基于OBE理念的大學物理實驗教學的改革與實踐

摘 要 針對我校大學物理實驗教學存在實驗項目偏少、預習效果不佳、實操時間不足、育人意識不強、“兩性一度”亟待加強等問題，我們采取了如下教學改革措施：踐行以學生為中心、成果導向的OBE教學理念，購置了大學物理虛擬仿真實驗教學平臺，依托超星學習通平臺建設了大學物理實驗在線課程。經過歷時三年的教學實踐，取得了如下改革成效：學生的學習素材更加豐富，學習主動性明顯提升，學習成績的評定更加客觀公正和多樣化，創新意識和創新能力不斷加強，道德素質和進取精神顯著提升，實驗設備的損壞率顯著降低。

關鍵詞 大學物理實驗;OBE教學理念;教學改革

OBE（Outcome Based Education）教育理念，又稱為成果導向教育、目標導向教育、能力導向教育或需求導向教育[1]。OBE 教育理念倡導面向市場需求，培養學生的創新能力。其教育過程的設計要以實現學生特定學習產出為目標，以教育環節和課程為抓手，實現學習產出[2]。大學物理實驗是理工科學生進入大學后，接受系統實驗方法和技能訓練的起始課程和必修基礎課程，是后續專業實驗課程學習的基礎，對培養學生的創新能力、實踐能力以及科學探索精神具有重要意義，在大學人才培養中具有不可替代的重要作用[3-5]。隨著各高校應用型人才培養模式的不斷優化，總教學課時呈現下降的趨勢，通識教育類課程的比重緩慢上升，專業基礎課程和核心課程的課時緩慢減少[6-8]。作為專業基礎課程的大學物理實驗，其教學課時相對較少，由此誘發了一些較為突出的問題。但是，作為新時代的大學物理實驗教師，應該結合教學實際，踐行以學生為中心，成果導向的OBE教學理念，不斷改進教學方法，將知識傳授、能力培養和價值引領有機結合，不僅能有效解決教學中存在的問題，而且能夠不斷提升教學質量，從而培養德智體美勞全面發展的新時代大學生。

1 我校大學物理實驗教學現狀

在2020年前，我校大學物理實驗教學幾乎全部采用傳統實驗教學模式，即要求學生課前完成實驗項目的預習并撰寫預習實驗報告，課堂上兩人一組完成實操實驗，課后完成實驗數據處理和撰寫實驗報告。從實際教學效果來看，我校大學物理實驗教學存在如下幾個問題。

1.1 實驗項目偏少

我校只開設了8個大學物理實驗項目，雖然涵蓋了力學、熱學、電磁學和光學四部分內容，但是實驗項目數量偏少，不利于培養學生的基本動手能力。

1.2 預習效果不佳

為了提高實驗教學質量，任課教師都會要求學生課前預習，并撰寫預習實驗報告。學生一般通過閱讀實驗教材、實驗手冊、實驗講義和PPT等材料，從而了解實驗目的、實驗原理、實驗儀器的使用方法、實驗內容、實驗步驟、實驗數據的處理方法和實驗注意事項等。只要學生認真預習，大部分學生的預習效果較好。但是，實驗課本質是重實踐性的，學生的預習往往“紙上談兵”，尤其對于理解能力弱的學生，其理解的部分內容與實際偏差很大，甚至根本理解不了。更為重要的是，預習效果缺乏量化評價，使得部分學生“偷懶”，走馬觀花式地完成預習，甚至根本沒有預習，只是照抄了別人的預習報告。由于課堂教學時間有限，教師只能抽查個別學生的預習完成情況，不能覆蓋全體學生，缺少完善的預習評價和監督機制，給不愛學習的學生留下了偷懶的空間，從而降低了預習質量。

