基于OBE的大学物理实验课程体系建设

苗永平，孙二平，李忠丽，于 阳，马寒露，刘维慧

(山东科技大学 电子信息工程学院，山东 青岛 266590)

大学物理实验是对理工科学生进行科学实验基本训练的必修课程。作为一门实验学科，它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用[1-3]。

最近几年，国家教育部门密集出台了一系列指导文件，要求消灭“水课”、建设“金课”，打造一流课程，以人为本，提高人才培养能力和人才培养质量。国家高等教育部门和高校教育研究专家对政策进行了深入的解读，各高校从事物理实验教学的一线教师也从实战角度开展了较多研究和实践探索[4-6]。

山东科技大学物理实验中心自2009年获批“省级工科物理实验教学示范中心”以来，深入研究和践行OBE教育理念，坚持“以学生为本、以能力培养为核心，融合知识、能力、素质协调发展”的指导思想，逐步形成一套系统的、切实可行的大学物理实验课程体系，为地方性应用型高等工科院校开展物理实验教学提供了积极的参考意义。

1 OBE理念的产生和推广

成果产出导向(Outcome-based education,OBE)的教育理念在20世纪80年代初由美国学者Spady提出，并被美国、英国、加拿大等国家作为教育改革的主流理念[7]。我国教育界对OBE教育理念进行了深入的理论研究和实践探索,不但阐明了成果产出导向的深刻内涵，还为教育理念的具体实施提供了可操作性强的指导方案和可参考借鉴的生动案例，为我国教育教学改革做出了重大贡献[8-13]。

2 OBE理念对大学物理实验课程体系建设的指导意义

虽然针对大学物理实验课程教学改革的研究和探索从未停止，但大多数高校物理实验教学中仍普遍存在较多问题，主要表现在五个方面。一是课程总体目标不清晰，或者以传授知识为主，或者说和做两层皮，与新时期全面培养学生知识、能力和素养的需求不符。二是“散”，即课程与各具体实验项目以及各实验项目之间关系松散，逻辑性差、纲目不清。三是教学模式守旧，以传统的“老师设计和讲授实验、学生做实验”为主，学生被动接受多、思考少。四是内容陈旧、过程机械，老师没有主动研究科技前沿技术、实验技术和先进教学方法的动力，只是照搬前人或者教学仪器说明书上的内容，缺乏外延和拓展，照本宣科的流程化、机械化讲授，学生兴趣乏乏。五是课程质量评价机制缺失。表现为单纯对老师“教”或者对学生“学”的评价，或者单一的结果性评价，或者没有持续改进的一次性评价。

以上问题涵盖了课程目标设计、教学内容、教学工具、教学方法、课程评价等各环节的不足，所谓“根在课外”，需要系统解决。OBE教育理念强调“成果产出导向”“以学生为中心”“持续改进”以及“反向设计、正向实施”，提供了全面而系统的指导思想和具体的操作方法，是解决现有问题的良方妙药。

3 基于OBE的大学物理实验课程体系设计

自2009年开始研究和践行OBE教学理念，至2020年最新一版教学大纲编制完成，山东科技大学基本形成了一套完整的物理实验教学体系。该体系既考虑了物理实验对学生基础知识、基本能力的培养，又兼顾新时期对人才高阶工程技术能力和工程素养的训练，而且具有很好的可实施性。

3.1 课程目标

课程目标是课程本身要实现的具体目的和意图，是开展所有教学活动所要依据的准则。OBE理念确定培养目标有两条原则：一是培养目标要满足内外部需求，二是培养目标要表达精准[9]。根据学校大学物理实验课程的实际情况，确定需求主要来自三个方面。第一，来自校内各专业依据《工程教育认证通用标准》分解出对课程指标点的需求，形成对专业的指标支撑，这是外部需求，也是基本需求；因为物理实验要面对多个专业，其需求是有差别的，故需充分调研、分析与综合。第二，来自新时期教育部门关于高等学校深化教育教学改革指导文件的要求，要深入研究其精髓和内涵，将其融入课程体系中，属于外部需求。第三，来自课程实施方所在学校、学院对课程的定位，这是课程自身发展建设的需求，即内部需求。

基于以上原则和需求，教学团队认真学习各类指导文件和规范标准，充分调研，并结合课程自身建设需要，形成了立足于“基础知识、工程能力和科学素养”的大学物理实验课程目标，具体如表1所示。

表1 课程目标解析

上述三个目标之间存在严密的逻辑关系。首先，基础知识是所有能力和素养的根基，通过《大学物理实验》课程的学习，能够让学生掌握与物理和实验有关的自然科学知识、工具性基础知识，为形成包括基本概念、基本原理、基本方法在内的扎实且宽广的工科知识体系做好拼图，也为工程能力和科学素养奠定坚实的基础。其次，基本能力是在掌握基础知识基础上通过组装、调试、观察和测量等实践行为培养和锻炼出来的，再通过思考对实践结果进行总结、判断，形成有效结论，最后借助基础知识分析结论的正确性、提出解决方案。此过程一方面培养了各种基本能力，反过来加深了对基础知识的理解，两者相互促进，符合“理论到实践，再到理论”的认知规律。再次，素养是在一次次细心装调、一次次精准测量和一份份规范的实验报告撰写中养成，离开了实践，素养则变成了“无源之水、无本之木”。如果说基础知识和工程能力是“外化于行”，科学素养则是“内化于心”。课程目标的逻辑关系如图1所示。

