基于OBE的大學(xué)物理實驗課程體系建設(shè)

苗永平，孫二平，李忠麗，于 陽，馬寒露，劉維慧

(山東科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山東 青島 266590)

大學(xué)物理實驗是對理工科學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實驗基本訓(xùn)練的必修課程。作為一門實驗學(xué)科，它在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、活躍的創(chuàng)新意識、理論聯(lián)系實際和適應(yīng)科技發(fā)展的綜合應(yīng)用能力等方面具有其他實踐類課程不可替代的作用[1-3]。

最近幾年，國家教育部門密集出臺了一系列指導(dǎo)文件，要求消滅“水課”、建設(shè)“金課”，打造一流課程，以人為本，提高人才培養(yǎng)能力和人才培養(yǎng)質(zhì)量。國家高等教育部門和高校教育研究專家對政策進(jìn)行了深入的解讀，各高校從事物理實驗教學(xué)的一線教師也從實戰(zhàn)角度開展了較多研究和實踐探索[4-6]。

山東科技大學(xué)物理實驗中心自2009年獲批“省級工科物理實驗教學(xué)示范中心”以來，深入研究和踐行OBE教育理念，堅持“以學(xué)生為本、以能力培養(yǎng)為核心，融合知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展”的指導(dǎo)思想，逐步形成一套系統(tǒng)的、切實可行的大學(xué)物理實驗課程體系，為地方性應(yīng)用型高等工科院校開展物理實驗教學(xué)提供了積極的參考意義。

1 OBE理念的產(chǎn)生和推廣

成果產(chǎn)出導(dǎo)向(Outcome-based education,OBE)的教育理念在20世紀(jì)80年代初由美國學(xué)者Spady提出，并被美國、英國、加拿大等國家作為教育改革的主流理念[7]。我國教育界對OBE教育理念進(jìn)行了深入的理論研究和實踐探索,不但闡明了成果產(chǎn)出導(dǎo)向的深刻內(nèi)涵，還為教育理念的具體實施提供了可操作性強的指導(dǎo)方案和可參考借鑒的生動案例，為我國教育教學(xué)改革做出了重大貢獻(xiàn)[8-13]。

2 OBE理念對大學(xué)物理實驗課程體系建設(shè)的指導(dǎo)意義

雖然針對大學(xué)物理實驗課程教學(xué)改革的研究和探索從未停止，但大多數(shù)高校物理實驗教學(xué)中仍普遍存在較多問題，主要表現(xiàn)在五個方面。一是課程總體目標(biāo)不清晰，或者以傳授知識為主，或者說和做兩層皮，與新時期全面培養(yǎng)學(xué)生知識、能力和素養(yǎng)的需求不符。二是“散”，即課程與各具體實驗項目以及各實驗項目之間關(guān)系松散，邏輯性差、綱目不清。三是教學(xué)模式守舊，以傳統(tǒng)的“老師設(shè)計和講授實驗、學(xué)生做實驗”為主，學(xué)生被動接受多、思考少。四是內(nèi)容陳舊、過程機械，老師沒有主動研究科技前沿技術(shù)、實驗技術(shù)和先進(jìn)教學(xué)方法的動力，只是照搬前人或者教學(xué)儀器說明書上的內(nèi)容，缺乏外延和拓展，照本宣科的流程化、機械化講授，學(xué)生興趣乏乏。五是課程質(zhì)量評價機制缺失。表現(xiàn)為單純對老師“教”或者對學(xué)生“學(xué)”的評價，或者單一的結(jié)果性評價，或者沒有持續(xù)改進(jìn)的一次性評價。

以上問題涵蓋了課程目標(biāo)設(shè)計、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)工具、教學(xué)方法、課程評價等各環(huán)節(jié)的不足，所謂“根在課外”，需要系統(tǒng)解決。OBE教育理念強調(diào)“成果產(chǎn)出導(dǎo)向”“以學(xué)生為中心”“持續(xù)改進(jìn)”以及“反向設(shè)計、正向?qū)嵤?，提供了全面而系統(tǒng)的指導(dǎo)思想和具體的操作方法，是解決現(xiàn)有問題的良方妙藥。

