基于OBE理念近代物理實驗課的大綱設計及教學改革

賀帥 潮洛蒙

［摘? ? ? ? ? ?要］? 隨著社會的不斷發展，區域經濟發展對應用物理專業學生的綜合素質提出了更高的要求，現有的近代物理實驗教學手段與教學形式較為單一，沒有形成以學生為中心的教學模式，不能充分調動學生學習物理的積極性?；诔晒麑蚪逃砟顚Ρ緦I的近代物理實驗課整個教學方案進行了改革和優化，并從教學目標、教學內容、教學模式以及教學評價四個方面對教學大綱重新做了設計和優化，以期為培養出高質量的物理學應用型人才奠定基礎。

［關? ? 鍵? ?詞］? OBE理念；近代物理實驗課；翻轉課堂

［中圖分類號］? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ［文獻標志碼］? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ［文章編號］? 2096-0603（2023）15-0169-04

實驗課是大學理工科專業教學的重要環節，應用物理專業開設的近代物理實驗是理科物理學專業高年級的專業必修課程。較普通物理實驗而言，所涉及的實驗內容更加綜合，實驗原理相對復雜，考核內容更側重學生對物理原理到現象的理解。相較于普通物理實驗課程內容注重牛頓力學為核心的古典物理學而言，近代物理實驗課更注重量子力學與相對論的內容。主要內容以近現代物理學發展中極具代表意義且至今還在應用或者具有較大的學術價值的實驗為主。近代物理實驗課不僅對應用物理專業的實驗課程具有支撐作用，還對學生物理理論與實踐的聯系起著至關重要的作用。

隨著社會的不斷發展，區域經濟發展對應用物理專業學生的綜合素質提出了更高的要求。除了要求能夠使用近代物理科學的理論方法分析常見的物理問題，掌握近代物理實驗的實驗方法，還要求能夠操作物理學與稀土材料行業相關的基本儀器設備，清楚設備的運行原理及組成；能夠根據相關生產內容確定對應的物理內容并加以求解。隨著教育教學的不斷深入，實驗課教學的內容也一直在開展深入的教學改革，目前實驗課教學存在的主要問題仍是驗證性實驗為主，不利于學生對知識的透徹理解以及積極探索。與現代產業界所使用的關鍵儀器設備具有一定的差距，與專業相關的綜合性實驗也較少。[1]實驗教學模式大多以傳統課堂的方式進行，仍然是以多媒體輔助、教師講解為主的“灌輸式”教學，學生成為被動的接收者。教學內容和教學形式較為單一，沒有形成以學生為中心的教學模式，不能充分調動學生學習物理的積極性。成績評定體系對學生的學習動力及最終的學習效果有著直接的影響。傳統實驗課程的成績評定方式多以實驗報告成績為主，輔以平時表現及出勤情況進行綜合評價。這種考核方式比較簡單，教師也拿不出學生平時表現給分的依據，對學生的實驗能力不能給出較為真實的反饋。因此，近代物理實驗課教學模式必須加以改革，以適應目前的教學情況，形成較為全面的考核機制。

目前，成果導向教育理念（Outcome Based Educa-tion，簡稱OBE理念）已經成為教育領域的重要理念之一。OBE理念是以預期學習產出的成果為導向來組織、實施和評價教育的結構模式。[2]應用物理專業基于教育教學審核評估工作的要求，以培養方案、教學大綱、課程建設符合OBE培養理念為目標，制訂了2022版培養方案，重新修訂了2018版培養方案的同時，對近代物理實驗課教學大綱做了重新梳理及調整?；诔晒麑蚪逃砟顚Ρ緦I的近代物理課程整個教學方案進行了改革和優化，并從教學目標、教學內容、教學模式以及教學評價四個方面對教學大綱重新做了設計和優化。該教學方案符合“以學生為中心”的設計理念，注重思維與實踐的結合。教學模式增加了翻轉課堂、線上線下混合教學、論文撰寫三個方面的內容，并通過多維評價體系來評估學生的課程學習成效，以改進教學質量。

