基于OBE理念近代物理实验课的大纲设计及教学改革

贺帅 潮洛蒙

［摘           要］  随着社会的不断发展，区域经济发展对应用物理专业学生的综合素质提出了更高的要求，现有的近代物理实验教学手段与教学形式较为单一，没有形成以学生为中心的教学模式，不能充分调动学生学习物理的积极性。基于成果导向教育理念对本专业的近代物理实验课整个教学方案进行了改革和优化，并从教学目标、教学内容、教学模式以及教学评价四个方面对教学大纲重新做了设计和优化，以期为培养出高质量的物理学应用型人才奠定基础。

［关    键   词］  OBE理念；近代物理实验课；翻转课堂

［中图分类号］  G642                    ［文献标志码］  A                  ［文章编号］  2096-0603（2023）15-0169-04

实验课是大学理工科专业教学的重要环节，应用物理专业开设的近代物理实验是理科物理学专业高年级的专业必修课程。较普通物理实验而言，所涉及的实验内容更加综合，实验原理相对复杂，考核内容更侧重学生对物理原理到现象的理解。相较于普通物理实验课程内容注重牛顿力学为核心的古典物理学而言，近代物理实验课更注重量子力学与相对论的内容。主要内容以近现代物理学发展中极具代表意义且至今还在应用或者具有较大的学术价值的实验为主。近代物理实验课不仅对应用物理专业的实验课程具有支撑作用，还对学生物理理论与实践的联系起着至关重要的作用。

随着社会的不断发展，区域经济发展对应用物理专业学生的综合素质提出了更高的要求。除了要求能够使用近代物理科学的理论方法分析常见的物理问题，掌握近代物理实验的实验方法，还要求能够操作物理学与稀土材料行业相关的基本仪器设备，清楚设备的运行原理及组成；能够根据相关生产内容确定对应的物理内容并加以求解。随着教育教学的不断深入，实验课教学的内容也一直在开展深入的教学改革，目前实验课教学存在的主要问题仍是验证性实验为主，不利于学生对知识的透彻理解以及积极探索。与现代产业界所使用的关键仪器设备具有一定的差距，与专业相关的综合性实验也较少。[1]实验教学模式大多以传统课堂的方式进行，仍然是以多媒体辅助、教师讲解为主的“灌输式”教学，学生成为被动的接收者。教学内容和教学形式较为单一，没有形成以学生为中心的教学模式，不能充分调动学生学习物理的积极性。成绩评定体系对学生的学习动力及最终的学习效果有着直接的影响。传统实验课程的成绩评定方式多以实验报告成绩为主，辅以平时表现及出勤情况进行综合评价。这种考核方式比较简单，教师也拿不出学生平时表现给分的依据，对学生的实验能力不能给出较为真实的反馈。因此，近代物理实验课教学模式必须加以改革，以适应目前的教学情况，形成较为全面的考核机制。

目前，成果导向教育理念（Outcome Based Educa-tion，简称OBE理念）已经成为教育领域的重要理念之一。OBE理念是以预期学习产出的成果为导向来组织、实施和评价教育的结构模式。[2]应用物理专业基于教育教学审核评估工作的要求，以培养方案、教学大纲、课程建设符合OBE培养理念为目标，制订了2022版培养方案，重新修订了2018版培养方案的同时，对近代物理实验课教学大纲做了重新梳理及调整。基于成果导向教育理念对本专业的近代物理课程整个教学方案进行了改革和优化，并从教学目标、教学内容、教学模式以及教学评价四个方面对教学大纲重新做了设计和优化。该教学方案符合“以学生为中心”的设计理念，注重思维与实践的结合。教学模式增加了翻转课堂、线上线下混合教学、论文撰写三个方面的内容，并通过多维评价体系来评估学生的课程学习成效，以改进教学质量。

