地方應用型高校大學物理實驗教學模式主要還是以教師為中心，在實驗課堂上教師講授大學物理實驗的基本原理和給學生進行實驗演示；學生在此過程中只是被動的學習和重復實驗。這種傳統的教學模式是“以教師為中心”，在這種傳統的教學模式下，學生參與度不高，被動地接受老師灌輸的知識，從而讓他們感覺大學物理實驗課堂教學內容枯燥，喪失了學習興趣，不利于學生自主學習能力和創新能力的提高。OBE理念則是提倡“以學生為中心”。地方應用型高校大學物理實驗教師應該積極改變以前傳統的大學物理實驗教學模式，基于OBE理念，轉變為“以學生為中心”，有利于地方應用型高校新工科人才的培養。首先，對于不同專業的學生，大學物理實驗需要制定不同要求的學習目標；大學物理實驗課堂上必須讓學生掌握本次實驗的學習目標。讓學生非常清楚地明白大學物理實驗需要他們達到何種預期效果。其次，將大學物理實驗課堂教學以教師為中心轉向以學生為中心。最后，大學物理教師需要啟發學生積極參與到物理實驗中來，調動他們學習的能動性和學習的主動性，鼓勵他們在大學物理實驗中敢于探索。大學物理實驗教師還應該引導學生對物理實驗中出現的問題或對物理實驗原理的理解上能夠共同研究，這樣既能培養學生的團隊精神，也能促使學生相互學習、共同進步，增強學生對大學物理實驗、甚至大學物理理論課程的學習興趣。

4.4 基于OBE理念改變大學物理實驗課程考核方式

課程考核是促進課程質量提高的重要動力，也是影響地方應用型高校學生培養質量好壞的重要因素。與傳統的大學物理實驗課程考核側重點不同，基于OBE理念的大學物理實驗教學強調學生創新能力和解決實際問題能力，因而相應地在大學物理實驗課程考核中也需要重點考核學生的這些方面的能力。在新工科建設背景下，地方應用型高校大學物理實驗的考核標準也需要做相應的改革。例如可以這樣設計基于OBE理念的大學物理實驗考核標準：大學物理實驗課堂前的預習和學生出勤情況占總成績的10%，主要考查學生對大學物理實驗的重視程度和學習態度。大學物理實驗過程的考核環節占總成績的40%，主要考查學生的觀察、動手、合作及創新等方面能力。實驗報告結果的正確性、小論文的創新性及學生思想政治素質等進行綜合評定，本項占總成績的40%。答辯環節占總成績的10%，主要考查學生的思維創新能力、臨場應變能力和語言表達能力。大學物理實驗教師在實施過程中還應根據不同專業學生的培養要求和培養目標的不斷變化，進一步優化和完善考核標準。

5 結論

文章分析了部分新建地方應用型本科院校目前大學物理實驗教學存在的突出問題，例如：實驗室設備條件不足、教師教學方法落伍和缺乏工程意識、忽視專業差異和忽視能力考核等。基于OBE的“以學生為中心”理念，提出由需求確定大學物理實驗培養目標、優化和重組大學物理實驗教學內容、轉變地方應用型高校傳統的大學物理實驗教學模式以及改變大學物理實驗課程考核方式等方面的大學物理實驗的教學改革方案。OBE理念有助于地方應用型高校促進新工科建設，對不同工科專業學生培養質量的提高也非常重要。作為地方應用型高校，根據自己的實際情況和當地的經濟和技術需求，結合國家新工科建設對大學物理實驗教學提出的新要求，改變傳統的大學物理教學模式，研究建立一種基于OBE理念的適合于自身學校辦學特色的大學物理實驗教學模式是十分必要的，也有助于地方應用型高校學生培養質量的提高。