以学生为中心的大学物理教学探索与实践

高兰香，许丹华

(上海电力大学 数理学院物理系，上海 2013036)

大学物理是高等院校理工科专业开设的一门重要的基础课程，是完善各类工程技术人才知识结构及能力结构的重要步骤. 通过该课程的学习，学生在掌握物理学的基本概念、基本理论和基本方法的基础上，能够应用这些原理及方法对生活实际问题和工程问题进行理论分析和计算；培养学生分析与解决复杂问题的能力，培养学生的探索精神和创新意识. 大学物理课程在培养学生知识、能力、素质上是其他课程所不能替代的.

1 课程面临的问题

1998年，联合国教科文组织在世界高等教育大会宣言中，提出了高等教育需要转向“以学生为中心”的新视角和新模式，要求高等教育决策者把学生及其需要作为关注的重点，把学生视为教育改革的主要参与者[1]，并预言“以学生为中心”的新理念必将对21世纪全世界高等教育产生深远的影响. 大学物理课程教学指导委员会华东地区工作委员会启动了华东地区高校大学物理和大学物理实验“两课”的调研工作，调研指出[2]，在教学方法上，教师更多地选择自我表现的教学方式，学生则更喜欢参与性的教学方式，希望能有提问、讨论和交流的机会，更多地参与到教学活动中；在课程考核方式上，各高校的大学物理考试，统一命题形式合计占75.18%，且95.99%为闭卷考试，很少采用开卷、半开卷、写小论文以及专题答辩等方式. 调查指出，单一的闭卷考试不能被学生认可，教师认为需重点考察的内容，让学生感觉极不适应.

伴随着信息技术的不断发展，大学物理课程教学改革也在不断推进，如探索基于互联网的开放教育[3]以及教学信息化[4]，MOOC为教与学提供了另外一种途径[5]，在金课建设中如何增强学生的自主性和探究性等[6]. 在2020年爆发的新冠肺炎疫情中，大学物理教师积极开展网络教学[7]、在线教学[8]、线上线下混合教学[9]等多种教学方式，并且取得了一定的效果. 我校大学物理教学团队自2019年起开展“以学生为中心，以成果为导向，追求卓越教育”的教学实践，从学习环境、课程内容、教学方式以及课程评价四个方面入手，创设条件激发学生自主探索未知世界的潜能，激发课堂教学的活力.

2 以学生为中心的大学物理教学探索与实践

我校大学物理课程开设两个学期，每学期48课时，共计96课时. 每学期各类教学形式的课时数分配如下：启发式讲授和分组讨论约30课时，翻转课堂10课时，学习成果汇报4课时，小组教学持续一个学期，课堂内教学约占3课时，学生课外撰写课程报告；专家讲座1课时.

2.1 构建“互联网+教育”的新型智慧学习环境

新时代高等教育40条明确提出，要推动课堂教学革命，重塑教育教学形态. 大学物理教学团队确定“以学生为中心”的教学理念，探索将新时代大学生高度依赖网络的特征加以引导，为学生进行泛在的、碎片化的、自在的学习提供条件，学生获取知识的途径更加方便快捷. 重点从以下几个方面入手重塑课程学习环境.

首先，智慧教室为学生开展个性化学习提供了硬件和软件保障. 智慧教室内的学习桌椅可以迅速快捷地进行布局和转换，可以满足教师讲授、分组活动以及个性化学习等多种模式. 教师可采用普通上课、远程上课、录播等多种授课方式，教学视频可供学生和教师下载，学生可以课后观看视频进行复习，教师通过观看视频，分析教学不足，不断改进和优化教学过程.

其次，教学团队在智慧树学习平台上，挑选优质的国家精品课程资源，作为学生课外辅助学习资源，如同济大学的国家精品大学物理课程、天津大学的共享课程等，同时上传教师教学资源，如教学视频、PPT以及习题解答视频等，供学生随时随地学习. 学困生可以通过反复观看视频，在上课之前弥补与其他同学的差距，实现因材施教. 教师在平台上发布签到、学习任务、作业以及测试，学生参与过程的数据系统自动生成，以便教师督促学生学习.

