OBE 理念下的物理实验课程教学设计与评价

潘小青， 叶会亮， 罗飞

(江西理工大学，a. 能源与机械工程学院；b. 理学院，南昌 330006)

成果导向教育（Outcome-Based Education,OBE）是指以围绕所有学生在完成学业之后都能获得实质性成功的核心要素来精准组织教育系统中的各种元素开展教学[1]。该理念信奉所有学生都能成功，并把学生获得成功的关键要素设定为学习的产出成果（outcome)，由此反向进行教学设计。 学生学习成果的检验需要经过清晰的认定和评估，因而教育应该以学生为中心。 OBE 的内涵可概括为“产出导向、学生中心、持续改进”十二个字。 这里的学习成果不再是传统意义上的学生相信、感觉、记得、知道和了解的具体知识，也不再是传统意义上的各种能力及可能涉及的价值观或其他情感因素[2]。 学习成果指具体的行为和表现结果，即学生最终能应用所学的知识和具备的能力做出什么。OBE 理念与新工科人才培养目标是一致的，新工科人才应具备开阔的国际视野、高度的政治敏锐性、深厚的人文素养及洞察力、厚实的自然科学理论基础、高超的协调和组织能力、实际的创新应用能力等[3]。 贯彻OBE理念要落实到整个课程体系设计， 围绕创新能力、创新思维、系统及批判性思维等新工科人才核心能力的养成。 对一门具体的课程而言，学习成果对应课程学习结束后学生具体能够做什么，产品是什么样子。 与学习成果相对应，教学要围绕学习成果来进行反向设计，即采用什么有效的方法帮助学生取得这些学习成果，通过什么样的评价方式知道学生已经取得了这些学习成果。以大学理工科公共基础课程——物理实验为例，OBE 理念下物理实验课程的学习成果的具体内容是什么，教学内容和教学过程的设计如何围绕学习成果开展，学习成果如何科学地进行评价。

一、OBE 理念下物理实验课程学习成果的确定

为适应新工科人才培养目标，基于OBE 理念，根据工程教育专业认证要求，学习成果主要涵盖七个方面： 一是能运用工程学、 科学和数学原理，识别、表述和解决复杂工程问题；二是能综合考虑公众健康、安全和福利，以及文化、社会、环境和经济等多种因素，应用工程设计解决那些有特定需求的问题；三是能与各类听众有效沟通；四是能根据经济、环境、社会、政治、伦理、健康和安全等方面的实际需要，设计可制造的和可持续的系统、组件或过程；五是能协同团队有效合作达成目标；六是能设计和实施实验，分析和解释数据，并用工程判断得出结论；七是能根据需要运用合适的学习策略获取和应用新知识[4]。

物理实验作为科学实验的先驱, 在实验思想、实验方法及实验手段等方面是各学科科学实验的基础。 物理实验课程在培养学生严谨的科学思维和创新能力, 培养学生理论联系实际, 特别是与科学技术发展相适应的综合能力等方面起着重要的作用[5]。 物理学原理与物理实验方法和技术是解决复杂工程问题的基础， 对新工科人才核心能力养成起着至关重要的作用， 为此物理实验课程的教学目标、 教学内容需要与学习成果七个方面的目标相适应。

（一）课程学习成果总体目标

物理实验的课程目标能够提供所有七种对应的学习成果，可分成知识、能力和素养三个维度，如图1 所示。首先，物理实验课程的知识，不仅包括原理知识、方法知识和技术知识，也包括相关跨学科的人文历史、政治经济和法律社会等学科知识。 其次，课程学习成果的能力表现包括对知识的理解与欣赏、具备批判性思维、有好奇心与创新意识。物理实验作为科学实验课程，通过一系列层次化结构化的实验项目，培养学生发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的能力。新工科教育最重要的是学生关键品性的养成，学生关键品性的养成也是落实立德树人这一教育的根本任务的必然要求。学生的关键品性包括科学精神、诚实守信、严谨认真等微观的文化品质层面，也包括家国情怀、社会责任、道德伦理等宏观的全局的意识层面[6]。

