新工科背景下基于ODEC的大學物理實驗教學模式探索

楊有貞　曾建成

摘? 要：針對大學物理實驗單一授課方式已不能有效滿足新工科人才能力培養的問題，該文開展微課教學方式（Online Course），延伸傳統教學中“教”與“學”的時間和空間，培養學生自主學習能力；增加演示實驗為必要拓展（Demonstration experiment），加深學生對物理規律等理論知識的具象理解，有效提升學習熱情和物理思維能力；融入課程思政元素（Course Education），將知識傳授與科學精神、人文精神培養有機融合，內化為學生的正向“心法”；實施以賽促學（Competition ），提升運用物理原理解決實踐問題的能力，外化為學生的“技法”。在此基礎上，制定兼具過程、結果及拓展屬性的“1+1+X”考核模式，考核結果發現基于ODEC的教學方式與成績具有正向關聯，構成知識傳授、能力培養、價值塑造協同育人模式，符合新工科背景下德才兼備人才培養的規律。

關鍵詞：新工科；大學物理實驗；微課教學；演示實驗；以賽促學；協同育人

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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”教育是區別于傳統工程視角而提出的概念，繼“一帶一路”、中國制造2025等重大規劃、新技術和業態涌現背景下，2017年我國首次提出“新工科”建設的概念，提出培養應用型人才的必要性[1]。這就促使工程教育范式的調整，以便適應新工業革命對人才的要求。新工科建設可以看作是“卓越計劃”的升級版，其強調培養服務國家戰略、滿足產業需求和面向未來發展的應用型、綜合型和復合型工科人才[2]。而最首要核心是知識結構健全，其包含5方面，其中首要是自然科學知識[3]，是工程活動實現創造的基礎[4]。

大學物理實驗作為理工科生剛入學的一門培養實踐能力的公共必修課程，對于培養學生的實際動手能力、探究綜合能力、創新能力都有著重要的作用[5]，也是培養“寬口徑”人才的重要一環[6]。如何重新構建更有效的教學模式，為適應新工科專業知識的快速更新，是當前課程教學面臨的一個重要課題[7-8]。為適應新背景下應用型人才培養的需求，全國很多院校打破傳統大學物理實驗教學，不斷探索新的模式[9-10]。但是，依然存在課程教學和評價模式相對單一的問題[11-12]，有待于進一步探索。

本文以培養高校創新型綜合應用人才為總目標，開展新能源材料與器件、電子信息、通信工程等諸多新工科專業大學物理實驗課的教學內容和課程體系改革，利用微課教學、拓展演示實驗、增加課程思政元素并利用國家賽事指導學生參加競賽，使得教學過程相互銜接、補充，實現實踐課程協同化培養人才的教學模式。

一? 開展微課教學模式

預習是物理實驗教學質量的關鍵，傳統課前預習多數通過書本，只能進行理論知識的學習。單純地將實驗原理、實驗裝置等抄寫在實驗報告上，對儀器的了解只能通過書本上的圖片獲得，無法建立對實驗的直觀認識，缺少主動性和思考[10]。2017年課題組緊跟新時代高教發展趨勢，通過幾年的大學物理實驗（微課版）[13]建設，獲批寧夏高校首批國家級一流本科課程，完成視頻72個、課件29個、文檔36個及1套習題庫（含題目300套）。這些數字資源依托華中科技大學出版社網絡（http：//zyjy.hust p.com/index.php？m=Subject）在線開放平臺，為學生線上自主預習和復習創造了條件，進一步開展線下課堂教學，完成基礎性實驗。據統計，課堂上基礎性實驗時間縮短18%，實驗報告的成績平均提高6.4%（幾乎接近于提高了一個績點，尤其是分數低的情況）。這樣以線上微課預習為先導的教學模式，讓學生在課堂上“活”起來，課堂外“忙”起來，延伸了傳統教學中“教”與“學”的時間和空間，培養學生自主學習能力，有效提高了教學效率和教學質量。

二? 增加演示實驗為必要拓展

演示實驗是將抽象的物理知識通過直觀、形象的實驗現象呈現出來，增加學生的感性認識，引導學生觀察與分析物理現象，完成從感性認知到理性認知的學習過程，能夠有效提升學生的學習熱情和物理思維能力。為此，課題組設計并開發含力、熱、聲、電和光五類內容有一定水平的演示實驗項目，并采取購置新設備、改造舊設備和自制儀器相結合的方式，注意選擇具有先進性的儀器，合理配置實驗項目和儀器的臺套數，對傳統實驗從內容體系到硬件建設進行全面更新和重建，確保實驗內容具有開放性、探索性和創新性，并集知識性、趣味性和易用性物理現象為一體的特性。共構建98個實驗內容，包括光學演示項目30個、電磁演示項目30個、力熱演示項目38個，建成演示實驗室3個、共300 m2。部分演示實驗內容見表1。

