基于“OBE”和“新工科”理念的《大學物理》教學模式探索

摘 要：習總書記在黨的十九大報告中提出：“創新是引領發展的第一動力，是建設現代化經濟體系的戰略支撐?！痹谏鲜鲋笇枷氲囊I下，文章基于“OBE”和“新工科”兩種教育理念，結合大學物理課程的特點，研究并提出了一種創新型教學模式（PREI），理論和實踐說明該教學模式有助于創新人才的培養。

關鍵詞：OBE；新工科；云課堂平臺；大學物理；PREI教學模式

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）18-0001-05

Abstract： In the report of the 19th National Congress of the Communist Party of China （CPC）， General Secretary Xi put forward： "Innovation is the first driving force to lead the development and the strategic support to build a modern economic system." Under the guidance of this guiding ideology， the paper， based on the two educational concepts of "OBE" and "New Engineering specialty"， as well as the characteristics of the university physics subject， puts forward an innovative teaching model -PREI， and demonstrates that the teaching model is conducive to the cultivation of innovative talents with theory and practice.

Keywords： OBE； new engineering specialty； Cloud classroom platform； College Physics； PREI Teaching Model

“OBE”[1]教育理念是基于產出的教育模式；“新工科”[2]理念的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才；不管是OBE的理念還是新工科理念，都需要確定培養人才的目標——即培養什么樣的人才？習總書記在黨的十九大報告中提出：“創新是引領發展的第一動力，是建設現代化經濟體系的戰略支撐。”創新靠什么？發展靠什么？靠人才。高校作為優質人才培養的基地，應推行“創新”教育，而課程是人才培養過程中最基本的要素和載體，因此創新教育最終要落實到每門課程的實際教學過程中。物理學科是一門探索自然界客觀規律并應用客觀規律的學科，物理學從某種程度上可以說是一門實驗科學，它是一門理論嚴謹、實踐性和應用性都很強的學科，所以在該課程教學過程中進行創新教育不僅是現代化經濟體系建設的要求，也是物理學科自身性質的要求。目前談“OBE”和“新工科”兩種教育理念的比較多，但是在兩種教育理念下進行大學物理課程教學改革研究方面可以說還是剛剛起步，因此如何在兩種教育理念下進行大學物理課程教學進行大學物理創新教學模式研究是當今一個重要的研究課題。

本文通過對該課題研究與不斷教學實踐，提出了一種培養創新人才的創新型大學物理教學模式，即：PREI教學模式。PREI（Problem Research Expand Innovation）是基于問題研究、拓展、創新的教學模式，通過PREI教學模式可達到夯實內化基礎知識、培養創新意識、創新能力和科學研究素質的目的，PREI教學模式要求課程教學做如下工作。

一、PREI教學模式對教學內容提出了更高的要求

PREI教學模式首先需要提出研究性問題，研究性問題要具有繼承性強、拓展性強、應用性強、創新性強的特點。因此首先需要梳理大學物理各個知識點的特點，重組大學物理內容，使大學物理教學內容模塊化，提高教學內容的挑戰度。例如大學物理光學部分有光柵衍射知識模塊，把光柵知識可設定為問題研究，在夯實知識點的基礎上拓展到相位型衍射光柵的理論研究，進一步拓展到光釬光柵器件、光柵傳感器件等應用方面的研究，通過拓展研究達到創新的目的。再例如大學物理中有簡諧振動模塊，把其作為問題研究，可拓展到分子、原子、等離子體的震動等等，從而可以拓展到金屬表面等離子體共振增益效應的前沿知識的創新性研究。按照上述思路，梳理大學物理的各個知識模塊，把可拓展創新的知識點進行重組，實施PERI教學。