图1 课程学习成果总体目标

（二）课程学习成果具体内容

课程学习成果总体目标需要细化到具体的教学内容目标。原理性知识蕴含在力学、热学、电磁学、光学、 近代物理和高新技术原理等多个领域的各个实验项目中。 学生能由实验背景知道为什么要做这个实验，能欣赏科学实验的原创性思想。方法性知识体现在应用物理实验的思想、方法、手段和对物理实验现象进行分析与判断的过程中。 方法性知识还包括批判性思维和实验探索的好奇心， 如改变实验环境和条件处理变化的新问题[4]。 技术性知识是指各项实验技术的物理原理，如放大原理、转换原理、调零原理等。新工科人才不仅需要扎实的物理实验基础知识，还需要立足当下的人文历史政治经济等多学科交叉的知识， 综合考虑实验过程中的多种因素，如实验安全、环境因素、经济因素等。

物理实验能力可概括为问题主导的实验能力，即在实验过程的各个环节始终围绕问题进行。学生能力成果体现之一是在特定的实验环境和条件下，选取和应用现有实验仪器进行实验，能根据仪器说明书和教学资源等正确操作仪器；学生能力成果体现之二是在实验过程中通过仔细观察发现问题并提出问题； 学生能力成果体现之三是通过数据测量，分析问题表达实验结果，得出实验结论解决问题；学生能力成果体现之四是依据恰当的数据处理方法分析评判实验结果的可靠性并发现和提出新的问题；学生能力成果体现之五是能够用清晰的物理语言表述实验原理、方法、过程、分析数据并宣讲实验报告；学生能力成果体现之六是能通过小组合作共同完成创新实验。

基于OBE 理念，在物理实验课程教学中，学生的关键品性养成包括微观和宏观两个层面。微观层面上学生的个人文化品质，主要是科学品格，即严谨认真的工作态度和实事求是的品格。物理量的准确测量需要精心的实验设计，每个数据都需要如实记录，容不得虚假和伪造；实验操作需要遵守规范，实验过程要认真和耐心。探索精神的培养和创新意识的养成需要在实验过程中将物理原理与实验观察相结合。学生的团队合作意识需要通过实验过程中的沟通交流和小组协作等活动来养成。宏观层面上， 通过各个具体实验项目中科学技术的历史、现状和未来发展等的有机结合，在潜移默化中养成学生的家国情怀和社会道德意识。

二、课程教学设计

科学的课程教学设计是达成学习成果的必要条件。 OBE 理念下以学生为中心的逆向教学设计更加强调学生学习效果、学习目标、评价与教学活动的一致性[7]。 教学过程设计应该开展如下的常规训练：我们是怎么知道的，证据是什么，解释证据的论点是什么， 有无变通的解释或是其他更好的问题解决办法[8]。 即学习过程围绕解决实际问题进行知识构建、能力训练及品格养成，从而达成学习成果。 满足学生多样化和个性化学习的开放式、 复合式学习空间是实验教学环境和教学过程设计的基础。

（一）教学环境设计

1. 物理实验内容整合

物理实验课程内容主要包括误差理论和数据处理方法，力学、热学、电磁学和光学实验中的物理基本原理，基本物理实验方法和技术，常用物理仪器的使用等。实验内容要素呈现在每一个具体的实验项目之中。 实验项目按类型可分为基础实验、综合实验和设计与研究性实验三个层次，每一层次的实验项目依据课程教学目标进行整合，整合的方式有科教融合和科学人文结合。

科教融合，即科研与教学融合，是实验内容整合的常见形式，主要可以培养学生的批判性思维和不断适应环境变化的能力[9]。 教师科研实验中与课程相关的内容，通过创新创业项目、物理创新竞赛活动等融入创新实验，提高课程实验的创新性和挑战度。 创新内容的方法很多，可以采用不同的原理测量同样的物理量；可以换一种实验方法测量同样的物理量； 或用不同的仪器组合测量新的物理量；或采用不同的测量方法改进实验，用虚拟仿真技术模拟实验过程等。