一、教學目標

（一）教學目標設置

近代物理實驗是在普通物理理論和實驗基礎上的一門重要的基礎實驗課程，在培養學生“既具有深厚扎實的理論基礎，又具備很高的實驗能力”這一目標中起著重要的作用。[3]應用物理學專業的近代物理實驗課按照OBE理念設置教學目標，該課程的主要目標是通過學習，使學生掌握目前實際應用中較先進的、綜合性的實驗方法和技能，了解近代物理中的重要概念和普遍規律，培養學生初步的獨立科研學習的能力。按照授課進程及方式分別設立4個分目標：（1）了解實驗物理在物理概念的產生、形成和發展過程中的作用。（2）掌握近代物理中的一些常用方法、技術、儀器和知識。（3）能對實驗結果做出基本的分析，并鞏固和加強有關實驗數據處理方面的能力。（4）通過實驗加深對近代物理基本現象及其規律的理解。另外，本課程的思政目標為通過運用近現代物理史中涉及的理想信念、價值取向、政治信仰、社會責任的題材與內容，培養學生家國情懷與責任擔當，使學生成為德才兼備、全面發展的人才。4個教學分目標的設立與所支撐的畢業要求高度契合是結課后學生課程達成情況的重要依據。近代物理實驗課程的教學分目標1和目標3對應本專業新版人才培養方案畢業要求3中的指標點3-1，教學分目標2和4對應本專業新版人才培養方案畢業要求5中的指標點5-1。

（二）課程目標與畢業要求對應關系

新版人才培養方案根據《普通高等教育本科專業類教學質量國家標準》以及目前應用物理學專業培養、就業等情況，重新梳理了本專業的畢業要求，設置如下：

1.基本素養和責任感

具有人文社會科學素養和求實精神、社會責任感，具有良好的職業道德規范，將社會主義核心價值觀和自我價值實現緊密結合起來。

2.基礎知識和研究方法

具有在物理學專業科學研究和技術應用工作中所需的基本物理學知識，系統掌握近現代物理科學的基礎理論，了解基本物理實驗研究方法。

3.專業知識和國際視野

具有在物理和稀土相關領域從事科學研究和技術應用工作所需的物理學和材料學知識，系統掌握近現代物理科學的基礎理論，了解基本物理實驗研究方法；具備基本的閱讀本專業文獻，了解專業發展前沿能力。

指標點3-1：能夠使用近代物理科學的理論方法分析常見的物理問題，掌握近代物理實驗的實驗方法。

指標點3-2：掌握物理學和材料學相關的基本知識，能夠分析不同材料性能所對應的物理學基本內容，可以使用物理學知識給出材料性能的變化規律。

指標點3-3：能夠根據稀土材料的不同性質正確測量、分析材料的基本性質，并且能夠根據材料的基本性質給出其中的物理圖像。

指標點3-4：能夠收集、整理、分析、使用物理學相關前沿的知識內容；能夠就物理學與稀土功能材料等方面問題和業界同行及社會大眾進行有效溝通。

4.信息技術與應用能力

能夠針對物理與材料的交叉領域（磁性材料和高熵材料）的實際問題，選擇與使用恰當的現代工具及信息技術手段，能夠對所從事領域遇到的實際問題加以分析，為問題的解決提供思路。

5.實用技術及應用能力

掌握物理學與稀土材料行業的實用技術，具備解決實踐問題的能力，能夠基于物理學的基礎理論和材料學基本原理對實際生產、生產工藝中的問題進行解析，并提出正確合理的解決思路，能夠對產品的設計研發提出合理的思路并改進。

指標點5-1：能夠操作物理學與稀土材料行業相關的基本儀器設備，清楚設備的運行原理及組成；能夠根據相關生產內容確定對應的物理內容并加以求解。

指標點5-2：能夠根據稀土材料相關產業的生產內容，確定具體的生產路線；能夠利用物理學、材料學相關知識內容，分析實際生產、實驗過程中產生的結果，確定生產關鍵問題。

指標點5-3：能夠根據生產情況、實驗數據給出正確的解決方案；能夠對產品的設計研發提出合理的思路并改進。

6.科學研究和研發能力

學生具有科學思維和對科研有基本的了解。具備對科技前沿問題的分析探索能力，能夠基于物理學的基礎理論對科學研究中的問題進行歸納總結，并提出自己的見解；能夠對新的物理現象以及新型產品的研發設計提出思路及解決方案。

