OBE理念下大学物理实验课程教学模式的探索与实践

刘 艳,王长昊

(吉林化工学院 理学院,吉林 吉林 132022)

大学物理实验课程是高等学校理工科类学生的基础课程,学生通过系统学习实验方法和技能训练,系统了解科学实验的过程环节,加深对大学物理理论知识的理解和掌握,对培养学生的理论联系实际的实践能力和综合素质具有重要作用[1-2]。随着科技的发展和社会的进步,学生更新学习新知识、新课程体系的需求日益增加,大学物理实验课作为传统课程其课时数相应缩减。在这种情形下,需要教师不断改进其教学方法,在保证其教学效果的同时进一步提高教学质量。因此,众多高校纷纷推出了改革措施,增设综合设计实验,建设开发实验室,进行分层次教学等。同时随着数字时代的到来,教学形式、教学平台呈现多样化。面对形式多样的教学模式,在教学过程中难免出现了过多重视教学形式而忽视教学内容及学生的应用反馈。在这种情况下,物理实验教学需有效结合信息化的教学手段的同时创新教学理念及模式,提升学生自主学习能力及创新意识[3-5]。

1 传统大学物理实验教学现状

1.1 课前预习阶段

学生课前预习过程多数是通过书本,只能对理论知识进行预习完成。单纯地把实验书本上的实验原理、装置结构、测量方法机械地抄写在预习报告上,只能凭借书本上仪器的图片了解仪器设备的原理及使用方法。无法建立对实验的直观认识。学生缺少对实验的操作的观察和独立思考。

1.2 课堂教学阶段

在传统的教学活动中,由于多数高校实验课时紧张,学生通常需要在规定时间内完成教学任务。整个教学活动中学生被动地忙于调节仪器、测量数据。把精力放在快速获得实验数据上,导致缺少对实验原理、实验过程的思考和深入研究的动力。同时教师在制定实验教学任务时,忽略了与实验内容相匹配的知识拓展、综合性应用及创新研究。

1.3 课后考核评价阶段

实验考核评价以教师为主导。最终实验考核成绩由预习报告成绩、课堂操作成绩、实验报告成绩三部分组成。整体评价过程过于关注实验结果,缺乏对课中及课后拓展学习过程的评价。

传统实验教学过程忽视了学生自主学习能力、思考能力及创新能力的培养。物理实验教学改革应当着力转变教育理念,突破学生被动学习的局面为自由探究式学习,激发学生的学习兴趣,为提升学生动手操作能力、自主学习意识和创新意识的培养奠定坚实的基础。

2 基于OBE理念的大学物理实验教学活动模式

成果导向教育OBE理念(Outcomes Based Education)来源于80年代美国提出的基于“学习产出,以成果为本”教育改革思想[6]。教师对学生最终学习活动应达到的能力及水平有明确的目标,围绕学习产出目标制定适合的教学活动来保证学生的学习活动能够实现这些预期目标[7,8]。以学生为主,强调学生终身学习的可持续性的能力培养,充分调动学生教学活动过程中的主动性和积极性,以提高学生的分析问题和解决问题及创新、创造能力为目标的创新教学模式[9,10]。

本研究根据大学物理实验课程的实践性较强的特点,采用OBE教育理念,以学生为主体,以教学活动过程中需要完成的任务目标为核心,以丰富的网络资源、多媒体平台、虚拟仿真实验为载体,通过学生自主探索学习,引导学生完成基于实验、而高于实验的创新教学模式。从而实现学生综合分析解决问题能力及探索创新能力的提高。

3 基于OBE理念大学物理实验教学模式实践案例

测量液体黏滞系数是大学物理实验课程中一个基本实验,教材中采用传统经典的落球法测量蓖麻油的黏滞系数。此实验原理清晰,现象直观明显,注重实验操作环节。有利于培养学生基本的科学实验素养和动手能力。同时,OBE教学理念强调“以学习成果为本”,围绕学生的预期学习成果来设计和实施教学活动。为此根据实验课题内容,提出以下教学目标:①学习用落球法测量液体黏滞系数,提高学生基本的动手操作能力及分析问题能力。②理解黏滞力在现实生产、生活中的意义,提升学生的科学素养。③了解并设计测量液体黏滞系数的多种方法,培养学生创新拓展能力。教师以支撑教学目标为出发点,选择教学内容,精心设计教学环节。教学设计如下:

3.1 课前预习阶段

教师在互动教学平台发布教学目标、教学任务,虚拟仿真操作实验链接及预习自测习题,学生通过解答自测习题加深对实验原理、实验设计的理解。例如,在本实验中设计如下预习自测问题:①什么是黏滞力?②若小球直径大于2 mm,使得雷诺系数大于0.1,如何计算黏滞系数?