科学人文结合是内容整合的另一种方式，即多学科交叉促进综合实验能力培养[10]。 可以将科学史故事渗透到教学内容中， 比如迈克尔孙-莫雷实验通过光的干涉法以极高的精度准确测量了光速，否定了期待的“以太”飘移说，尽管与实验想寻找的结论相违背， 却提供了一种精确的实验测量方法，而这一实验方法在一百多年后用于引力波探测又取得巨大成功。 这样的故事可深化学生对诚实守信、严谨认真等科学精神的理解，促进学生建立超越一门学科的多学科思维。

2. 教学资源建设

为方便学生能随时随地进入学习状态，教师需要建设丰富的课程学习资源， 除传统的物理实验教材外， 还包括虚拟仿真实验项目和在线课程两部分。 在线课程资源并非传统意义上的教材搬家，而是将各层次实验和创新实验按照成果导向的原则进行建设。 教学资源内容包含测量与误差理论、力学、热学、电磁学、光学等基础实验项目，综合实验和设计研究性实验项目， 探索性趣味性物理实验项目。 每个教学实验讲解视频包含实验的背景、原理方法、操作过程、数据记录与处理、问题和讨论六部分，每一部分都是学习成果的体现。 为方便学生自我检查，配套实验自测题300 多道，组成不同试卷。

仿真实验项目，是适应新工科建设要求模拟现场实验无法看见的实验过程。例如电学真实验不允许接线错误和无法看到电路中电流走向，仿真实验则提供电学实验试错的平台。仿真实验中出现接线错误时，会显示误操作提醒；当开关闭合后，能显示电流流向。 学生可以通过仿真实验先对实验方法、实验原理、实验过程有更直观的理解，从而在真实的实验过程中减少误操作。

整个教学环境设计如图2 所示。 通过内容整合，构建了由基础、综合和设计三个层次，以及科教融合和科学人文结合的实验内容体系， 适应不同学习成果需求。 通过实体实验室、 虚拟仿真实验项目、 在线开放课程和学习平台共同构成多元学习空间。

图2 教学环境设计

（二）教学过程设计

基于OBE 理念开展物理实验教学， 需要遵循学生的认知规律，让学生成为实验教学全过程的主角。 教学活动的设计流程包含“课前预习—课堂讲述—课堂实验—课后报告—课后创新”三阶段五单元。 整个教学流程从实验备课、讲解、实验操作、观察记录、小组讨论、撰写实验报告、创新实验及如何评分等多方面全方位训练达成学习成果。教学过程设计如图3 所示。

图3 教学过程设计

课前的实验预习以线上教学资源作支撑，学生只需要在实验课前按要求进行视频学习和参加自测，并完成规定格式的预习报告在线上提交，即完成第一个单元的课前学习[11]。 这一阶段的目的是让学生通过预习理解为什么要做及如何做这个实验。课堂环节由两单元组成， 即小组讲解和课堂实验。小组讲解是每个小组轮流一次的实验讲解，一个实验项目由一个小组负责，该小组在课前要制作好讲课电子教案，两人分工讲述实验原理与方法及实验过程与现象，并提出实验问题。 学生讲述结束后由教师补充，然后学生对讲述进行自评和互评。 课堂实验采用线上实验指导+小组合作+老师指导的多样化方式。 其中的实验记录要求如实描述实验过程、观察实验现象、分析现象对应的实验原理；实验过程中可以小组讨论，也可以组间互助，共同探讨相似问题。课后实验报告除按规范要求进行数据处理、误差分析和结果评估外，还增加了提出讨论问题环节，实验报告采用电子文档线上提交。 提出有创意问题的同学进入物理创新实验小组，开展创新实验设计，促进课程学习成果更上一个台阶。