3 基于OBE的大學(xué)物理實驗課程體系設(shè)計

自2009年開始研究和踐行OBE教學(xué)理念，至2020年最新一版教學(xué)大綱編制完成，山東科技大學(xué)基本形成了一套完整的物理實驗教學(xué)體系。該體系既考慮了物理實驗對學(xué)生基礎(chǔ)知識、基本能力的培養(yǎng)，又兼顧新時期對人才高階工程技術(shù)能力和工程素養(yǎng)的訓(xùn)練，而且具有很好的可實施性。

3.1 課程目標(biāo)

課程目標(biāo)是課程本身要實現(xiàn)的具體目的和意圖，是開展所有教學(xué)活動所要依據(jù)的準(zhǔn)則。OBE理念確定培養(yǎng)目標(biāo)有兩條原則：一是培養(yǎng)目標(biāo)要滿足內(nèi)外部需求，二是培養(yǎng)目標(biāo)要表達(dá)精準(zhǔn)[9]。根據(jù)學(xué)校大學(xué)物理實驗課程的實際情況，確定需求主要來自三個方面。第一，來自校內(nèi)各專業(yè)依據(jù)《工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)》分解出對課程指標(biāo)點的需求，形成對專業(yè)的指標(biāo)支撐，這是外部需求，也是基本需求；因為物理實驗要面對多個專業(yè)，其需求是有差別的，故需充分調(diào)研、分析與綜合。第二，來自新時期教育部門關(guān)于高等學(xué)校深化教育教學(xué)改革指導(dǎo)文件的要求，要深入研究其精髓和內(nèi)涵，將其融入課程體系中，屬于外部需求。第三，來自課程實施方所在學(xué)校、學(xué)院對課程的定位，這是課程自身發(fā)展建設(shè)的需求，即內(nèi)部需求。

基于以上原則和需求，教學(xué)團隊認(rèn)真學(xué)習(xí)各類指導(dǎo)文件和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，充分調(diào)研，并結(jié)合課程自身建設(shè)需要，形成了立足于“基礎(chǔ)知識、工程能力和科學(xué)素養(yǎng)”的大學(xué)物理實驗課程目標(biāo)，具體如表1所示。

表1 課程目標(biāo)解析

上述三個目標(biāo)之間存在嚴(yán)密的邏輯關(guān)系。首先，基礎(chǔ)知識是所有能力和素養(yǎng)的根基，通過《大學(xué)物理實驗》課程的學(xué)習(xí)，能夠讓學(xué)生掌握與物理和實驗有關(guān)的自然科學(xué)知識、工具性基礎(chǔ)知識，為形成包括基本概念、基本原理、基本方法在內(nèi)的扎實且寬廣的工科知識體系做好拼圖，也為工程能力和科學(xué)素養(yǎng)奠定堅實的基礎(chǔ)。其次，基本能力是在掌握基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)上通過組裝、調(diào)試、觀察和測量等實踐行為培養(yǎng)和鍛煉出來的，再通過思考對實踐結(jié)果進(jìn)行總結(jié)、判斷，形成有效結(jié)論，最后借助基礎(chǔ)知識分析結(jié)論的正確性、提出解決方案。此過程一方面培養(yǎng)了各種基本能力，反過來加深了對基礎(chǔ)知識的理解，兩者相互促進(jìn)，符合“理論到實踐，再到理論”的認(rèn)知規(guī)律。再次，素養(yǎng)是在一次次細(xì)心裝調(diào)、一次次精準(zhǔn)測量和一份份規(guī)范的實驗報告撰寫中養(yǎng)成，離開了實踐，素養(yǎng)則變成了“無源之水、無本之木”。如果說基礎(chǔ)知識和工程能力是“外化于行”，科學(xué)素養(yǎng)則是“內(nèi)化于心”。課程目標(biāo)的邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1 課程目標(biāo)邏輯關(guān)系示意圖