最后，智慧树平台的在线测试可以自动批阅客观题，并统计试题得分情况，生成成绩分析，能够发布成绩以及答案. 智慧平台让测试变得快速、便捷(图1).

图1 平台生成的成绩分析

2.2 重构物理课程知识+工程应用+学术前沿的能源电力特色教学内容

2017年，教育部提出新工科研究与实践需围绕工程教育改革的新理念、新结构、新模式、新质量、新体系展开，我校电气工程与自动化等专业相继开展了工程教育认证. 通过认证工作，进一步强调了大学物理课程在工科学生获得自然科学知识、培养科学思维以及提升解决复杂工程问题能力等方面的重要作用. 在课程建设和改革过程中，教学团队始终关注学生的发展状态和学习需要，围绕人才培养目标加强大学物理教学内容建设.

首先，依据大学物理课程教学指导委员的基本要求，确定课程核心知识点以及拓展知识，在课堂内精讲核心知识点，以网络教学视频讲授拓展知识点，重视物理基础知识以及核心知识的学习，以此夯实学生的学科基础. 以物理学家、物理学史、科学思想、科学方法等为载体，积极开展大学物理课程思政教育的教学实践，课程思政已经成为教学内容的重要组成部分. 通过两年的建设，逐渐形成了科学方法、名人名家、人文情怀以及创新创业等四个思政系列，并整理印刷成册以供教师传阅，交流学习.

其次，在保证物理课程核心知识基础上，拓展体现学校能源电力特色的前沿知识. 每章挖掘与能源电力密切相关的知识点，通过搭台阶的方式，将专业知识、学术前沿渗透到教学中，实现课程内容的应用性、新颖性、创新性、交叉融合性. 如，在法拉第电磁感应定律教学中，介绍能源电力发展史以及我校电力研究发展历程；在光的干涉教学中，介绍多层减反射薄膜在太阳能电池研究中的应用；在光电效应教学中，介绍我校太阳能光伏发电系统等. 另外，结合专业发展需求，增加专业特色内容，如在能动专业，加入传热、汽轮机原理、锅炉等能源特色内容；在电气专业，拓展发电机原理以及太阳能发电等内容. 让学生提前了解学校特色，既能激发学生的兴趣和求知欲，也能让学生更好地适应未来的工作岗位.

最后，实现学术前沿内容进入课堂. 教学团队依靠自身专业背景，将新材料、新能源等最新科学研究成果自然地融入课堂教学(图2). 如在讲述了光电效应原理后，从金属到半导体，从外光电效应到内光电效应，聚焦到太阳能电池，最后由教学团队内该领域专家为学生讲述了太阳能电池研究的前沿内容，开拓了学生视野.

图2 太阳能电池知识进课堂

通过为期两年的教学实践，逐步构建了以物理核心知识为基础、拓展到应用和前沿的课程教学内容体系，突出我校能源电力特色，并紧扣我校重点关注的清洁能源、能源安全等前沿领域，为学生适应未来工作和学习奠基.

2.3 以任务为驱动，以导促学，强调学习的体验与合作

以学生为中心的教学，需要了解学生学习需求，需及时解决学生的学习问题，促进学生有效学习和自主学习. 大学生重体验、爱交互、具有目标与成就导向、小组活动倾向等时代特征，因此，在教学中应多采用小组教学、体验式学习等多种学习方式，以真实任务引导学生自主学习，促进有意义学习的实现.

课前预习可以培养学生自主学习的能力. 基于互联网的学习，让课堂教学前移. 教师在课前发布学习任务，给出明确的学习任务，学生通过教学视频、教材等自学相关内容，在做笔记的同时记录难点问题. 教师发布测试题检验学生学习效果并找出学生的问题，以便在课堂内开展讨论和学习. 智慧树平台会记录学生观看视频、上传笔记等情况，教师通过查看后台数据，可以实时掌握学生的学习情况，并加以督促. 通过教师引导和督促，培养学生自主学习的能力.

课堂内，教师可以就一些有争议、应用性强以及可以启发思维的问题，组织讨论. 如在学习了光的偏振现象以后，让学生讨论光的偏振在生活中有哪些应用；在学习了普朗克能量子假设后，让学生讨论，能量子的假设很好地解释了黑体辐射实验规律，为什么不被世人所接受，等等. 在讨论中，每个学生都有机会发表自己的观点，提出疑问，通过师生交流讨论解决问题. 有效的小组讨论可以促进学生思维品质的形成. 小组讨论是否有效，与讨论的话题、教师的引导以及课前准备密切相关(图3).