三、课程评价

2020 年国务院印发的《深化新时代教育评价改革总体方案》明确指出，一方面要坚持面向人人、因材施教、知行合一，坚决改变用分数给学生贴标签的做法；另一方面要完善过程性考核与结果性考核有机结合的学业考评制度，加强课堂参与和课堂纪律考查，引导学生树立良好学风①http://www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/moe_1777/1778/202010/t20201013_494381.html。。 在OBE 理念下， 学习评价的目的不再是为了给学习效果分级，而是为了更好地促进学习，持续改进从而最大程度地达成目标。 现代课程评价更加注重通过评价促进人的全面发展，更加关注评价的过程性、多元性[12]。适应这一新的教育模式变化和现代教育理论的发展， 物理实验课程评价内容和形式也要对应作出改变。

（一）课程评价的内容

物理实验课程是一种具有整体性、实践性、生成性和自主性特征的课程， 它的特殊性决定了其评价要体现整体观、多元化、过程性和发展性等理念[13]。 因此课程评价的内容由实验教学过程各个环节共同决定，每一环节与学习成果的一个或多个内容相对应。 比如预习报告的评价指标是实验原理、方法、过程表述的正确性和条理性，主要对应学习成果中的知识目标。而学生的实验讲解环节主要对应学习成果中的问题识别、 语言表达和沟通能力。不同类型的成果依据评价指标让学生进行自评和互评。 实验操作过程涉及的评价指标有操作时长、操作规范、记录准确、问题针对性等；记录的数据包括正确性、有效数字、涂改程度、过程记录等，这部分评价内容主要对应学习成果中的能力和素养目标。各部分评价的类型按照内容分为量化评价和质性评价， 量化评价适用于有确定性答案的内容，质性评价适用于定性描述的内容。

（二）课程评价的形式

如何确定不同类型的评价在最终课程评价中的比例是一个持续探索的过程。物理实验课程要兼顾理论和实验两方面多个学习成果的维度，因而要以过程性考核为主，终结性考核为辅。 课程总评成绩由平时成绩占65%和考试成绩占35%两部分构成。 平时成绩由线上教学平台上的学习记录提供，包括视频学习占20%、 单元作业占60%、 其他占20%。 其中单元作业是指每一个实验项目的预习报告、过程记录和实验报告组成的大作业。 其他则包括章节测验、讨论互动、线上活动参与等。学生通过参与主题讨论或者同学间提出和回答问题获得积分。考试成绩由线下综合实验和实验讲解评分共同确定[14]。

（三）课程评价实施

通过教学资源平台对教育教学活动和学生行为数据的收集、分析和反馈，课程评价的实施变得实时高效[15]。 在教学实践中，先后在物理实验强化班和部分普通班级进行相应的物理实验教学改革。以自建的省级一流课程“大学物理实验”作为线上资源开展混合式教学，学生课前预习和课后实验报告都在学习通平台完成，可自动生成学习记录。 课堂实验中各关键步骤都设置了评价指标和自评互评，实验记录、实验报告及实验设计等均上传到学习通平台进行评分。虽然设定了物理实验各环节的评价形式， 但评价的目的着眼于教学的持续改进，即允许学生多次完成同一内容，取最高成绩作为相应成绩，从而增强学生学习的主动性和积极性。

OBE 是现代工程教育的新理念，不仅对新型工程人才培养的课程体系构建和实践教学体系构建提供指导，还对作为大学公共基础课程的物理实验教学具有指导意义。 通过仔细考察OBE 的内涵和新工科的新要求，物理实验课程的学习成果目标从知识、能力、素养三个方面以可操作的方式确立。以学习成果为导向进行反向教学设计，一方面通过科教融合和科学人文结合，另一方面以课程建设和仿真实验等开放式、复合式学习空间建构，设计了“课前预习—课堂讲述—课堂实验—课后报告—课后创新”三阶段五单元组成的教学活动。 通过对课程教学评价的内容和形式进行构思，并付诸教学实践达到检验学习成果的目的。