大學物理課程教學模式五化建設創新實踐

摘 要 伴隨我國教育模式創新、教育信息化發展進入數字化建設新時期，高等教育中人才培養模式、教學育人模式、學科發展改革已經迫在眉睫。針對大學物理課程教學在新工科人才培養中的重要作用，本文提出一種五維多元化建設的大學物理課程教學創新模式，加快實現教學資源數字化、教學內容可視化、教學設計多元化、教學對象趣味化、教學過程標準化。通過課程教學五化建設使得教學模塊有機融合，促進課程教學實現規范化、立體化，達成全方位育人教學目標，培養學生科學素養、求實精神、創新思維、家國情懷。

關鍵詞 大學物理;教學創新;數字化;多元化

大學物理課程是自然科學領域和工程技術的基礎，作為一門理論與實踐性均較強的理工科課程，其創新理論與邏輯方法已經滲透到工程、技術、生活等各領域，并有機融合應用于教育教學、科技項目、工程技術等各環節[1]。2020年教育部印發的《高等學校課程思政建設指導綱要》對新時代人才的培養提出新要求，課程團隊在教研中不僅要向學生傳授現代化技術應用的知識和技能，而且要注重學生價值觀的塑造和綜合能力的培養。要著力把知識、能力、價值觀三方面的培養作為有機整體，全方位推進教學改革[2]。在“新工科”建設背景下，深度拓展大學物理課程教學深度和廣度，充分挖掘大學物理課程特色和思政要點，開展大學物理課程教學模式改革與探索具有重要意義。

1 大學物理課程教學五化模式建設

利用現代信息技術推進大學物理課程數字化，能夠充分利用學生直接感官功能，激發學生學習積極性，拓展學生思維想象空間，培養學生創造能力，彰顯自然科學獨有的課程特色和魅力[3]。Cascarosa等人的研究表明，傳統的課程教育是以傳達理論概念為基礎，他們的研究發現建立了基于科學事實的教學案例和心理模型，這對指導學生掌握知識具有重要意義，雖然基于模型的科學教學在一些高校取得了不錯的效果，但這在大學課程的物理教學方面研究不多[4]。本文從教學資源、教學內容、教學設計、教學對象、教學過程五個維度開展大學物理課程的教學設計與改革（見圖1），在教育信息化建設背景下探索適應新時代發展、富有創新性、兼具活力與動力的大學物理課程建設新模式[5]。

1.1 教學資源數字化

習近平在國際教育信息化大會指出，當今世界，科技進步日新月異，互聯網、云計算、大數據等現代信息技術深刻改變著人類的思維、生產、生活、學習方式，深刻展示了世界發展的前景。因應信息技術的發展，推動教育變革和創新，構建網絡化、數字化、個性化、終身化的教育體系，建設“人人皆學、處處能學、時時可學”的學習型社會[6]。在教學設計中，教學資源是用于支持教學活動的各種材料、工具和技術，例如PPT、視頻、音頻、模擬軟件等。而教學內容則是指課程中需要傳授的知識點、概念、理論和技能等。我國數字教學資源的開發和服務水平正聚力發展，而教師信息化教學創新能力與新時代要求存在脫節問題，專業教學和信息技術融合需要提升。因此，教育行政部門、高校等載體需共同提高數字教育資源服務水平與管理水平，探索教育信息化背景下教學資源數字化新模式[7]。

秉持“優勢互補、共建共享、內容創新、協同發展”的原則，參照國家精品網絡課程建設標準，在課程教學中引入微課堂、微視頻、微互動等教學模塊，提升傳統課堂數字化水平，開展校際間課件、視頻、習題庫、教學案例共享。通過數字化反饋與評價完善課程建設，鼓勵學生參與共同建設課程案例資源、思政反饋案例庫，建立多層次、多模式、多渠道的高質量課程數字化資源共建共享體系[8]。此外，支持原創大學物理教學資源、保護數字版權等，以提高高校教師共享貢獻度，完善分擔與按勞分配的共享制度，探索知識產權保護和共享激勵政策互相促進的數字化支持系統，保障大學物理課程數字教學資源建設體系的良性發展。

我國已逐步邁入教育信息化2.0時代，教育資源從專用轉向通用走向開放化、數字化，這需要教師快速提升發展自身信息技術的能力，對傳統課程資源進行結構重組、模式重塑、資源合理配置，借助信息技術創新性地融入教學，成為新一代的“數字教師”[9]。

1.2 教學內容可視化

教學內容可視化是一種利用圖像、動畫、視頻等形式直觀呈現教學內容的方式。可視化的知識傳授更加形象直觀，符合人腦直觀的記憶模式，大學物理課程是一門邏輯性強、知識點涉及范圍廣、知識點聯系緊密的學科課程。借助思維導圖、總結結構圖、視頻圖片可視化展示等方式，幫助學生梳理物理知識點之間的邏輯脈絡、抓住學習關鍵、掌握知識重點、解決學習難點，有利于培養學生主動思考能力、想象力和創造力。通過互聯網、高校資源庫等建設渠道獲得大學物理課程有關的圖片、動畫、視頻等媒體素材，我校已與杭州電子科技大學等國內高校合作進行資源共享、以可視化形式向學生講授課程，例如波動光學一章中獲得相干光的方法、光的衍射、光的偏振等知識點講解時，實驗過程用動畫、視頻展示，原理用圖形、動畫或視頻呈現，把抽象的、難以理解的內容形象化，合理使用可視化技術可以達到事半功倍的效果。