演示實驗通用性開放首先面向新生，具體時間是每年10月中旬，以班級、學院為單位，以力熱、光、電磁三個演示項目為次序進行輪轉參觀，這一環節的主要設定目標是展示物理現象強烈刺激學生眼球，使其產生神秘感和好奇心，進而產生強烈的求知欲。其次，演示實驗針對的是開設教學計劃內綜合性實驗的學生，進行一些教具制作、科技發明等系列活動；最后，演示實驗拓展性針對的群體具有不確定性，以主題式或研究性為導向，學生可以通過組隊式學習。具體活動剪影如圖1所示。演示實驗的教學模式是成功的，圖2摘錄了部分學生的體會和收獲，從反饋結果看，增加演示實驗作為教學環節，有利于加深學生對物理規律等理論知識的具體化理解，有效提升學生學習理論與實踐知識的內在動力。

三? 有機融入課程思政元素

2016年12月，習近平總書記強調，各門課都要守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應[14]。落實立德樹人的根本任務，本質上是我國高等教育“培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人”等重大教育問題。而這其中首義是科學精神的教育。為此，筆者從物理實驗與技術及工程關系中挖掘課程思政。例如，在誤差理論部分講解物理（實驗）發展歷史環節，教學目標是勾勒出本課程的大致框架，清楚課程的來龍去脈，在課程思政要素挖掘方面側重顯性元素：歷史發展觀。以弓箭為例，講解其主要利用物體彈性原理，結合漢朝的將軍李廣，憑借百步穿楊的絕技，屢屢打敗匈奴的歷史事件，以古鑒今，激發學生的學習期望，并培養學生的家國情懷與國際視野，增強學生的民族自信與文化自信，賦予擔當的使命感與責任感，從而實現思政目標，課后給學生布置觀看CCTV“聚元號弓箭”，其制作工藝列入國家級第一批非物質文化遺產視頻名錄。在進入實質性的實驗教學過程中，例如，電磁學實驗望遠鏡，教學目標是掌握望遠鏡結構與功能，理解望遠鏡對天文觀測的重要性。同樣挖掘隱性元素即科學精神、家國情懷、民族自豪感。思政映射與融入點采用追蹤前沿，以我國開創了建造巨型望遠鏡的新模式，建設了反射面相當于30個足球場的射電望遠鏡的500米口徑球面射電望遠鏡——“中國天眼”為例，學生學習科學家為實現這一目標我國科學家二十年磨一劍，“勇攀高峰、敢為人先”“追求真理、嚴謹治學”科學家精神，感受大國工匠，匠心筑夢。圖3給出了學生在課后觀看《大國工匠》的部分剪影，學生在進行思政內化過程中也表達了自己的認識和感受。通過此方式，將知識傳授與科學精神、人文精神培養有機融合，內化為學生的正向“心法”，是增強大學生學習內驅力的重要途徑。

四? 實施以賽促學提能力

筆者所在教學團隊積極探索提高學生理論素養和創新能力訓練的新途徑，重視學生綜合實踐能力的提高、突出創新創業能力的培養。進一步指導學生參加競賽，加強交流。其中，關注的焦點賽事是全國大學生物理實驗競賽（創新）。 該賽是全國普通高校大學生競賽排行榜中唯一的物理類競賽，在全國范圍內具有廣泛的影響力。2019—2023年，該競賽年均500多所高校2 000多支隊伍參賽，寧夏大學通過校內選拔賽出了5支隊伍進入入圍賽（每所高校限報5支隊伍），圖4為部分參賽作品（講課和制作），歷經全國賽初賽和決賽，取得了不錯的成績，同時筆者被評為優秀指導教師，部分獲獎證書如圖5所示。以學科競賽驅動學生化被動為主動，且深度學習專業知識，讓教學更接地氣，從而豐富學生的專業知識儲備。據統計，參加競賽的同學后續保研、考研率達到98%，參加工作后3年內職業進階的達到80%，5年內職業進階達到90%，這表明課題組實施的課程建設充分符合社會層面的需求標準，從而實現“產”聯“學”，構建了新工科人才實踐水平培養的重要途徑，充分發揮了新工科專業人才實踐水平形成的重要要素作用。