一、教学目标

（一）教学目标设置

近代物理实验是在普通物理理论和实验基础上的一门重要的基础实验课程，在培养学生“既具有深厚扎實的理论基础，又具备很高的实验能力”这一目标中起着重要的作用。[3]应用物理学专业的近代物理实验课按照OBE理念设置教学目标，该课程的主要目标是通过学习，使学生掌握目前实际应用中较先进的、综合性的实验方法和技能，了解近代物理中的重要概念和普遍规律，培养学生初步的独立科研学习的能力。按照授课进程及方式分别设立4个分目标：（1）了解实验物理在物理概念的产生、形成和发展过程中的作用。（2）掌握近代物理中的一些常用方法、技术、仪器和知识。（3）能对实验结果做出基本的分析，并巩固和加强有关实验数据处理方面的能力。（4）通过实验加深对近代物理基本现象及其规律的理解。另外，本课程的思政目标为通过运用近现代物理史中涉及的理想信念、价值取向、政治信仰、社会责任的题材与内容，培养学生家国情怀与责任担当，使学生成为德才兼备、全面发展的人才。4个教学分目标的设立与所支撑的毕业要求高度契合是结课后学生课程达成情况的重要依据。近代物理实验课程的教学分目标1和目标3对应本专业新版人才培养方案毕业要求3中的指标点3-1，教学分目标2和4对应本专业新版人才培养方案毕业要求5中的指标点5-1。

（二）课程目标与毕业要求对应关系

新版人才培养方案根据《普通高等教育本科专业类教学质量国家标准》以及目前应用物理学专业培养、就业等情况，重新梳理了本专业的毕业要求，设置如下：

1.基本素养和责任感

具有人文社会科学素养和求实精神、社会责任感，具有良好的职业道德规范，将社会主义核心价值观和自我价值实现紧密结合起来。

2.基础知识和研究方法

具有在物理学专业科学研究和技术应用工作中所需的基本物理学知识，系统掌握近现代物理科学的基础理论，了解基本物理实验研究方法。

3.专业知识和国际视野

具有在物理和稀土相关领域从事科学研究和技术应用工作所需的物理学和材料学知识，系统掌握近现代物理科学的基础理论，了解基本物理实验研究方法；具备基本的阅读本专业文献，了解专业发展前沿能力。

指标点3-1：能够使用近代物理科学的理论方法分析常见的物理问题，掌握近代物理实验的实验方法。

指标点3-2：掌握物理学和材料学相关的基本知识，能够分析不同材料性能所对应的物理学基本内容，可以使用物理学知识给出材料性能的变化规律。

指标点3-3：能够根据稀土材料的不同性质正确测量、分析材料的基本性质，并且能够根据材料的基本性质给出其中的物理图像。

指标点3-4：能够收集、整理、分析、使用物理学相关前沿的知识内容；能够就物理学与稀土功能材料等方面问题和业界同行及社会大众进行有效沟通。

4.信息技术与应用能力

能够针对物理与材料的交叉领域（磁性材料和高熵材料）的实际问题，选择与使用恰当的现代工具及信息技术手段，能够对所从事领域遇到的实际问题加以分析，为问题的解决提供思路。

5.实用技术及应用能力

掌握物理学与稀土材料行业的实用技术，具备解决实践问题的能力，能够基于物理学的基础理论和材料学基本原理对实际生产、生产工艺中的问题进行解析，并提出正确合理的解决思路，能够对产品的设计研发提出合理的思路并改进。

指标点5-1：能够操作物理学与稀土材料行业相关的基本仪器设备，清楚设备的运行原理及组成；能够根据相关生产内容确定对应的物理内容并加以求解。

指标点5-2：能够根据稀土材料相关产业的生产内容，确定具体的生产路线；能够利用物理学、材料学相关知识内容，分析实际生产、实验过程中产生的结果，确定生产关键问题。

指标点5-3：能够根据生产情况、实验数据给出正确的解决方案；能够对产品的设计研发提出合理的思路并改进。

6.科学研究和研发能力

学生具有科学思维和对科研有基本的了解。具备对科技前沿问题的分析探索能力，能够基于物理学的基础理论对科学研究中的问题进行归纳总结，并提出自己的见解；能够对新的物理现象以及新型产品的研发设计提出思路及解决方案。