1.3 實操時間偏少

我校大學物理實驗學時為16學時，實驗教學安排在固定的時間和固定的地點，每個實驗2學時，兩人一組一套實驗儀器。大部分實驗的確兩名學生在兩學時內可以完成，而部分實驗則一個學生做完后，幾乎占用了兩學時，另外一個學生就沒有時間了，只能照抄同伴的實驗結果，或者編造實驗數據。例如，偏振光的觀察與研究實驗，教師講解實驗原理（融入思政）及注意事項之后，學生開始做實驗，一個學生做完五項實驗內容，大約需80分鐘，另一個學生則幾乎沒有時間做實驗了。在學時如此緊湊的情況下，學生往往只追求完成實驗而已，根本沒有時間動腦思考：為什么要這樣操作？ 產生這個實驗結果的物理原因是什么？ 這個實驗的不足之處是什么？ 實驗課時不足不僅嚴重影響了學生動手能力的訓練，還限制了學生主觀能動性的發揮以及創新能力的培養。

1.4 育人意識不強

在傳統實驗教學中，教師往往認為：實驗課程主要是培養學生的動手能力，育人是理論課老師的責任，實驗教學時間特別緊張，實驗都是勉強做完，哪有時間育人？ 的確如此，實驗課時緊張，極大地壓縮了教師的育人時間。但是，立德樹人是我們教學的第一要務，只有“人”合格了，其“才”才能正常發揮作用，才能當好我國現代化建設的接班人。育人是全體教師的共同責任，強化實驗課教師的育人意識刻不容緩。

1.5 課程的“兩性一度”亟待加強

由于實驗課時非常有限，教師在教學設計上，往往側重讓學生如何理解實驗原理和操作過程，在“創新性、高階性和挑戰度”方面的要求相對較少，給學生設置“只有跳一跳”方可完成的學習任務偏少。在某個實驗的教學設計中，應該設計一些如下的任務：如何對實驗進行改進或者設計全新的實驗方案？ 該實驗在工程實踐中如何應用？該實驗的研究進展如何？ 做實驗有哪些收獲？圖2 我校大學物理虛擬仿真實驗教學平臺所包括的子系統2 大學物理實驗教學改革舉措。針對上述存在的問題，2020年年初，我校大學物理實驗中心經過反復討論，對大學物理實驗教學進行了系統性的改革，制定了如圖1所示的大學物理實驗教學實施方案。具體的改革措施如下。

2.1 踐行OBE教學理念

本次大學物理實驗教學改革始終踐行以學生為中心、成果導向的OBE教學理念。在傳統實驗教學中，往往以教師為中心，教師首先進行實驗原理講解，其次進行實驗操作演示，最后學生再動手操作完成實驗。如此進行實驗教學的結果就是學生完成實驗的正確率較高，所需的實驗時間較短。然而，這種教學模式存在一定局限性：學生沒有充分發揮自己的主觀能動性，幾乎沒有思考空間，不利于舉一反三能力的培養。所以，在本次大學物理實驗教學改革中，教師重點講解實驗原理，并分小組對某一個問題進行討論;不再進行實驗操作演示，由學生自己根據實驗預習操作和實驗原理，自主完成實驗，在此過程中，老師給予必要的指導，但絕不從頭指導到尾，讓學生自主探索解決問題。實驗中心的老師始終牢記“教學不僅看教師教了多少，而重在看學生學了多少”，并將該教學理念貫穿于實驗教學的各個環節中。

2.2 開設課外大學物理虛擬仿真實驗課程

2019年，我校購置了科大奧銳大學物理虛擬仿真實驗教學平臺，該平臺包括基礎信息管理系統、仿真實驗系統、預習系統和考試系統（圖2）。基礎信息管理系統主要用于錄入上課教師和學生的基本信息，動態管理教師和學生。仿真實驗系統中包括41個實驗項目，涵蓋力學、熱學、電學、電磁學、光學和近代物理等六個模塊。預習系統和考試系統中含有試題庫，教師可以在預習系統和考試系統中手動或者隨機組合一套或者多套試題，供學生預習和考試;預習系統和考試系統中內置了判卷功能，系統能夠自動評判每個學生的預習和考試成績。