学生根据教师发布的实验课程任务,进行自主学习,通过查阅书本及课外资料,完成虚拟仿真模拟操作实验,了解掌握落球法测蓖麻油黏滞系数的实验条件、实验方法步骤及操作注意事项,数据处理过程中的黏滞系数及雷诺系数的计算。通过学习通互动学习平台,学生可直接在预习过程中遇到的问题及想法反馈给老师。

3.2 课堂实践教学阶段

进入实验实践阶段,教师再次发布与实验操作相关的问题,在本实验教师提出如下问题:①为什么落球要在圆筒中心轴线垂直下落如果落球偏离中心轴线下降,值有什么变化?②分析实验中误差的主要来源。③实验时,若小球表面粗糙,有尘埃、油脂,将产生哪些影响?

学生进入实验室后按之前预习内容独自完成实验课题,在操作过程中,通过对教师发布的一系列问题的思考、讨论回答,更深刻地理解、掌握实验相关的知识。在实验过程中遇到的问题可多人合作小组讨论,通过深入思考、讨论交流,充分调动学生学习的积极性和主动性,其自我学习能力也得到提高。教师观察学生实验操作进展情况,对学生提出的问题及时反馈。

3.3 课外拓展与延伸阶段

在完成基本实验教学内容基础上,根据OBE教育理念,把与教学内容相关的延伸开放题目须达成产出目标发放给学生,学生根据自己的兴趣,收集、查阅相关资料,根据实验室现有的实验器材,自主完成实验设计,实验方案的制定。通过数据处理、实验分析得出其自主设计实验的可行性与准确性。

在落球法测液体黏滞系数这一实验课题研究过程中,学生通过对基本落球法测量原理及实验环节的学习实践,查阅文献资料,对比多种测量液体黏滞系数方法的特点,根据身边现有的实验器材,通过与老师讨论分析改进,自拟出利用智能手机软件测液体黏滞系数的实验方案。搭建的实验装置如图1所示。

图1 实验器材及装置

学生通过数据记录、查阅资料、学习研究数据误差处理方法,自主完成本实验数据处理和实验分析,如图2所示,通过数据分析论证了实验的可行性。并对温度、装置的稳定性及弹簧的劲度系数,这些可能影响实验结果因素及处理的方法进行分析。锻炼了学生撰写报告的科研分析总结能力。通过这一阶段自我探究学习过程,践行了OBE教育理念。培养学生的分析问题、解决问题及独立思考探究能力。提升学生理论联系实际能力及创新思维的培养。实现全方位高效育人。

图2 实验数据分析

3.4 实验评价及反馈

教师综合学生实验预习、课堂操作及实验拓展与延伸三方面的成果给予评价,学生对自己本次实验的心得与收获在学习通进行分享。同时,教师引导学生积极参加物理实验竞赛、大学生创新、创业培训项目。通过一系列后续的教学活动跟进,既深化学生对实验知识、基本能力的掌握,又锻炼其组织、协作、交流能力。教师从学生参与的后续各类型活动中得到真实、有效的教学质量反馈。由“封闭课堂”发展到“开放教学”,实现真正意义上的教学活动可续性发展OBE教学理念。

4 结 论

将“以特定的学习成果输出”OBE教育理念融入到大学物理实验课程中进行改革实践,围绕学生预期教学成果来设计和实施教学活动。对课前预习、课堂实践教学、课外拓展与延伸、实验评价及反馈一系列教学活动进行初步探索和实践,整个教学过程强调“以学生为中心”开展自主探究学习,从中培养学生分析、解决问题,理论联系实际、团队协作、交流表达、挫折应对等综合能力。这些能力的培养对学生后续投身于社会中的自身可持续性学习活动是必不可少的。这是教育教学活动的最终培养产出目标。