7.沟通表达和团队协作能力

能够就稀土功能材料等方面问题和业界同行及社会大众进行有效沟通和交流；能够在相关学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。

8.思维和创新能力

具有物理问题的分析、解决能力，具有学习能力和创新意识，了解应用物理学发展趋势和动态。

9.终身学习能力

进行自主学习，与时俱进，实现自我提升和发展，具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应社会发展的能力，身心健康。

在应用物理学专业培养方案中，共有9个毕业要求，并根据需要拆分了21个指标点，毕业要求1-9分别对应了3个、4个、4个、0个、3个、3个、2个、2个、0个指标点，并按照课程与毕业要求之间的关系建立了对应指标体系。[4]上述毕业要求中仅罗列了毕业要求3和5的分解指标点，近代物理实验课支持的毕业要求为3专业知识和国际视野、5实用技术及应用能力，具体的指标点为3-1和5-1。要求学生在专业知识的理解应用、实验技能的培养训练两个方面能够支撑毕业要求。

二、教学内容

（一）教学内容

近代物理实验课程综合了普通物理实验中的力、热、光、电以及电子电路等理论内容，是建立在普通物理实验基础上的专业实验课程，其教学内容是连接普通物理学与近代物理学的重要内容。在本专业新版的培养方案中，实践教学环节的教学学时显著增加，在总学分不变的情况下，实验课的教学学时均翻倍，目前已达到国家专业质量标准的要求。近代物理实验课的教学要求能结合学科前沿应用、学科交叉等特点，要求掌握本专业实际应用技术的内容及操作方法。本专业具体的实验项目包括以下项目：LED物性综合实验、电光调制实验、电子散斑干涉实验、PN结的物理特性、核磁共振实验、PN结物理特性实验、声光调制实验、塞曼效应实验、磁光调制实验、光线火灾预警系统实验、金属逸出功实验、磁阻效应综合实验、霍尔效应实验、居里点测定实验、太阳能电池综合特性实验、磁悬浮动力学实验、多功能风力发电实验、光致发光材料的合成及灯管的制作、矿盐的晶体结构及杂质检测、扫描电子显微镜（SEM）实验、透射电子显微镜（TEM）实验、扫描隧道显微镜STM、磁控溅射镀膜实验、PPMS物性测量实验等。

（二）基本要求

近代物理实验教学是建立在普通物理学实验基础上的进阶实验课程，该课程的开展重点是学生对实验的理解、实验动手能力、实验分析能力、物理学思维建立情况等。除了实验室安全要求外，本课程的具体教学要求如下：

（1）在实验课程开展之前要求学生认真研读实验教材，撰寫实验预习报告并了解实验相关的流程步骤以及即将采集的数据。（2）实验项目的开展按照教学仪器的数量分组（2～3人/组），要求学生独立完成实验项目，实验中遇到的问题以自己解决为主。（3）实验项目中采集的数据要求以真实为主，允许实验数据出现一定的偏差，但对于偏差数据要做出分析说明。（4）每次实验的结果必须经过教师认可后，实验方可结束。（5）每次实验结束后，必须清点实验仪器，关闭实验室电源，打扫实验室卫生。

