OBE理念下大學物理實驗課程教學模式的探索與實踐

劉 艷,王長昊

(吉林化工學院 理學院,吉林 吉林 132022)

大學物理實驗課程是高等學校理工科類學生的基礎課程,學生通過系統學習實驗方法和技能訓練,系統了解科學實驗的過程環節,加深對大學物理理論知識的理解和掌握,對培養學生的理論聯系實際的實踐能力和綜合素質具有重要作用[1-2]。隨著科技的發展和社會的進步,學生更新學習新知識、新課程體系的需求日益增加,大學物理實驗課作為傳統課程其課時數相應縮減。在這種情形下,需要教師不斷改進其教學方法,在保證其教學效果的同時進一步提高教學質量。因此,眾多高校紛紛推出了改革措施,增設綜合設計實驗,建設開發實驗室,進行分層次教學等。同時隨著數字時代的到來,教學形式、教學平臺呈現多樣化。面對形式多樣的教學模式,在教學過程中難免出現了過多重視教學形式而忽視教學內容及學生的應用反饋。在這種情況下,物理實驗教學需有效結合信息化的教學手段的同時創新教學理念及模式,提升學生自主學習能力及創新意識[3-5]。

1 傳統大學物理實驗教學現狀

1.1 課前預習階段

學生課前預習過程多數是通過書本,只能對理論知識進行預習完成。單純地把實驗書本上的實驗原理、裝置結構、測量方法機械地抄寫在預習報告上,只能憑借書本上儀器的圖片了解儀器設備的原理及使用方法。無法建立對實驗的直觀認識。學生缺少對實驗的操作的觀察和獨立思考。

1.2 課堂教學階段

在傳統的教學活動中,由于多數高校實驗課時緊張,學生通常需要在規定時間內完成教學任務。整個教學活動中學生被動地忙于調節儀器、測量數據。把精力放在快速獲得實驗數據上,導致缺少對實驗原理、實驗過程的思考和深入研究的動力。同時教師在制定實驗教學任務時,忽略了與實驗內容相匹配的知識拓展、綜合性應用及創新研究。

1.3 課后考核評價階段

實驗考核評價以教師為主導。最終實驗考核成績由預習報告成績、課堂操作成績、實驗報告成績三部分組成。整體評價過程過于關注實驗結果,缺乏對課中及課后拓展學習過程的評價。

傳統實驗教學過程忽視了學生自主學習能力、思考能力及創新能力的培養。物理實驗教學改革應當著力轉變教育理念,突破學生被動學習的局面為自由探究式學習,激發學生的學習興趣,為提升學生動手操作能力、自主學習意識和創新意識的培養奠定堅實的基礎。

2 基于OBE理念的大學物理實驗教學活動模式

成果導向教育OBE理念(Outcomes Based Education)來源于80年代美國提出的基于“學習產出,以成果為本”教育改革思想[6]。教師對學生最終學習活動應達到的能力及水平有明確的目標,圍繞學習產出目標制定適合的教學活動來保證學生的學習活動能夠實現這些預期目標[7,8]。以學生為主,強調學生終身學習的可持續性的能力培養,充分調動學生教學活動過程中的主動性和積極性,以提高學生的分析問題和解決問題及創新、創造能力為目標的創新教學模式[9,10]。

本研究根據大學物理實驗課程的實踐性較強的特點,采用OBE教育理念,以學生為主體,以教學活動過程中需要完成的任務目標為核心,以豐富的網絡資源、多媒體平臺、虛擬仿真實驗為載體,通過學生自主探索學習,引導學生完成基于實驗、而高于實驗的創新教學模式。從而實現學生綜合分析解決問題能力及探索創新能力的提高。

3 基于OBE理念大學物理實驗教學模式實踐案例

測量液體黏滯系數是大學物理實驗課程中一個基本實驗,教材中采用傳統經典的落球法測量蓖麻油的黏滯系數。此實驗原理清晰,現象直觀明顯,注重實驗操作環節。有利于培養學生基本的科學實驗素養和動手能力。同時,OBE教學理念強調“以學習成果為本”,圍繞學生的預期學習成果來設計和實施教學活動。為此根據實驗課題內容,提出以下教學目標:①學習用落球法測量液體黏滯系數,提高學生基本的動手操作能力及分析問題能力。②理解黏滯力在現實生產、生活中的意義,提升學生的科學素養。③了解并設計測量液體黏滯系數的多種方法,培養學生創新拓展能力。教師以支撐教學目標為出發點,選擇教學內容,精心設計教學環節。教學設計如下:

3.1 課前預習階段

教師在互動教學平臺發布教學目標、教學任務,虛擬仿真操作實驗鏈接及預習自測習題,學生通過解答自測習題加深對實驗原理、實驗設計的理解。例如,在本實驗中設計如下預習自測問題:①什么是黏滯力?②若小球直徑大于2 mm,使得雷諾系數大于0.1,如何計算黏滯系數?