二、PREI教學模式要求課程網絡平臺建設

PREI教學模式需要把研究性問題在課前傳遞給學生，需要學生課前通過自學、查閱中英文資料進行自主研究問題，然后提交反饋給教師，從而便于學生和教師都帶著問題進入主課堂。因此PREI創新教學模式需要把研究性問題以“微課”翻轉課堂的形式通過一個平臺傳遞給學生，利用我校引入的清華大學教育技術研究所研發的支撐高等教育教與學的網絡支撐環境的綜合平臺，簡稱石大云課堂平臺，學生通過該平臺的翻轉課堂模塊進行自學，圖1（a）是電腦播放圖，圖1（b）是手機播放圖，然后就拓展的問題查閱資料進行研究，把研究成果提交石大云課堂網址的課程作業欄目。

另外石大云課堂平臺是一個交互性、學生學習情況統計性很好的平臺，在云課堂平臺上可以在教學資源中不僅可以添加和課程相關的課程資料，例如課程PPT、課程授課視頻、課程微視頻、課程測試題目、課程創新資源以及用于教學的各種輔助資料等；更重要的是在該平臺上可以通過教學活動欄目和學生進行互動式教學，例如可以設置課程問卷、課程作業、在線測試、播客單元、課程答疑等互動環節。

該平臺還有手機客戶端，可以實現隨時隨地與學生就研究性問題進行互動。手機安裝優慕課，在優慕課中可以打開自己的課程，進行相關教學資料的學習以及關于某一話題與老師進行互動交流。

大學物理課程組根據PREI教學模式的需求和大學物理課程的特點，在該平臺上進行了大學物理課程建設，建有“課程學習、教學資源、課程作業、翻轉課堂[3][4]、科技創新、實驗視頻、授課視頻、答疑討論、科學計算”9個模塊，如圖2所示，（a）是電腦顯示的結果，（b）是手機顯示的結果。

三、大學物理PREI教學模式需要實驗創新平臺建設

由于大學物理是基于實驗的一門科學，一些物理問題的研究往往需要設計實驗進行研究，因此為保證PREI創新教學模式的順利實施，需要對實驗創新平臺進一步完善。為了讓現有實驗平臺與PREI創新教學模式有機的融合，把大學物理實驗室中的175項實驗分成了演示性實驗和研究拓展創新性實驗，表格1是實驗創新平臺的部分試驗項目。其中演示性實驗在課堂教學中起到輔助知識點內化為學生能力的作用；研究性實驗平臺是在第二課堂中在教師的引導下學生自主研究、拓展的平臺，通過自主研究拓展物理知識達到培養學生雙創能力的目的。

四、大學物理PREI教學模式需要虛擬數字化模擬平臺建設

由于大學物理問題研究過程需要數字化和可視化，因此PREI創新教學模式需要一個虛擬數字化模擬平臺，而虛擬數字化模擬需要一個軟件平臺，因此大學物理課程教學團隊創建了兩個數字化平臺輔助于教學，其中一個平臺是MATLAB數字化平臺，如圖3是通過MATLAB數字化平臺研究圓孔分辨率問題的仿真[5][6]；另一平臺是基于c語言的交互式科學計算平臺[7]，圖4是基于該平臺做的等傾干涉的仿真，其中設置了一些參數變量滑動條，通過這些滑動條的移動能清楚明顯的觀察到參數變量與實驗結果的動態變化關系。以上兩個數字化平臺齊頭并進建設，分別建設有物理知識點模擬仿真項目108項和67項。

虛擬數字化模擬平臺的使用和物理問題的模擬需要老師去引導學生，由于大學物理課程課時所限，把這項內容以微課的形式上傳云課堂平臺，充分發揮學生的自學能力和教師的指導作用?？茖W計算微課制作初步如圖5所示，其中圖5（a）是電腦的登錄的圖面，圖5（b）是手機登錄的圖面。

五、大學物理“三平臺”驅動“主課堂”的PREI教學模式的實施

PREI教學模式基于“互聯網+教育”背景的，目前“互聯網+教育”逐漸引起了教育工作者的重視并進行了相關的研究[8][9]，而PREI教學模式融入了“問題導入式”、“案例式”、“研究式”、“線上線下式[10]”、“混合式[11]” 、“翻轉課堂式”、“第一課堂大班教學，第二課堂小組研討式”、“拓展創新式”等多種教學模式。