图3 学生分组讨论

建构主义学习理论强调活动和体验是学生获得知识和能力的重要途径. 知识学习不纯粹靠理解和记忆来进行，而是一种亲历性、情感性、领悟性的体验活动. 物理教学中，以任务为驱动，促进学生的潜力、才智以及生命价值充分发展. 如，要求学生在一个学期内，以小组合作形式完成1篇课程学习报告，学生需要完成文献检索、报告撰写以及答辩等工作，报告中需指出研究的主要问题、解决的途径以及效果，等(图4、图5). 通过团队分工合作，共同分析解决问题，提高学生解决问题的能力，培养团队协作的能力，锻炼批判精神，对学生知识能力素质的全面提升有积极作用.

图4 课程学习报告

图5 学生汇报学习报告

在翻转课堂的基础上，教师对该模式进行升级，营造轻松的学习氛围，让学生彼此互教，开展体验和合作式学习，这是促进深度学习的有效手段，也是激发课堂活力的有效组织形式. 明确任务，教师及时指导，协助学生完成任务建立自信，让学生有勇气接受更具挑战性的任务(图6).

图6 学生演示实验规律

2.4 建立以结果为导向的综合评价体系

在建立物理课程评价体系时，遵循课程评价与课程目标相一致的原则，教学活动设计以促进教学目标达成为原则，多角度、多层面地对学生进行综合评价. 每个评价点，都设定明确的考察点，以此检验学生的学习效果. 课程评价弥补了传统考核重知识、轻能力和素质的不足，强化对学生能力与素质的考核，重点关注学生的学习过程.如，课程评价体系全面考察学生的学习经验、学习过程和学习结果，并充分考虑学生的原有基础，将学生学习过程数据按照教学目标收集、整理、归类，对学习成果进行达成性评价，而不是比较性评价(图7).

图7 课程综合评价指标以及考察点

平时成绩占课程评价的20%，除了传统的作业与考勤，增加了教学中学生的互动情况，该考核点主要考察学生互动次数和质量、批判性思维，以及解决问题和团队合作能力.

过程化成绩，占课程考核的80%，其目的是引导学生重视学习的过程. 学生普遍反映大学物理课程难学，并且不知道自己的学习效果如何，因此，评价中增加了线上学习成绩，主要考察学生观看视频的时长；增加了阶段测试，帮助学生及时查缺补漏. 另外，课程学习报告，能全面提升学生的文献检索能力、写作能力、团队协作能力以及口头表述能力，也能为教师考察学生的能力和素质提供丰富的素材. 期末考试，改变一贯的标准化命题形式，新增了一些开放性试题，考察学生的解决问题能力以及对物理学科思想的理解(图8).

图8 期末考试开放性测试题目

一些难以量化的考察点，如学生能力和素质的提升，可以综合学生与教师两方面的意见进行定性评价. 学生可以通过自我评价、学生日志以及学习心得体会等形式，自评能力和素质的达成情况；通过撰写专题论文、小组讨论、小组汇报，师生、生生互动等，展示专业能力、写作能力、态度、素质等方面的达成度. 教师认真观察学生在解决问题、论文撰写、汇报表达、人际交往等各类教学活动中的表现，对学生的能力和素质进行综合评价.

3 教学实施案例——“光电效应”教学案例

光电效应是近代物理学一个重要的知识点. 课前教师通过调研，了解到学生对该部分知识都有一定的基础，因此光电效应原理部分，采用学生汇报的形式开展. 教师在正式上课一周前发布学习任务，详细说明每组同学需要完成的具体任务. 教学安排如下.

第一部分是学生学习成果汇报，以学生活动为主，教师讲解为辅；学生需要完成知识的加工以及意义构建，并以团队形式汇报学习内容.

第二部分是光电效应原理的工程应用，结合视频资源，师生进行讨论，并邀请该领域专家做报告，介绍光电效应的一个重要应用领域——太阳能光伏电池，并通过专家讲座形式，了解该领域前沿，体会专家的科研经历，感受科研精神.