3.2 課程內(nèi)容和特點

根據(jù)以上課程目標(biāo)，結(jié)合自身教學(xué)資源狀況，教學(xué)團隊從眾多實驗項目中選擇31個有代表性的列入教學(xué)大綱。山東科技大學(xué)是一所工科優(yōu)勢突出、行業(yè)特色鮮明的應(yīng)用基礎(chǔ)型人才培養(yǎng)高校，為了滿足全校各理工科專業(yè)建設(shè)和發(fā)展的需要，結(jié)合OBE理念的核心思想，對課程內(nèi)容做了精心設(shè)計。

第一，整體性。各實驗項目分屬不同的知識領(lǐng)域，其實驗儀器、實驗方法也不相同，對培養(yǎng)學(xué)生的貢獻(xiàn)維度各有側(cè)重。比如同樣是光學(xué)實驗，邁克爾遜干涉實驗側(cè)重于光學(xué)調(diào)試能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，分光計實驗側(cè)重以光學(xué)儀器和光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的思想，而楊氏模量實驗則以材料的應(yīng)變特性研究和光放大實驗法培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科研究的意識和能力。不同的實驗項目有不同的目標(biāo)，它們之間相互獨立又緊密聯(lián)系，形成一個有機整體，共同支撐大學(xué)物理實驗總體課程目標(biāo)達(dá)成。

第二，模塊化。綜合分析各專業(yè)特點，實施優(yōu)化組合，將所有專業(yè)劃分為信息與電氣類、地礦與測繪類、機械與材料類、化工與環(huán)境類、土建與水利類5大專業(yè)模塊。根據(jù)專業(yè)模塊需求，配置不同的實驗項目。這種教學(xué)模式既能保證實驗教學(xué)資源的最大化利用，又能兼顧專業(yè)發(fā)展，是一種高效的資源配置方法，具體實驗?zāi)K如表2所示。

第三，分層化?？紤]學(xué)習(xí)的一般規(guī)律和課程目標(biāo)，將實驗項目分為基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗和設(shè)計性實驗三個層次，并按照從低到高、從基礎(chǔ)到前沿、從接受知識型到培養(yǎng)綜合能力型的逐級提高的教學(xué)規(guī)律組織實驗教學(xué)。既能適應(yīng)低年級學(xué)生的接受能力，又能達(dá)到較高的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)。

31個實驗項目中，基礎(chǔ)性實驗14個，占比45.1%；綜合性實驗15個，占比48.3%；設(shè)計性實驗2個，占比6.4%。

表2 實驗?zāi)K劃分表

第四，為了滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，根據(jù)實驗項目的內(nèi)容和特點將實驗項目的內(nèi)容分為必做和選做兩部分。必做內(nèi)容側(cè)重于“精、熟”，即理解實驗知識、熟練操作實驗設(shè)備、掌握方法，面向全體學(xué)生。選做內(nèi)容是對必做內(nèi)容的拓展，側(cè)重于實驗原理深入探究、知識與方法的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生主動思考、研究分析能力，面向?qū)W有余力且有積極探索精神的學(xué)生。50%以上的實驗設(shè)有選做內(nèi)容。

3.3 課程質(zhì)量評價

OBE教育理念強調(diào)“持續(xù)改進(jìn)”，要求能夠建立具有“評價-反饋-改進(jìn)”循環(huán)特征的持續(xù)改進(jìn)機制[14]。教學(xué)團隊經(jīng)過長期研究和摸索，制定了“六三三”課程質(zhì)量評價機制，如圖3所示。

圖3 “六三三”課程質(zhì)量評價機制示意圖

首先，評價主體是多元的。根據(jù)課程相關(guān)度分析，評價主體涵蓋了教師、學(xué)生這兩個直接相關(guān)方以及教學(xué)組、專委會、督導(dǎo)和各理工科專業(yè)四個間接相關(guān)方。六方在評價機制中各負(fù)其責(zé)，各有側(cè)重。教學(xué)組負(fù)責(zé)課程質(zhì)量評價方案編制以及達(dá)成度評價，并提出改進(jìn)意見。專委會則以教學(xué)專家的身份對總體方案把控和評價，側(cè)重于方案實施前的合理性評價以及方案改進(jìn)有效性的評價，屬前置評價。教師是課堂教學(xué)的具體實施者，負(fù)責(zé)實驗項目實施過程以及教學(xué)結(jié)果的分析和評價；學(xué)生作為利益接收方，負(fù)責(zé)對自身學(xué)習(xí)結(jié)果及教師教案設(shè)計、教學(xué)方法、專業(yè)能力等方面評價；督導(dǎo)負(fù)責(zé)課堂教學(xué)實施過程中教師和學(xué)生狀態(tài)的評價，屬過程評價；各理工科專業(yè)則從客戶角度對課程實施效果評價，并提出改進(jìn)意見，屬事后評價。