針對實驗項目和課時偏少的問題，我校大學物理實驗中心開設了課外大學物理虛擬仿真實驗課程。由于實際的實驗教學周數是16周，故目前僅開設了16個虛擬仿真實驗，包括了實操的8個實驗對應的虛擬仿真實驗，額外又增加了8個虛擬仿真實驗。教師在大學物理虛擬仿真實驗教學平臺的預習系統和考試系統中分別發布每個實驗的預習和考試任務，要求學生課外線上完成，以此彌補實驗項目數量偏少和課時不足的問題。

2.3 在虛擬仿真實驗平臺上完成實操實驗的預習

針對實操實驗預習效果不佳的問題，課堂教學前一周，任課教師在大學物理虛擬仿真實驗教學平臺上發布預習任務（圖3），題型包括單項選擇題、多項選擇題、填空題、判斷題、操作題等客觀題型。學生在平臺上按時完成預習任務，系統自動評判成績（圖4），實現了預習的量化考核。在預習任務中，布置了實驗操作題。虛擬仿真實驗平臺上的實驗操作雖然不是真實的“動手”完成，而是通過鼠標點擊“按鈕”完成的，但其場景、步驟和過程與實操實驗基本類似，所以通過實驗的預習操作，使得學生比較熟練地掌握了實驗操作過程，還可以在平臺上反復多次練習。因此，實驗的預操作必然能夠為課堂教學中的實操節省較多時間，從而能夠保證同一組的兩個學生均能親自動手完成實操實驗。學生在預習的過程中，遇到疑問，可以通過微信群、QQ 群或者學習通群和同學們討論或者向老師請教。

2.4 依托學習通平臺強化育人

針對育人意識不強和育人時間不足的問題，我們在超星學習通平臺上建設了大學物理實驗課程，每個實驗項目中均建設了關于課程思政的文字和視頻素材，隨著開課的次數不斷累計，授課教師不斷地在學習通平臺上添加新的課程思政素材，使得課程思政資源越來越豐富。要求學生完成學習通平臺上思政素材的學習，學習通平臺根據學生的學習時長和學習次數自動記錄學習成績。同時，要求教師在課堂教學設計中，必須融入思政元素（可以直接取自學習通平臺上已有的思政素材，也可以自己重新設計），在課堂教學中講解實驗原理或者分組討論時，將教學設計中的思政元素融入其中，并觀察學生的反應，為后續改進奠定基礎。例如，霍爾效應實驗的課程思政教學設計如表1所示。從表1中可以看出：教學設計不僅明確了教師和學生的任務，而且給出了學生的預期學習效果。也就是說，根據要達到的育人目的，反向進行課程思政教學設計。

2.5 依托學習通平臺提升課程的“兩性一度”

課后，教師在超星學習通平臺上發布2～3篇課外閱讀文獻和2～3個思考題，并以作業題的形式要求學生分別提交課外閱讀總結和思考題答案。課外的閱讀文獻主要是關于當次課堂實驗的研究文獻，學生通過認真閱讀教師所推薦的文獻，用筆撰寫該實驗的研究進展總結和自己對該實驗的思考（例如，如何改進實驗？ 該實驗在工程實踐中如何應用？），并拍照上傳至學習通供老師批閱。思考題主要是針對實驗原理和實驗現象的問題，學生做完實驗后的收獲是什么以及還有哪些不足等方面提出問題，學生通過查閱資料并結合自己做實驗的親身體會，用筆撰寫老師所布置問題的答案，并拍照上傳至學習通供老師批閱。特別說明一點：要求學生用筆撰寫答案拍照上傳至學習通，因筆跡不同，很容易識別，學生不能直接上傳別人寫的答案，如此能夠避免個別學生直接復制粘貼別人答案的情況;雖然也可能存在抄襲的現象，但至少得動手撰寫，從而激勵不愛學習的學生自主學習。通過學習通平臺發布具有一定高階性和挑戰度的課外學習任務，量化考核學生的完成情況，從而驅動學生積極主動地學習，培養學生的創新能力。