7.溝通表達和團隊協作能力

能夠就稀土功能材料等方面問題和業界同行及社會大眾進行有效溝通和交流；能夠在相關學科背景下的團隊中承擔個體、團隊成員以及負責人的角色。

8.思維和創新能力

具有物理問題的分析、解決能力，具有學習能力和創新意識，了解應用物理學發展趨勢和動態。

9.終身學習能力

進行自主學習，與時俱進，實現自我提升和發展，具有自主學習和終身學習的意識，有不斷學習和適應社會發展的能力，身心健康。

在應用物理學專業培養方案中，共有9個畢業要求，并根據需要拆分了21個指標點，畢業要求1-9分別對應了3個、4個、4個、0個、3個、3個、2個、2個、0個指標點，并按照課程與畢業要求之間的關系建立了對應指標體系。[4]上述畢業要求中僅羅列了畢業要求3和5的分解指標點，近代物理實驗課支持的畢業要求為3專業知識和國際視野、5實用技術及應用能力，具體的指標點為3-1和5-1。要求學生在專業知識的理解應用、實驗技能的培養訓練兩個方面能夠支撐畢業要求。

二、教學內容

（一）教學內容

近代物理實驗課程綜合了普通物理實驗中的力、熱、光、電以及電子電路等理論內容，是建立在普通物理實驗基礎上的專業實驗課程，其教學內容是連接普通物理學與近代物理學的重要內容。在本專業新版的培養方案中，實踐教學環節的教學學時顯著增加，在總學分不變的情況下，實驗課的教學學時均翻倍，目前已達到國家專業質量標準的要求。近代物理實驗課的教學要求能結合學科前沿應用、學科交叉等特點，要求掌握本專業實際應用技術的內容及操作方法。本專業具體的實驗項目包括以下項目：LED物性綜合實驗、電光調制實驗、電子散斑干涉實驗、PN結的物理特性、核磁共振實驗、PN結物理特性實驗、聲光調制實驗、塞曼效應實驗、磁光調制實驗、光線火災預警系統實驗、金屬逸出功實驗、磁阻效應綜合實驗、霍爾效應實驗、居里點測定實驗、太陽能電池綜合特性實驗、磁懸浮動力學實驗、多功能風力發電實驗、光致發光材料的合成及燈管的制作、礦鹽的晶體結構及雜質檢測、掃描電子顯微鏡（SEM）實驗、透射電子顯微鏡（TEM）實驗、掃描隧道顯微鏡STM、磁控濺射鍍膜實驗、PPMS物性測量實驗等。

（二）基本要求

近代物理實驗教學是建立在普通物理學實驗基礎上的進階實驗課程，該課程的開展重點是學生對實驗的理解、實驗動手能力、實驗分析能力、物理學思維建立情況等。除了實驗室安全要求外，本課程的具體教學要求如下：

（1）在實驗課程開展之前要求學生認真研讀實驗教材，撰寫實驗預習報告并了解實驗相關的流程步驟以及即將采集的數據。（2）實驗項目的開展按照教學儀器的數量分組（2～3人/組），要求學生獨立完成實驗項目，實驗中遇到的問題以自己解決為主。（3）實驗項目中采集的數據要求以真實為主，允許實驗數據出現一定的偏差，但對于偏差數據要做出分析說明。（4）每次實驗的結果必須經過教師認可后，實驗方可結束。（5）每次實驗結束后，必須清點實驗儀器，關閉實驗室電源，打掃實驗室衛生。

