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(yè)的必修基礎(chǔ)課,大學物理實驗課程在培養(yǎng)學生科學素質(zhì)和創(chuàng)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(tǒng)教育思想設(shè)計的,具有知識系統(tǒng)性強、內(nèi)容深、理論性強等特點。在知識爆炸、科學技術(shù)飛速發(fā)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(xiàn)于美國和澳大利亞的基礎(chǔ)教育改革[5-8]。OBE是以預(yù)期學習產(chǎn)出為中心來組織、實施和評價教育的結(jié)構(gòu)模式,而定義畢業(yè)生預(yù)期學習產(chǎn)出是首要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[9-10]。參照歐美經(jīng)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(xiàn)預(yù)期學習產(chǎn)出,所有的教學計劃和課程內(nèi)容都是遵循“回溯式設(shè)計”原則,實現(xiàn)完整的匹配矩陣。我國工程教育認證通用標準中,對于畢業(yè)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(xùn)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(nèi)驅(qū)學習與自主發(fā)展的能力、創(chuàng)新意識與創(chuàng)造性思維、交流與溝通能力、合作與協(xié)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(gòu)建并設(shè)計了全新的實驗課程體系。

1 OBE理念下以“解決復(fù)雜工程問題”為目標的大學物理實驗體系重構(gòu)

物理學史中每一個問題的解決都依賴于數(shù)學、自然科學、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識的綜合運用,尤其是經(jīng)典的物理實驗內(nèi)容,更是復(fù)雜工程問題完美解決的典范。因此測量物理量并找出規(guī)律的過程,既是解決復(fù)雜工程問題的過程,又是創(chuàng)新創(chuàng)造的過程。

為了實現(xiàn)培養(yǎng)具備綜合的科學素質(zhì)和創(chuàng)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(zhì)”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(nèi)容和實驗方式進行重構(gòu),使物理實驗教學重歸“測量物理量并找出規(guī)律(麥克斯韋)”這一最本質(zhì)、最樸實的愿景。圖1是生產(chǎn)生活中經(jīng)常測量的一些物理量。

圖1 生產(chǎn)生活中經(jīng)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(xié)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(xié)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(chuàng)新實驗的設(shè)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(nèi)調(diào)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(xié)作解決實際問題時的溝通與交流的障礙。

為此,設(shè)計“以問題驅(qū)動”的跨學科交叉創(chuàng)新實驗項目,同時設(shè)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(chuàng)新與設(shè)計”“體驗創(chuàng)客”課程已連續(xù)開設(shè)4年,該課程有效地聯(lián)結(jié)大學物理、大學物理實驗及學生科技創(chuàng)新活動,深受廣大學生歡迎,主講教師獲得本科教學優(yōu)秀通識教育選修課程教師稱號,其相關(guān)研究成果于2015年發(fā)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(qū)動的跨學科交叉創(chuàng)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(yǎng)方面開展合作互動,拓寬學生學術(shù)視野、孕育知識創(chuàng)新的目的。一方面,為大學生創(chuàng)新的想法提供生長的土壤和環(huán)境；另一方面,通過合作的牽引,推動學科交叉的本科生培養(yǎng)新機制的建立。

實踐證明OBE理念下的大學物理學科交叉創(chuàng)新實驗的設(shè)計與實施培養(yǎng)了學生的“創(chuàng)新意識與創(chuàng)造性思維”。在學校的高度重視下,我院設(shè)立了“專題立項”經(jīng)費5萬元,該經(jīng)費專用于“物理儀器創(chuàng)新設(shè)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(xù)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(chuàng)新設(shè)計大賽”目前已連續(xù)舉辦4屆,共產(chǎn)生300余件優(yōu)秀作品,其中部分優(yōu)秀作品經(jīng)過進一步的包裝、轉(zhuǎn)化,已經(jīng)充實到大學物理演示實驗教學當中。另外，本校大學生創(chuàng)業(yè)團隊自成立以來,受到了國家大學生創(chuàng)業(yè)實踐項目的支持與資助,參加了“紅博五四杯創(chuàng)業(yè)計劃競賽”并斬獲銀獎。項目受到多家媒體的關(guān)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(xiàn)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(yǎng)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。大學物理實驗課程是以培養(yǎng)學生運用所學知識解決實際問題為目標,課程考核應(yīng)以綜合能力考核為主要內(nèi)容,但現(xiàn)用的大學物理實驗課程考核側(cè)重知識的掌握程度而非知識的運用能力,表現(xiàn)為評價主體過于單一、評價內(nèi)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(yù)期學習產(chǎn)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(huán)節(jié)將大學物理實驗、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)環(huán)節(jié)貫通起來。將“解決復(fù)雜工程問題”的能力有機地導(dǎo)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(nèi)容,除驗證型基礎(chǔ)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(jù)自身的特長、興趣方向選擇題目并自組協(xié)同小組完成實踐考核內(nèi)容。

為了使創(chuàng)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(chuàng)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(chuàng)新實踐活動,并將在物理創(chuàng)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(fā)了學生參加物理創(chuàng)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(jié)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(yè)認證對基礎(chǔ)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(xiàn)狀入手,系統(tǒng)研究體現(xiàn)OBE理念的實驗教學設(shè)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(chuàng)新科研立項的帶動下,帶領(lǐng)學生自主設(shè)計研制了20多種反映物理學新成就和有高新技術(shù)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(nèi)同行的好評。