楊先衛(wèi) 陳秋紫 趙小云 楊雄波

(三峽大學理學院 湖北 宜昌 443002)

1 前言

大學物理是面向高等學校理工科非物理專業(yè)本科生開設的專業(yè)基礎課,是達成工程教育認證標準中“科技創(chuàng)新基礎能力培養(yǎng)”的核心課程．教育部《高等學校基礎研究珠峰計劃》和《非物理類理工科大學物理課程教學基本要求》中都明確提出要推動基礎學科與應用學科均衡協調發(fā)展,發(fā)揮基礎學科對人才培養(yǎng)的重要作用,指明大學物理課程在培養(yǎng)學生掌握科學研究方法、科學思維方式和創(chuàng)新能力等方面是其他課程不可替代的．在新工科發(fā)展進程中,物理學的先導和基礎作用將更加顯著和重要,未來技術的進步將極大地依賴物理學的前沿進展[1],其意義是不言而喻的．正因為如此,構建既注重與新工科相對應的基礎物理知識,又強化對現代高端工科人才創(chuàng)新思維的基礎培養(yǎng),及對科學研究方法的基礎訓練的新型大學物理教學體系在新工科人才培養(yǎng)中具有非常重要的基礎性意義．

2 傳統大學物理教學中存在的問題

2.1 學生學習過程中存在的3個不足

在傳統的大學物理教學體系下,教師采取講授式為主的教學方法,按照教材體系力求將每個概念和定律涉及的方方面面?zhèn)魇诮o學生[2],學生在課程的學習中存在以下3個不足.

(1)大學物理基本概念、原理多,知識點多且數學推導多,基本理論規(guī)律抽象難懂,學習難度大,導致學生對物理基礎理論的深刻理解不足,深度學習活動難以發(fā)生.

(2)學生習慣被動學習,延續(xù)中學背公式、記定理、會做題的學習方法,導致學生的創(chuàng)新意識和能力發(fā)展不足,缺乏探究式學習和發(fā)現式學習活動.

(3)學生獲得了理論知識,但缺乏與專業(yè)相關的應用模型和場景的構建,難以學以致用,導致學生的物理知識與專業(yè)應用的結合不足,物理學習與后續(xù)專業(yè)學習基本脫節(jié)．

以上3個不足造成了學生主動學習意識差,挑戰(zhàn)學習難點的意愿和學習成就感低,學習興趣不高．最終導致本課程難以發(fā)揮在創(chuàng)新思維與方法、創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的基礎作用,難以為專業(yè)思想與專業(yè)能力的培養(yǎng)提供強有力的動力．

2.2 教學過程中存在的3個矛盾

形成以上3個不足的原因是由于在傳統的大學物理課程教學中存在著以下3個矛盾.

(1)物理知識的理論性、抽象性與教學生動性的矛盾．傳統教學以教師為中心,采取“滿堂灌”的方式,過分注重理論知識傳授,忽視了學生的自主學習、創(chuàng)新學習和合作學習等方面能力的培養(yǎng).

(2)教學供給的單一性與學習需要多樣性、差異性的矛盾．傳統大學物理的教學內容安排、授課和考核評價等是全班一個模式,注重所有學生的整體發(fā)展,忽視了學生學力發(fā)展差異,欠缺滿足學生個體需求的渠道.

(3)課程內容的基礎性與學習效果應用性、專業(yè)性的矛盾．傳統大學物理課程以傳授基本概念、原理規(guī)律為主,忽視應用性和前沿性的案例探討,內容脫離學生專業(yè)和相關產業(yè)需求,不能做到理論聯系實際,缺乏產研教融合,內容高階性不足．

3 跨情境融合的大學物理立體化教學體系的構建與實踐

教學的根本問題,是外部知識如何被學生獲得、占有并轉而成為學生個體的內在力量、精神財富的問題．針對傳統大學物理教學中存在的問題及其成因,筆者在多年教學實踐的基礎上,以“夯實學生基礎、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、服務專業(yè)需求、實現價值引領”為改革方向,秉持“學生中心、產研教融合”的教學理念,打破傳統模式下教師和學生的思維慣性,優(yōu)化課程目標,搭建“學研踐”立體化教學平臺,建立“產研教”融合的課程內容體系和多維立體化考評體系,實施全立體化的學習情境與學習過程,最終構建了跨情境融合的立體化教學體系．

立體化教學體系具有時空、資源、情境3個維度,3個維度相互聯系,互為支撐,如圖1所示.