三、教學模式

新版本的實驗課教學新增了三個方面的內容：翻轉課堂、線上線下混合教學以及論文撰寫。在翻轉課堂方面，翻轉課堂近些年來在全球范圍內流行。在近代物理實驗課教學實踐中，要求學生完成所有實驗項目后，選擇其中一個實驗項目作為擴展匯報內容，并以5分鐘PPT匯報的形式在課堂上進行分享。分享的內容不限于實驗項目內容，而是根據實驗項目做適當的擴展。這種方式既可以鍛煉學生收集資料、整理資料、總結資料的能力，又能夠通過分享的方式獲得更多的知識。此外，學生學習成果的評估在課堂上進行，極大地提高了課堂時間的利用效率，有效激發了學生自學積極性。[5]這樣的方式不僅能充分激發學生的主觀能動性，還能方便教師針對學生自學情況因材施教，提高課堂效率。在線上線下混合教學方面，本課程在常規線下教學體系大致不變的前提下，通過利用網絡媒體平臺、建設數字化實驗資源、制訂線上專屬的教學設計方案和內容、展開與學生快捷有效的互動交流、更新實驗考核方式等在實驗教學流程內形成一系列以學生為中心、長期可執行的線上線下教學活動。在論文撰寫方面，一直以來實驗報告是考核實驗成績的主要方式，[6]本課程針對專業課實驗教學中實驗報告的書寫形式，分析了傳統實驗報告形式存在的問題和不足，提出了采用綜述小論文形式書寫實驗報告的模式，小論文要求學生按照期刊投稿格式進行書寫，培養學生科研論文寫作中關于文章內容、期刊格式、引用格式等的要求。旨在通過實驗報告質量來提高實驗教學效果，并為專業實驗課的課程改革提供參考。

四、教學評價

（一）課程成績考核

本課程過程性考核包括三部分的內容。其中，翻轉課堂PPT匯報占總成績的30%、小論文撰寫占總成績的10%，實驗操作及報告占總成績的60%，實驗操作及報告內容包括預習部分、數據采集、數據處理、思考題，其具體考核內容及評價標準（見文末表1）。

（二）學生反饋評價

實驗項目評價：在通過仿真實驗進行儀器操作的過程中，進一步理解了馬沸爐、光譜儀、X衍射儀、掃描電鏡等各種儀器和軟件，發現操作和原理之間的潛在聯系，真正實現將理論應用于實踐。翻轉課堂評價：PPT的制作加深了對項目的深刻理解和強化。雖然在進行實驗的過程中感覺很有樂趣，也真正理解了實驗的原理，但在PPT制作過程中，很容易出現提筆忘字的情形。這時回看實驗報告，認真研讀實驗的原理，鉆研過程做到完全和原理的契合，可以更好地建立知識體系和課后鞏固，從而使實驗項目的邏輯思路更加清晰。論文撰寫評價：實驗報告對不同學生來講感受各不相同，而且實驗原理的部分較為專業，大多是無法輕松掌握的。以論文的形式提交實驗報告，需要調研更多的相關內容，可以增加實驗項目學習的知識豐富度。

五、結語

實驗課教學的主要目的是通過課程鍛煉學生自主探索及發現的能力。通過本次大綱修訂近代物理實驗課程基于成果導向教育理念對教學方案進行了改革和優化。教學模式增加了翻轉課堂、線上線下混合教學、論文撰寫三個方面的內容，并通過多維評價體系來評估學生的課程學習成效，以提升教學質量。該教學方案符合“以學生為中心”的設計理念，注重思維與實踐的結合，最終該課程大綱制定及實施獲得了學生的認可與支持。

參考文獻：

［1］張俊廷，盛妍.大學物理實驗教學內容與模式的改革與探索［J］.大學物理實驗，2018，31（4）：118-120.

［2］武立華，劉志海，張楊，等.基于OBE理念的大學物理實驗教學體系探索［J］.實驗技術與管理，2018，35（10）：188-189.

［3］方家光，張連芳.近代物理實驗課程建設中的兩個問題［J］.清華大學教育研究，1995（1）：55-57.

［4］劉輝，付會龍.基于課程目標評價的畢業要求指標點達成度評價［J］.教育教學論壇，2019（50）：27-31.

［5］陳愛華.翻轉課堂在近代物理實驗中的教學設計與實施策略探究［J］.數理化解題研究，2023，567（2）：85-87.

［6］周錕，潘麗萍，賀鑄，等.用小論文形式撰寫傳輸原理課程實驗報告的探討［J］.科教導刊，2017（3）：69-70.