五? 制定多元的考核評定方式

考核方式影響著教與學的方向，也是檢驗實驗教學效果的重要手段。以往的大學物理實驗教學環節偏單一化，必然聯動考核的單一性，即多以最后提交的實驗報告為打分依據，從而脫離了過程，如操作情況和解決問題的能力。本課題組在前述的ODEC四個環節基礎上，提出“1+1+X”模式的考核。第一個“1”是指含課前預習權重30%、課中實驗操作權重30%、實驗報告數據處理權重40%的過程考核。其中，課前預習包括課前觀看微課、完成題庫練習題至少一套和預習報告的撰寫（不再是機械照抄，而是要求在理解基礎上寫其精華部分）。課中實驗操作部分通過課堂上教師巡查每名學生操作的具體情況，包括規范性、真實性、科學性和合理性，認可后簽字，給出學生操作成績。課后學生完成并提交實驗報告，教師對實驗報告的考察聚焦在數據處理情況、誤差分析情況和問題與討論，且最后的部分必須體現“課程思政”要素。第二個“1”是指對綜合性實驗的考核，體現實踐性評價，教師給出若干設計實驗項目，學生根據自己的興趣組隊，撰寫實驗方案，利用現有實驗儀器完成實驗，以小論文形式提交并進行答辯。“X”主要聚焦創新性評價，指與大學物理實驗關聯度較大的成果如科技競賽、論文或者專利，根據成果質量在前述兩種考核成績中額外加分。

圖6給出了2018年9個專業的大學物理實驗平均分數，以此為基準統計2019—2023年的成績變化，如圖7所示。從圖7中可以看到，2020年和2021的成績普遍下降，主要是因新冠感染疫情之故，導致授課形式和學習方式的局限性。2022年和2023年連續成績出現了很大提升，成績提升率最高約16.8%。這是一個可喜的趨勢，初步表明“1+1+X”體現了多樣化成績考核模式，“指揮”教與學上升到理論與實踐并重的層面，具有兼顧過程、結果和拓展的特點。

六? 結束語

大學物理實驗作為理工科專業公共必修課程，受眾面廣、教學改革意義深遠。課題組通過升級了教學內容、優化了教學方法、拓展了教學內涵，構建了ODEC四個環節的教學模式，豐富了實踐課程教學資源，具有可操作性，有效彌補了以往大學物理實驗單一授課的不足，構成了知識傳授、能力培養、價值塑造協同育人模式。探索了適宜于新工科理念的物理課程教改方向的路徑。由于教情與學情的動態性，課題組將持續努力在教學實踐中不斷完善，課程已取得的成果為促進兄弟院校課程建設起到拋磚引玉的作用。

參考文獻：

[1] 楊文斌.產學深度融合新工科專業人才培養探索與實踐[J].高等工程教育研究，2020（2）：54-60.

[2] 胡波，馮輝，韓偉力，等.加快新工科建設，推進工程教育改革創新： “綜合性高校工程教育發展戰略研討會”綜述[J].復旦教育論壇，2017，15（2）：20-27，2.

[3] 陳磊，辜方清，吳孟波.“新工科”背景下的人工智能課程建設[J].創新教育研究，2021，9（1）：5-8.

[4] 孟艷艷，賈長洪，劉萌.新工科背景下基于CDIO 工程教育理念的應用型本科院校人才培養研究[J].高教學刊，2021（3）：152-155.

[5] 張德錢，黃澤超，張玉芹.適應新工科的地方本科高校大學物理實驗教學改革探索[J].輕工科技，2020，36（12）：171-172.

[6] 教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會，物理基礎課程教學指導分委員會.理工科類大學物理實驗課程教學基本要求[M].北京：高等教育出版社，2010.

[7] 馬文蔚，周雨青，解希順，等.物理學（上冊）[M].7版.北京：高等教育出版社，2020.

[8] 徐瑛，王思涵，李海軍.基于新工科背景下大學物理實驗課程的改革探討[J].大學物理實驗，2021，34（2）：126-128.

[9] 周國泉，王悅悅，倪涌舟，等.“思政引領，育人壓艙，學術揚帆”——大學物理課程思政的探索與實踐[J].高教學刊，2021，7（28）：185-189.

[10] 劉艷，王長昊.OBE理念下大學物理實驗課程教學模式的探索與實踐[J].大學物理實驗，2023，36（6）：136-138.

[11] 李莉，裴藝麗，張師平，等．新工科大學物理實驗課程教學調研與改革實踐[J].物理與工程，2021，31（6）：174-182.

[12] 蓋磊，李文東，李春.大學物理實驗課程分層級學習支持研究與實踐[J].物理與工程，2021，31（5）：143-146.

[13] 曾建成，楊有貞.大學物理實驗（微課版）[M].武漢：華中科技大學出版社，2021.

[14] 習近平：把思想政治工作貫穿教育教學全過程開創我國高等教育事業發展新局面[N].人民日報，2016-12-09（01）.

基金項目：教育部2022年第二批產學合作協同育人項目“構建新工科背景下的大學物理演示實驗基地”（220802557073031）；寧夏區級一流本科課程“大學物理實驗”（寧教辦函[2023]103號）

第一作者簡介：楊有貞（1979-），女，回族，寧夏吳忠人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為大學物理實驗課程教學改革。