第一個維度是把傳統的封閉式、標準化教學活動轉變?yōu)殚_放式、融合性、個性化的教學新時空,讓學生既能時時可學、處處可學,也能開展各種個性化、差異化的學習活動.

第二個維度是構建了3個層次的立體化教學資源,即教學包(教材、云課程、試題庫、案例庫等)、教學資源庫(文字、圖片、AVI視頻、AR動畫、2D虛擬仿真網頁、3D VR虛擬全景視頻等)及課程教學平臺.

第三個維度是通過在課內外營造學生自主、合作和創(chuàng)新式學習環(huán)境,實現基礎認知情境、科學探究情境、知識建構情境到知識拓展情境的跨情境融合教學模式．

圖1 立體化教學體系示意圖

在具體的教學實踐中,立體化教學體系由以下幾個創(chuàng)新環(huán)節(jié)所構成．

3.1 優(yōu)化了教學目標 強化能力目標和思政培養(yǎng)目標的實現

傳統的大學物理課程以達成知識傳授目標為主,學生能認知物理知識體系,獲得解決一般基礎物理問題的技能,具備一定的科學思維和素養(yǎng),在傳統教學目標中能力和思政培養(yǎng)目標明顯不足[3]．立體化教學體系在原有知識目標的基礎上,補充了物理學在生活、工程技術中的應用案例和前沿科學的研究案例,從物理學發(fā)展、課程內容、課程方法以及中國的科技成就等多個方面引領學生的自然科學觀,激勵學生的民族自信心和愛國主義情懷[4-5]．從而強化了能力目標和思政培養(yǎng)目標,突出獨立獲取知識的能力以及分析解決實際問題能力的培養(yǎng),并賦予大學物理課程思政功能．通過優(yōu)化教學目標,立體化教學體系將更加注重知識的形象化和應用性,強化了學生的主體地位,有利于解決傳統大學物理教學中存在的教學問題．

傳統教學和立體化教學體系的教學目標對比如表1所示.

表1 傳統教學和立體化教學體系的教學目標對照

3.2 重構“三階遞進”教學內容體系

重構了“三階遞進”的教學內容體系,產研學相結合,把抽象的物理問題形象化、生活化．

教學內容體系的重構以聯系專業(yè)產業(yè)、科技前沿為兩翼,研發(fā)大學物理在生產生活、工程技術和科學研究上的案例．將課程原有章節(jié)按照力學、波動光學、熱學、電磁學和近代物理劃分為相對獨立的五大篇,在滿足國家教學質量標準要求的情況下,以學生能力培養(yǎng)為主線將各單元內容重構為物理基礎、知識應用、知識拓展3個模塊,課程思政蘊含在所有模塊及其教學的全過程,從而使課程內容的教學從基礎認知、專業(yè)應用到拓展升華“三階遞進”式展開,如圖2所示,學生實現了從低階到高階,最終跨越終階瓶頸的學習．

圖2 “三階遞進”的教學內容體系示意圖

關于教學內容與學生專業(yè)的適配方面,在充分調研的基礎上,物理基礎模塊部分應針對不同專業(yè)學生所講授的內容有所側重．而在知識應用、知識拓展模塊上,結合不同專業(yè)領域和產業(yè)需求靈活設置探究課題[6]．通過產研學相結合,突出物理知識的應用,學生所學的內容更廣、更深,學生需要“跳一跳”才能完成,體現課程的高階性．同時,理論聯系實際,把抽象難懂的物理問題形象化,更貼近生活．

3.3 創(chuàng)建了“跨情境融合”的教學模式 關注能力發(fā)展與創(chuàng)新意識培養(yǎng)[7-8]