其次，評價機制包括三個循環(huán)，一是課程總體質(zhì)量評價大循環(huán)，二是具體實驗項目質(zhì)量評價小循環(huán)，三是課堂過程質(zhì)量評價微循環(huán)。三個循環(huán)覆蓋了全部教學(xué)過程，可以說，只要有教學(xué)活動就有質(zhì)量評價。

再次，該評價機制由低到高、從微觀到宏觀設(shè)計有課堂教學(xué)、實驗項目目標(biāo)和課程目標(biāo)三個層級的評價。課堂教學(xué)評價來自學(xué)生在實驗過程中的表現(xiàn)，需要實驗教師密切關(guān)注學(xué)生的課堂表現(xiàn)，并隨時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、順序或者方法，保證當(dāng)堂或者下一堂課即產(chǎn)生效果。因此課堂教學(xué)評價必須保證高度的機動性、及時性和靈活性。它是動態(tài)的，可以沒有固定的格式和要求，也不需要書面的報告。實驗項目評價則至少以學(xué)期為周期，綜合考慮學(xué)生實驗成績、問卷調(diào)查和督導(dǎo)三個方面的結(jié)果，評價具體實驗項目的目標(biāo)達(dá)成度，并根據(jù)結(jié)果調(diào)整教學(xué)方案，在下一個授課周期實施。課程評價則以學(xué)年為周期，綜合各實驗項目的表現(xiàn)和各理工科專業(yè)的評價，形成課程目標(biāo)達(dá)成度。

4 實踐和總結(jié)

山東科技大學(xué)物理實驗中心以O(shè)BE教育理念為指導(dǎo)思想，經(jīng)過十多年的研究、探索和實踐，逐步形成一套相對成熟、完整且可執(zhí)行性強的大學(xué)物理實驗教學(xué)體系。依據(jù)該教學(xué)體系，物理實驗中心在學(xué)生培養(yǎng)、教師成長、教學(xué)方面取得了較好的成績，現(xiàn)將最近五年成果展示如下。學(xué)生培養(yǎng)方面，每年完成約5000名學(xué)生的大學(xué)物理實驗教學(xué)任務(wù)，每年組織并指導(dǎo)學(xué)生參加山東省物理科技創(chuàng)新大賽，獲得一等獎11項、二等獎和三等獎若干項，指導(dǎo)學(xué)生完成10余種自制教學(xué)儀器開發(fā)。教學(xué)研究和改革方面，承擔(dān)教育部高等學(xué)校教學(xué)研究項目1項，獲得全國煤炭行業(yè)教學(xué)成果二等獎1項，承擔(dān)教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目10余項，承擔(dān)校級教學(xué)改革項目5項并獲得特等獎和一等獎各1項，發(fā)表教學(xué)研究論文30余篇，出版大學(xué)物理實驗行業(yè)規(guī)劃教材2部。教師成長方面，培養(yǎng)“泰山學(xué)者青年專家”1名，承擔(dān)山東省教育廳“山東省高等學(xué)校青創(chuàng)人才引入計劃”建設(shè)團隊項目2項，獲得校級優(yōu)秀教學(xué)團隊1次。

綜上所述，以O(shè)BE理念為指導(dǎo)思想的大學(xué)物理實驗教學(xué)體系目標(biāo)清晰、內(nèi)容銜接緊密且邏輯性強，課程質(zhì)量評價機制客觀有效，對地方性應(yīng)用型高等工科院校開展物理實驗教學(xué)提供了積極的借鑒意義。