图1 课程目标逻辑关系示意图

3.2 课程内容和特点

根据以上课程目标，结合自身教学资源状况，教学团队从众多实验项目中选择31个有代表性的列入教学大纲。山东科技大学是一所工科优势突出、行业特色鲜明的应用基础型人才培养高校，为了满足全校各理工科专业建设和发展的需要，结合OBE理念的核心思想，对课程内容做了精心设计。

第一，整体性。各实验项目分属不同的知识领域，其实验仪器、实验方法也不相同，对培养学生的贡献维度各有侧重。比如同样是光学实验，迈克尔逊干涉实验侧重于光学调试能力和创新能力的培养，分光计实验侧重以光学仪器和光学技术的应用培养学生学以致用的思想，而杨氏模量实验则以材料的应变特性研究和光放大实验法培养学生跨学科研究的意识和能力。不同的实验项目有不同的目标，它们之间相互独立又紧密联系，形成一个有机整体，共同支撑大学物理实验总体课程目标达成。

第二，模块化。综合分析各专业特点，实施优化组合，将所有专业划分为信息与电气类、地矿与测绘类、机械与材料类、化工与环境类、土建与水利类5大专业模块。根据专业模块需求，配置不同的实验项目。这种教学模式既能保证实验教学资源的最大化利用，又能兼顾专业发展，是一种高效的资源配置方法，具体实验模块如表2所示。

第三，分层化。考虑学习的一般规律和课程目标，将实验项目分为基础性实验、综合性实验和设计性实验三个层次，并按照从低到高、从基础到前沿、从接受知识型到培养综合能力型的逐级提高的教学规律组织实验教学。既能适应低年级学生的接受能力，又能达到较高的教学培养目标。

31个实验项目中，基础性实验14个，占比45.1%；综合性实验15个，占比48.3%；设计性实验2个，占比6.4%。

表2 实验模块划分表

第四，为了满足不同层次学生的学习需求，根据实验项目的内容和特点将实验项目的内容分为必做和选做两部分。必做内容侧重于“精、熟”，即理解实验知识、熟练操作实验设备、掌握方法，面向全体学生。选做内容是对必做内容的拓展，侧重于实验原理深入探究、知识与方法的应用，培养学生主动思考、研究分析能力，面向学有余力且有积极探索精神的学生。50%以上的实验设有选做内容。

3.3 课程质量评价

OBE教育理念强调“持续改进”，要求能够建立具有“评价-反馈-改进”循环特征的持续改进机制[14]。教学团队经过长期研究和摸索，制定了“六三三”课程质量评价机制，如图3所示。

图3 “六三三”课程质量评价机制示意图

首先，评价主体是多元的。根据课程相关度分析，评价主体涵盖了教师、学生这两个直接相关方以及教学组、专委会、督导和各理工科专业四个间接相关方。六方在评价机制中各负其责，各有侧重。教学组负责课程质量评价方案编制以及达成度评价，并提出改进意见。专委会则以教学专家的身份对总体方案把控和评价，侧重于方案实施前的合理性评价以及方案改进有效性的评价，属前置评价。教师是课堂教学的具体实施者，负责实验项目实施过程以及教学结果的分析和评价；学生作为利益接收方，负责对自身学习结果及教师教案设计、教学方法、专业能力等方面评价；督导负责课堂教学实施过程中教师和学生状态的评价，属过程评价；各理工科专业则从客户角度对课程实施效果评价，并提出改进意见，属事后评价。

其次，评价机制包括三个循环，一是课程总体质量评价大循环，二是具体实验项目质量评价小循环，三是课堂过程质量评价微循环。三个循环覆盖了全部教学过程，可以说，只要有教学活动就有质量评价。

再次，该评价机制由低到高、从微观到宏观设计有课堂教学、实验项目目标和课程目标三个层级的评价。课堂教学评价来自学生在实验过程中的表现，需要实验教师密切关注学生的课堂表现，并随时调整教学内容、顺序或者方法，保证当堂或者下一堂课即产生效果。因此课堂教学评价必须保证高度的机动性、及时性和灵活性。它是动态的，可以没有固定的格式和要求，也不需要书面的报告。实验项目评价则至少以学期为周期，综合考虑学生实验成绩、问卷调查和督导三个方面的结果，评价具体实验项目的目标达成度，并根据结果调整教学方案，在下一个授课周期实施。课程评价则以学年为周期，综合各实验项目的表现和各理工科专业的评价，形成课程目标达成度。

4 实践和总结

山东科技大学物理实验中心以OBE教育理念为指导思想，经过十多年的研究、探索和实践，逐步形成一套相对成熟、完整且可执行性强的大学物理实验教学体系。依据该教学体系，物理实验中心在学生培养、教师成长、教学方面取得了较好的成绩，现将最近五年成果展示如下。学生培养方面，每年完成约5000名学生的大学物理实验教学任务，每年组织并指导学生参加山东省物理科技创新大赛，获得一等奖11项、二等奖和三等奖若干项，指导学生完成10余种自制教学仪器开发。教学研究和改革方面，承担教育部高等学校教学研究项目1项，获得全国煤炭行业教学成果二等奖1项，承担教育部产学合作协同育人项目10余项，承担校级教学改革项目5项并获得特等奖和一等奖各1项，发表教学研究论文30余篇，出版大学物理实验行业规划教材2部。教师成长方面，培养“泰山学者青年专家”1名，承担山东省教育厅“山东省高等学校青创人才引入计划”建设团队项目2项，获得校级优秀教学团队1次。

综上所述，以OBE理念为指导思想的大学物理实验教学体系目标清晰、内容衔接紧密且逻辑性强，课程质量评价机制客观有效，对地方性应用型高等工科院校开展物理实验教学提供了积极的借鉴意义。