学习成果汇报环节，教师见证了学生丰富的想象力以及表演力. 阴极、阳极、电子、光电流，这些核心要素以人物形式展示，结合语言艺术，形象生动地演绎了光电效应实验中存在红限频率这一事实；学生们的表演独具一格、耳目一新，借助肢体动作、道具以及语言等可视化的手段，直观地将抽象的实验规律以角色表演的形式展示出来. 学生的知识加工体验过程，为教育教学改革注入活力，原来教学可以如此生动.

提问环节，学生做足功课“有备而来”. 由于任务明确，学生对本组知识点都掌握得很透彻. 当有同学问到多电子光电效应时，学生给予了正确的解答，教材上找不到答案的问题他们在文献上找到了答案，还有关于光电子最大初动能的回答，也分析到位.

报告互动环节，专家与学生之间的互动很惊艳. 课堂内邀请了物理系从事太阳能电池技术研究与开发的教授，作太阳能电池前沿领域的专题报告，介绍了中国太阳能光伏电池研究在世界上所处的地位，认识到太阳能电池光电转换效率提升的来之不易. 教授以博士期间的研究经历为例，讲述科学研究的艰辛，鼓励同学们在遇到困难时要坚持不放弃，终将收获成功.

4 教学实践效果

团队教师集体备课，精心设计以学生为中心的教学实施过程，创新教学内容和教学方式，为学生营造轻松愉快的学习环境，师生互动显著提升，解决了传统教学模式单一、师生互动有效性不足的问题；建立了科学合理的综合评价体系，将能力和素质纳入考核范围，并给出考察点，解决了传统重知识、轻能力和素质评价的问题.

4.1 多样化教学形式催生高质量的互动

教学团队立足物理学科特色，采用切实可行的教学形式，让课堂变得生动活泼起来. 启发式讲授、翻转课堂、小组教学、成果汇报、专家讲座等形式，为学生创设了多样化的互动形式. 学生提出疑问、表达观点、寻求帮助的机会显著增加，以提升解决问题能力为目的互动，让教育教学活动成为师生情感、态度以及认知的交流与碰撞.

学生表示，课前自己预习，带着问题进入教室，在课堂内通过师生问答的形式，填补了自学的漏洞，对知识有了更完善的理解和更深的印象.

师生互动的话题，从物理学科跨越到其他领域，如胆怯的学生，在教师鼓励下完成了第1次课堂汇报；为了更好地组织组员展示光电效应的实验规律，组长一次次与教师探讨如何表述，如何组织语言，如何改进等等. 学生与教师的交流，触及认知，触及态度，触及了学生发展的方方面面(图9).

图9 学生与教师讨论汇报发言稿

4.2 多元化评价指标促进学生全面发展

课程增加了反映学生能力和素质的多元评价指标，如解决复杂问题的能力、团队协作能力、论文写作能力、求实精神以及批判性思维等. 在明确的任务驱动下，在多样化教学形式中，学生充分展示自己的才能，为能力、素质评价提供了丰富的素材.采用学生自评、他评和教师评价等定性方式，综合评价学生知识、能力、素质的发展与提升.

学生表示，团队合作中，成员相互沟通进行团队决策，互相讨论，研究解决方案，能激发出成员的内在潜力，每个人发挥出最强力量，最终实现团队力量大于个人力量的总和，学生有信心完成更高阶的挑战性任务(图10).

图10 学生反馈信息

4.3 教学改革显著提升教学效果

智慧型的学习环境，重应用和前沿的教学内容渗透专业知识，多样化的教学形式以及综合性评价体系，让物理课堂变得生动有趣，学生学习物理的兴趣日益浓厚，学生解决复杂问题的能力逐渐提升，课程成绩明显提升，物理学科竞赛成绩优异. 在2019年举办的全国部分地区大学生物理竞赛中，学生获得上海赛区特等奖1项、一等奖7项、二等奖8项、三等奖6项的优异成绩，特等奖上海市独此1项. 在2020年全国大学生物理实验竞赛(创新赛)中，学生获得二等奖1项、三等奖3项、鼓励奖1项的好成绩.