3 大學物理實驗教學改革成效

按照上面提到的改革措施，進行了歷時三年的教學實踐，取得了比較滿意的改革成效，具體說明如下。

3.1 學習素材更加豐富

大學物理虛擬仿真實驗教學平臺上的仿真實驗系統中每個實驗中包括實驗簡介、實驗原理、實驗內容、實驗儀器、實驗指導、實驗演示和實驗操作等七部分內容;預習系統和考試系統中配有題庫，實驗課教師也會通過自主命題不斷擴充題庫。在超星學習通平臺上建設了大學物理實驗課程，共16個實驗項目，每個實驗項目中包括思政元素教學設計、實驗講義、實驗PPT、虛擬仿真實驗操作視頻、課外閱讀資料和思考題等六部分內容。這些豐富的線上學習資源，使得學生不再局限于看紙質的資料，而是根據自己的學習情況和學習習慣，靈活地選擇學習資源，高質量、高效地完成老師安排的學習任務。

3.2 學習主動性明顯提升

課前，教師在大學物理虛擬仿真實驗教學平臺上布置預習任務，總分為100分，學生在系統上完成預習題目并提交，立即可以查看自己的預習成績，及時獲得成就感，從而提升了學生預習的積極性和追求高分的內驅力。大多數學生一般不止預習一次，而是預習兩三次甚至更多，從而使得自己的預習分數接近于滿分或者等于滿分。由于預習扎實，在課堂教學的實操實驗中，學生做實驗的速度提升，不僅保證了一組的兩名學生均能親自動手操作完成實驗，還可能有剩余時間，讓兩名學生能夠互相討論發現的問題，交流彼此的想法。課后的學習通任務中，根據老師設定的觀看視頻、閱讀文章、作業等各項任務的分數占比，學習通平臺能夠自動地統計出學生的總評得分。學生可以隨時查看自己的得分和班級排名情況，從而激勵學生積極認真地完成學習通任務。

3.3 成績評定更加客觀公正和多樣化

在實施教學改革之前，總評成績主要由實驗預習、實驗操作和實驗報告三部分組成，評價維度較少。實驗操作成績由任課教師根據學生的操作情況打分，比較客觀公平;然而，對于實驗預習和實驗報告，任課教師只能憑學生提交的紙質版材料評判分數，很難發現所提交的預習報告和正式報告是學生本人獨立完成，還是抄襲別人，從而影響了成績評定的公平性。實施教學改革之后，突出過程評價。總評成績=平時成績×60%+期末考試成績×40%。平時成績=考勤及課堂表現×10%+預習成績×30%+課堂實操成績×30%+實驗報告成績×10%+學習通平臺成績（含觀看思政素材、閱讀文獻、撰寫閱讀總結和回答思考題等）×20%。期末考試在大學物理虛擬仿真實驗教學平臺的考試系統進行，理論知識分值占20%，隨機抽取的4個實驗操作分值占80%。預習和期末考試成績均由仿真實驗教學平臺自動評判，考勤及課堂表現、課堂實操成績、實驗報告、課外閱讀總結及思考題成績均由教師評定，學習通平臺自動統計該平臺上的綜合成績。實施教學改革之后，學生學習成果的評價更加多樣化，更加公平，更能激發學生學習的積極性。

3.4 創新意識和創新能力不斷加強

經過歷時三年的大學物理實驗教學改革實踐，授課學生的學習任務的確相對較重，但是通過對所有授課班級學生的跟蹤了解，發現學生的創新意識和創新能力的確得到了較大的提升。表現在以下幾個方面：（1）任課教師普遍反映，隨著實驗課程進度的推進，學生課外線上和課堂線下提問及討論發言的積極性明顯提升。（2）學生的實驗總評成績與實施教學改革之前相比，無論是班級平均成績，還是高分學生人數均呈現逐年上升趨勢。（3）學生提交較高質量的實驗設計數量，學生申請國家級、省級和校級創新創業項目的數量和質量逐年穩步提升。（4）大學物理實驗中心的老師們指導的學生學科競賽成績優異：物理實驗競賽獲得國家三等獎3項，省級一等獎3項，二等獎4項，三等獎10項;數學建模競賽獲得國家二等獎5項，省級一等獎4項、二等獎5項;獲得挑戰杯和創新創業大賽省級獎6項。