學生根據教師發布的實驗課程任務,進行自主學習,通過查閱書本及課外資料,完成虛擬仿真模擬操作實驗,了解掌握落球法測蓖麻油黏滯系數的實驗條件、實驗方法步驟及操作注意事項,數據處理過程中的黏滯系數及雷諾系數的計算。通過學習通互動學習平臺,學生可直接在預習過程中遇到的問題及想法反饋給老師。

3.2 課堂實踐教學階段

進入實驗實踐階段,教師再次發布與實驗操作相關的問題,在本實驗教師提出如下問題:①為什么落球要在圓筒中心軸線垂直下落如果落球偏離中心軸線下降,值有什么變化?②分析實驗中誤差的主要來源。③實驗時,若小球表面粗糙,有塵埃、油脂,將產生哪些影響?

學生進入實驗室后按之前預習內容獨自完成實驗課題,在操作過程中,通過對教師發布的一系列問題的思考、討論回答,更深刻地理解、掌握實驗相關的知識。在實驗過程中遇到的問題可多人合作小組討論,通過深入思考、討論交流,充分調動學生學習的積極性和主動性,其自我學習能力也得到提高。教師觀察學生實驗操作進展情況,對學生提出的問題及時反饋。

3.3 課外拓展與延伸階段

在完成基本實驗教學內容基礎上,根據OBE教育理念,把與教學內容相關的延伸開放題目須達成產出目標發放給學生,學生根據自己的興趣,收集、查閱相關資料,根據實驗室現有的實驗器材,自主完成實驗設計,實驗方案的制定。通過數據處理、實驗分析得出其自主設計實驗的可行性與準確性。

在落球法測液體黏滯系數這一實驗課題研究過程中,學生通過對基本落球法測量原理及實驗環節的學習實踐,查閱文獻資料,對比多種測量液體黏滯系數方法的特點,根據身邊現有的實驗器材,通過與老師討論分析改進,自擬出利用智能手機軟件測液體黏滯系數的實驗方案。搭建的實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗器材及裝置

學生通過數據記錄、查閱資料、學習研究數據誤差處理方法,自主完成本實驗數據處理和實驗分析,如圖2所示,通過數據分析論證了實驗的可行性。并對溫度、裝置的穩定性及彈簧的勁度系數,這些可能影響實驗結果因素及處理的方法進行分析。鍛煉了學生撰寫報告的科研分析總結能力。通過這一階段自我探究學習過程,踐行了OBE教育理念。培養學生的分析問題、解決問題及獨立思考探究能力。提升學生理論聯系實際能力及創新思維的培養。實現全方位高效育人。

圖2 實驗數據分析

3.4 實驗評價及反饋

教師綜合學生實驗預習、課堂操作及實驗拓展與延伸三方面的成果給予評價,學生對自己本次實驗的心得與收獲在學習通進行分享。同時,教師引導學生積極參加物理實驗競賽、大學生創新、創業培訓項目。通過一系列后續的教學活動跟進,既深化學生對實驗知識、基本能力的掌握,又鍛煉其組織、協作、交流能力。教師從學生參與的后續各類型活動中得到真實、有效的教學質量反饋。由“封閉課堂”發展到“開放教學”,實現真正意義上的教學活動可續性發展OBE教學理念。

4 結 論

將“以特定的學習成果輸出”OBE教育理念融入到大學物理實驗課程中進行改革實踐,圍繞學生預期教學成果來設計和實施教學活動。對課前預習、課堂實踐教學、課外拓展與延伸、實驗評價及反饋一系列教學活動進行初步探索和實踐,整個教學過程強調“以學生為中心”開展自主探究學習,從中培養學生分析、解決問題,理論聯系實際、團隊協作、交流表達、挫折應對等綜合能力。這些能力的培養對學生后續投身于社會中的自身可持續性學習活動是必不可少的。這是教育教學活動的最終培養產出目標。