傳統的教學以教師為中心,忽略課前、課后的作用,能力培養(yǎng)不充分．跨情境融合的教學模式以學生的發(fā)展為中心,開展課前、課內、課后“三課”一體的教學活動．如圖3所示,在課前構建基礎認知情境和科學探究情境,即教師課前布置自學內容和探究課題,學生課前自學自測,組隊完成課題初探,直接認知基本概念、定理等核心知識;在課內構建知識建構情境,即教師在課內根據課程進度,適時組織學生進行課題匯報、全員研討、課堂應答等活動,通過學生的課堂質疑和教師的歸納總結,對物理學的核心知識進行重新建構和思維網絡形成;在課后構建知識拓展情境,即課后學生完成作業(yè)及課題報告,參與拓展創(chuàng)新和科普活動,拓展升華所學知識,學以致用．這種教學模式有利于培養(yǎng)學生解決復雜問題的高階能力,鍛煉勇于質疑和探索的思維,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識．

圖3 跨情境融合教學模式示意圖

3.4 構建“三維三結合”課程評價體系

構建了“三維三結合”的課程評價體系,強化能力和思政考核,促進三維目標達成．

傳統大學物理考核中對學生綜合能力和思維養(yǎng)成的考查不足,本評價體系對學生的學習成效從知識、能力、思政3個維度進行個性化、多元化的立體綜合評價,通過教學平臺精細化的過程及數據管理,實施了定量評價與定性評價、學生互評與教師評價、動態(tài)評價與靜態(tài)評價相結合的評價手段,如圖4所示.

圖4 “三維三結合”的課程評價體系示意圖

知識目標評價通過平時測試和期末考試來實現;能力目標評價通過課題探究和期未考試來實現,課題探究由探究過程、探究方法、探究成果3個環(huán)節(jié)構成;思政目標評價通過課程反饋來實現,課程反饋由探究態(tài)度、課程反思報告、課堂考勤3個環(huán)節(jié)構成．

4 立體化教學體系的實施效果

立體化教學體系突破了傳統教學時空的束縛,通過教學新時空的創(chuàng)建、立體化教學資源的推送,以及四重教學情境的構建和跨越,有效地解決了大學物理教學中存在的“3個不足”和“3個矛盾”．通過課程評價系統的反饋,以及對學生的問卷調查顯示,相比于傳統教學模式,除了掌握的物理知識面更廣、深度更大之外,大部分學生在資料搜索整理、表達溝通、PPT處理及報告、分析問題解決問題、邏輯思考、團隊合作、工程應用等多項能力和專業(yè)認知水平得到了明顯提高(圖5)．學生對課程滿意度為100%,對教師的教學評價很高．

圖5 課程評價反饋統計圖

在課程組直接指導的全國大學生物理實驗競賽和光電競賽中多名學生獲得國家級和省級獎項,為全國大學生數學建模競賽、挑戰(zhàn)杯大學生課外學術科技作品競賽等各項理工類學科競賽提供了強有力的支撐;學生通過課外科學實驗創(chuàng)新實踐,取得了一定數量的科創(chuàng)作品,并以此為素材,以科普服務隊為載體,積極參與所在市區(qū)中小學的科普宣傳活動,取得了良好的社會效果．本課程也于2020年獲批了國家級線上線下混合式一流本科課程．

5 結束語

立體化教學體系是在國家深化教育改革背景下對大學物理所做的一次深層次的改革與探索,取得了一些成效,但依然存在一些困惑．

(1)課程內容的高階性和挑戰(zhàn)度的把握需要進一步探討．不同專業(yè)學生的基礎和需求有比較大的差異,合理設置學生“跳一跳”就可以夠的著的探究課題有利于培養(yǎng)學生的積極性,但是如果拔的太高,學生不能完成,會起反效果.

(2)讓所有學生都參與課題探究式教學的方式需要進一步探討．學生性格有較大差異,能力水平有高有低,如何更有效地進行教學過程管理,特別是對在課外自學環(huán)節(jié)的監(jiān)控方面,如何充分調動所有學生參與積極討論,也是未來需要解決的問題.

(3)課程思政元素的挖掘及與教學內容的無縫銜接需要進一步探討．如何針對學生的思想認知特點,用學生喜聞樂見的方式,春風化雨的發(fā)揮育人功能,增強教師協同育人意識和能力,增強學生的思政獲得感都是需要解決的實際問題．