三、教学模式

新版本的实验课教学新增了三个方面的内容：翻转课堂、线上线下混合教学以及论文撰写。在翻转课堂方面，翻转课堂近些年来在全球范围内流行。在近代物理实验课教学实践中，要求学生完成所有实验项目后，选择其中一个实验项目作为扩展汇报内容，并以5分钟PPT汇报的形式在课堂上进行分享。分享的内容不限于实验项目内容，而是根据实验项目做适当的扩展。这种方式既可以锻炼学生收集资料、整理资料、总结资料的能力，又能够通过分享的方式获得更多的知识。此外，学生学习成果的评估在课堂上进行，极大地提高了课堂时间的利用效率，有效激发了学生自学积极性。[5]这样的方式不仅能充分激发学生的主观能动性，还能方便教师针对学生自学情况因材施教，提高课堂效率。在线上线下混合教学方面，本课程在常规线下教学体系大致不变的前提下，通过利用网络媒体平台、建设数字化实验资源、制订线上专属的教学设计方案和内容、展开与学生快捷有效的互动交流、更新实验考核方式等在实验教学流程内形成一系列以学生为中心、长期可执行的线上线下教学活动。在论文撰写方面，一直以来实验报告是考核实验成绩的主要方式，[6]本课程针对专业课实验教学中实验报告的书写形式，分析了传统实验报告形式存在的问题和不足，提出了采用综述小论文形式书写实验报告的模式，小论文要求学生按照期刊投稿格式进行书写，培养学生科研论文写作中关于文章内容、期刊格式、引用格式等的要求。旨在通过实验报告质量来提高实验教学效果，并为专业实验课的课程改革提供参考。

四、教学评价

（一）课程成绩考核

本课程过程性考核包括三部分的内容。其中，翻转课堂PPT汇报占总成绩的30%、小论文撰写占总成绩的10%，实验操作及报告占总成绩的60%，实验操作及报告内容包括预习部分、数据采集、数据处理、思考题，其具体考核内容及评价标准（见文末表1）。

（二）学生反馈评价

实验项目评价：在通过仿真实验进行仪器操作的过程中，进一步理解了马沸炉、光谱仪、X衍射仪、扫描电镜等各种仪器和软件，发现操作和原理之间的潜在联系，真正实现将理论应用于实践。翻转课堂评价：PPT的制作加深了对项目的深刻理解和强化。虽然在进行实验的过程中感觉很有乐趣，也真正理解了实验的原理，但在PPT制作过程中，很容易出现提笔忘字的情形。这时回看实验报告，认真研读实验的原理，钻研过程做到完全和原理的契合，可以更好地建立知识体系和课后巩固，从而使实验项目的逻辑思路更加清晰。论文撰写评價：实验报告对不同学生来讲感受各不相同，而且实验原理的部分较为专业，大多是无法轻松掌握的。以论文的形式提交实验报告，需要调研更多的相关内容，可以增加实验项目学习的知识丰富度。

五、结语

实验课教学的主要目的是通过课程锻炼学生自主探索及发现的能力。通过本次大纲修订近代物理实验课程基于成果导向教育理念对教学方案进行了改革和优化。教学模式增加了翻转课堂、线上线下混合教学、论文撰写三个方面的内容，并通过多维评价体系来评估学生的课程学习成效，以提升教学质量。该教学方案符合“以学生为中心”的设计理念，注重思维与实践的结合，最终该课程大纲制定及实施获得了学生的认可与支持。

参考文献：

［1］张俊廷，盛妍.大学物理实验教学内容与模式的改革与探索［J］.大学物理实验，2018，31（4）：118-120.

［2］武立华，刘志海，张杨，等.基于OBE理念的大学物理实验教学体系探索［J］.实验技术与管理，2018，35（10）：188-189.

［3］方家光，张连芳.近代物理实验课程建设中的两个问题［J］.清华大学教育研究，1995（1）：55-57.

［4］刘辉，付会龙.基于课程目标评价的毕业要求指标点达成度评价［J］.教育教学论坛，2019（50）：27-31.

［5］陈爱华.翻转课堂在近代物理实验中的教学设计与实施策略探究［J］.数理化解题研究，2023，567（2）：85-87.

［6］周锟，潘丽萍，贺铸，等.用小论文形式撰写传输原理课程实验报告的探讨［J］.科教导刊，2017（3）：69-70.