PREI教學模式是基于三平臺驅動主課堂教學思想的，如圖6所示，云課堂上承載著主課堂上需要學生提前線上研究的教學資源，是主課堂的主要推動力，實驗創新平臺和數字化平臺是主課堂問題研究的拓展創新平臺，可以說是主課堂的雙翼，只有通過這兩個平臺上的創新工作，才能達到培養創新人才的目的。

PREI（Problem Research Expand Innovation）是問題研究拓展式的教學模式。PREI教學模式流程圖如圖7所示。該教學模式首先要提出問題，借助石大云課堂平臺上的“翻轉課堂”模塊，在翻轉課堂模塊中采用拋磚引玉式添加授課視頻，拋出具有應用和拓展研究的問題。課前學生在云課堂平臺上觀看視頻，并通過網絡查閱拓展問題的中英文資料，形成自己的觀點和研究思路后帶入主課堂進行深入研究討論，課后在第二課堂，通過實驗平臺和虛擬數字化雙平臺進行問題的拓展研究。課后拓展的問題通過科技小組的研究并形成創新性的成果上傳云課堂平臺的課程作業，圖8（a）是部分學生上傳作業的情況，圖8（b）是手機版查看的未交作業的情況。上傳后的科技創新成果擇優組織學生在主課堂上進行PPT答辯，圖9是學生答辯場景。

六、PREI教學模式實踐結果分析

教學實踐說明大學物理教學中采用PREI教學模式是課程本身特點的需求，同時又是培養“雙創”人才的需求。實驗班的大學物理教學引入了PREI教學模式，實踐結果顯示實驗班不僅在卷面成績方面優于常規班，在雙創能力、批判性思維能力、團隊合作能力等方面也高于常規班。

（一）期末卷面成績的對照

該教學模式對學生期末成績的分布起到了一定的影響，圖10是采用PREI教學模式的實驗班和未采用該教學模式的常規班的期末卷面成績的對照圖，由圖可以看出對于大約75分以下的同學來看，兩個班的成績差別不大，這些學生經調查發現，他們很少主動去網上學習反轉課題模塊教師拋出的問題，更是很少去網上查閱查閱相關資料，因此實驗班的這批同學的成績與常規班的差別不大也不足為奇了；但是對于75分以上的同學，實驗班的成績明顯高于常規班的學生，這說明對于學習能力較強的學生而言，采用PREI教學模式后的教學成績普遍比常規班高，他們分析問題解決問題的思路明顯比常規班要有條理性和批判性。

（二）創新能力的對照

通過PREI教學模式的課后拓展研究工作，以及科技小組的答辯回報工作，大大提高了學生對問題的研究創新能力，同時也提高了學生的創業意識，總之學生的“雙創”能力得到質的提高。在大學期間體現學生“雙創”能力的項目是大學生創新創業項目，在《大學物理（2-1）》教學結束后，實驗班的優秀學生大都組成了不同的團體申報了大學生創新創業項目，申報命中率98%以上。另外科技小組通過實驗平臺研究拓展了一些實驗項目，例如：蛇擺、珠競走、地下車庫定位導航系統、全息三維投影技術演示儀、高斯來復槍、消失的電力、智能磁流變液制動裝置、基于多集接收技術的LED光通信演示儀、波分復用音頻傳輸綜合演示儀、基于磁耦合的無線輸電裝置等項目都是學生的拓展作品；學生的數字化平臺作品也在學校進行了集體展評，得到了全校師生的好評。通過PREI模式的教學后，實驗班的優秀學生可以說基本上具備了雙創人才的特征；而常規班的學生創新創業的意識相對而言比較弱，申請大創項目的學生相對而言也很少。

經過一年的PREI教學模式的實踐，基于三平臺的PREI教學模式有利于學生對知識的深化、內化、拓展，有利于學生批判思維的培養，更有利于學生創新能力的培養。

參考文獻：

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