3.5 道德素質和進取精神顯著提升

在課內和課外的大學物理實驗教學中均不斷強化立德樹人教學任務，取得了明顯成效。表現在如下幾個方面：（1）抄襲現象大幅度減少。教師通過課堂教學提問和批閱實驗報告、課外閱讀總結和思考題等發現，隨著實驗教學進度的推進，抄襲的現象明顯逐漸減少。當然，這與老師一旦發現雷同的答案，就會在班上通報批評教育有很大的關系，也與課內課外的思政教育有關系。（2）考試作弊的學生人數大幅度減少。采用大學物理虛擬仿真實驗平臺進行線上考試時，我們采用大學物理虛擬仿真實驗平臺上的抓拍和騰訊會議相結合的方式監考。2020年至2022年三年間，每年均約有800人參加大學物理實驗考試，查獲作弊的人數依次為10、7、3，作弊的人數下降明顯。逐步實現由“不讓作弊”到“不想作弊”的轉變。（3）刻苦鉆研、敢于探索的學生人數逐年增加。近幾年來，參加學科競賽、創新創業項目和從事科研助理的學生人數逐年持續增加，經過他們的刻苦努力和認真鉆研，我校學生在學科競賽和創新創業等方面取得了驕人的成績。（4）學生的責任意識和擔當意識不斷增強。隨著大學物理實驗教學的不斷推進，學生間的團結協作意識不斷增強，尤其是自主設計完成研究性實驗時，學生間的團結協作精神尤為突出。下課時能夠主動地把儀器擺放整齊，關掉電源和打掃好實驗室衛生。學生能夠積極主動地參與學校的公益勞動和暑期社會實踐活動，用實際行動踐行責任擔當意識。

3.6 降低了實驗設備的損壞率

我校每學期大約有10個班級開設大學物理實驗，每個班級分兩組，每套實驗設備每學期至少被20人次操作，實驗設備損耗較大。學生經過大學物理虛擬仿真實驗平臺上的預習后，對實驗的基本操作流程已比較熟練，在實體設備上的誤操作相對較少。由于學生人數較多，若采用抽簽進行實操實驗期末考試，部分實驗設備可能被抽取高達50次，如此高頻率的使用，可能導致考試期間實驗設備的損壞，不僅影響了本次考試，可能還會影響下一學期的正常實驗教學。所以，我們采取所有班級同時在虛擬仿真實驗平臺上進行期末考試。利用大學物理虛擬仿真實驗平臺進行線上預習和期末考試，不僅客觀評價了學生的學習成果，還顯著降低了實驗設備的損壞率。

4 結語

在總課時不變甚至呈現下降的大背景下，增加大學物理實驗教學課時的可能性微乎其微。但是，隨著時代的進步，大學物理實驗教學質量絕不能下降，而是必須逐漸提升。針對我校大學物理實驗教學存在的問題，通過購置大學物理虛擬仿真實驗教學平臺，依托超星學習通平臺建設大學物理實驗在線課程，教師踐行OBE 教學理念，強化學生課外學習任務的數量和質量，使得大學物理實驗教學改革取得了明顯成效。我校大學物理實驗教學改革的實踐經驗，對于大學物理實驗教學課時相對較少的高校具有一定的借鑒價值。

參 考 文 獻

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基金項目： 甘肅省高等教育教學成果培育項目：《大學物理實驗》在線課程建設與教學改革（2023-152）;教育部高等學校大學物理課程教學指導委員會大中物理教育銜接工作委員會教學研究課題：西部地方應用型本科高校《大學物理實驗》課程大中物理教學銜接的研究和實踐（WX202323）;隴東學院2024年課程思政示范課程：大學物理實驗。