经过为期两年的教学实践，团队已基本形成可复制、可推广的经验，从教学的各个环节入手，通过典型的教学案例在教研室、系、学院等多个层面进行宣传和推广. 如今，学院公共课程都搭建了信息化学习平台，采用综合性课程评价体系，坚持以学生为中心，立足学科特色，力求在教学实践中不断推进和完善.

5 教学实践中的问题与解决措施

以学生为中心的教学模式改革，取得了一定的效果，同样也遇到了不少问题. 团队教师积极应对，引导学生逐渐适应新模式，解决教学实践中的问题，不断推进教学模式改革.

首先，新的教学模式需要学生投入较多的课外时间，最初很多学生难以接受也不适应这种改变.调研中学生反映，新模式下学习物理的时间明显增多了，如观看视频、撰写课程报告基本都在课外完成. 为了帮助学生及早适应，学期初教师与学生说明，学习任务与教学目标的对应关系，评价体系与教学目标的对应关系等，并强调教师会随时提供督促、帮助以及指导等. 经历一段时间后，学生普遍认为，付出多收获也多. 平台提供的学习视频，短小精悍，针对性强，可以利用碎片化时间随时观看，课内答疑解惑，学习的效果更好. 利用课外时间撰写报告，时间充裕，与团队成员一起讨论写作，学生能充分锻炼和展示自己的综合才能. 更重要的是，新的教学模式拉近了师生之间的距离，师生的交流互动明显增多. 学生能够感受到，新模式下教师对课程的准备以及对学生的指导更细致全面，教师与学生一样“增负”了. 当师生“增负”转化为学生知识能力素质的全面提升时，绝大部分学生都能逐渐认可并接受这种教学模式.

其次，新的教学模式需要学生有较强的自主学习能力和自制力，而大学生的自主学习能力普遍较差，缺乏恒心和毅力，难以坚持. 为了培养学生自主学习能力，督促学生持之以恒的学习，教师引导学生如何学以及实时提醒督促很重要. 因此，任课教师坚持发布学习任务以及详细的任务指导，一般在精讲课前1天发布学习任务，在翻转课前1周发布学习任务；通过平台数据，对未完成任务或是作业的学生进行及时提醒(图11，图12).

图11 发布明确的学习任务

图12 学生观看视频时长提醒

最后，撰写课程报告对学生来说是一个全新的课题，会出现各种问题. 教师第一堂课布置任务时，学生表现出浓厚的兴趣，但要完成任务，教师的全程指导很重要. 如指导学生查找期刊文献，确定报告大纲，撰写以及修改报告等等. 从布置任务到学生完成报告的汇报，教师通过课堂内集体指导、课外组长培训以及组员单独辅导等多种方式，助力学生完成任务. 学生表示，撰写论文能够全面提升自己的综合能力，也完全没想到能够完成那么多文献的收集整理工作，没想到能完成一篇2万多字接近30页的报告.

6 结论

以学生为中心的教学，对教师的教学理念、专业能力、教学能力乃至教学热情都是极大的考验.课前设计教学，分解学习任务，指导学生等，教师需要付出大量的时间和精力；课中师生互动，开放的课堂、无法预设的生成性教学以及应对课堂中不可预知的问题，对教师专业能力、教学技能等提出了更大的挑战. 学生汇报环节、点评学生的汇报以及提问、回答问题等等，是对教师课堂组织以及管理能力的考验. 以学生为中心的教学改革，对学生和教师都提出的了新的挑战，面对挑战，教师不能退缩，以学生为中心，应当成为教师内在自觉，实现教育教学回归育人本质.

以学生为中心的活动与体验是深度学习的核心特征，学生在经历学习活动的过程中，获取学习感受和体验，是实现深度学习、卓越教育的应然选择和必由之路. 对于大学物理课程而言，更应当关注学生的学习体验，关注学生是如何学的，在此过程中，既要激发学习兴趣，尊重个体差异，也要支持自主学习以及协作学习；既要强调学生主体的体验和感受，也要加强师生交互，增强师生体验的灵活度，不断推动课堂真正成为共同学习、交流、研讨、提升的场所，实现以信息技术赋能的课堂教学模式创新，实现卓越教育.