1.3 教學設計多元化

現代化課堂教學采用傳統板書與多媒體相結合的教學手段，采用案例式、討論式、啟發式教學課堂設計，教學設計中注重多元化，將各色教學手段和方法有機結合，旨在提高學生的學習興趣，促進學生的全面發展。融合德育與智育相結合的課程思政要點，教學設計中結合社會主義核心價值觀將德育與智育有機結合，通過虛擬教研室開展校內外資源重整、在線教學設計深度拓展大學物理課程原有教學資源[10]。課程教學中不僅傳授給學生的基本概念、基本規律、基本思想，而且培養學生學術創造能力、科技創新力、愛國情懷，增強當代大學生為實現中華民族偉大復興中國夢貢獻青春力量的責任感和使命感。在現行的教學改革實踐中，注重生活化物理知識的滲透，預期建設成為一門以“課堂教學+ 思政教育+ 能力反饋+創新思維展現”為核心特色，滿足學生集思想提升、能力培養于一體的新概念教學設計。

用討論式教學、翻轉課堂、實踐實訓等教學活動增加師生課堂互動學習，充分調動學生的學習積極性、主動性，引導學生主動分享觀點、討論流學習，以小組展示的形式進行案例的分析和研究。互動中教師觀察與記錄學生物理基礎、科學的世界觀、人生觀、價值觀的提升與轉變，引導學生增強創新思考能力、實戰操作能力、思維發散能力等。

1.4 教學對象興趣化

在課程教學過程中，教師可以將學生的學習效果視為一面鏡子，透過這面鏡子反映教學水平、教學過程存在的問題，增強與學生的溝通與合作調整相應的教學策略。同時，將每節課的知識點見解串成一段故事，采用問題導入、趣味化故事提問、名人趣事等情境等方式引導學生在學習過程中提出問題、趣味化分析問題、多樣化解決問題，形成師生共同參與的教學課堂增進大學物理課堂濃厚的學習氛圍，讓大學物理教學激發出生機和活力。

課程建設始終秉承“理論+實踐、趣味服務學生、學生創新發展”的理念，對教學手段進行趣味化設計與改進，構建可視化、網絡化、模塊化的視頻互動資源庫。教師全程動態觀察學生學習全過程，以同伴視角理解其思路，讓學生在實踐中感受到物理的魅力[11]，從而提高學生學習興趣，激發創新思維。

1.5 教學過程標準化

后三個階段，分別采用不同的教學策略，以提高教學的綜合水平和質量。

首先，教學過程需要個性化教學。在課前準備階段，教師可以結合學生的興趣愛好和特點，設計個性化的學習資源，激發學生的學習興趣和積極性。在課中授課階段，教師可以運用多媒體技術，如視頻、音頻、動畫、虛擬現實等，生動形象地呈現知識點，增強學生的記憶和理解能力。第三，教學過程需要互動式教學。在課中授課階段，教師可以采用互動式教學，如小組討論、案例分析、游戲化教學等，激發學生的思考和創造力，培養學生的合作精神和領導能力。第四，教學過程需要精準化評估。在課后復盤階段，教師可以采用精準化評估方法，如在線測試、反饋問卷等，及時了解學生的學習情況和反饋，為后續的教學改進提供有效的數據支持。最后，教學過程需要實踐教學。在課后復盤階段，教師可以引導學生進行實踐性學習，如實驗、調研、項目等，將理論知識與實際應用相結合，提高學生的綜合素質和職業能力。通過調研和項目實踐，可以讓學生將物理知識應用到實際問題中，培養學生的解決問題的能力和創新意識。

2 教學五化模式實踐與成效

首先，通過生活化實踐教學過程全方位設計與鍛煉幫助學生準確理解物理概念和規律，認識物理基本理論及發展歷程，培養學生創新思維和發散思維，是本課程培養學生創造力的主要陣地。其次，大學物理課程實踐可視化、生活化實踐教學環節，在傳授知識的同時注重學生分析、解決問題能力的培養，注重啟發學生務實精神和創新意識[12]。將教學實踐與思政元素有機融合，結合教學數字化、標準化、趣味化的教學模式，教師與學生在實踐過程潛移默化地提高自身道德素質和行為修養，更好地實現學生知識、能力、素質的全面發展。

2.1 教學五化模式建設過程

以大學物理中光學部分重要的知識點波動光學模塊為例，通過情景引入方式給予學生代入感，引用優秀的科學家生平優秀事跡來啟發學生，借鑒優秀教學成果、教學方法和教學案例開展研討式案例教學，設計和制作波動光學教學視頻并利用生活實例、新科技成果等融五化模式于教學基本過程。

（1） 趣味化設置情境引入。不直接介紹波動光學的輝煌歷史進程、諾貝爾獎等，而將這些情境預設為發生在身邊的故事與之對比，引出重要歷史事件和名人趣事等。將電影式情境在波動光學的應用與思政元素結合，設置問題懸念幫助學生產生因果循環興趣，此過程中引入光的本質、規律等知識點，將枯燥的知識點趣味化。課堂小結即是故事揭秘、謎語揭底環節，這保證全程的趣味性和關注度。

（2） 可視化展示動態知識點。將光的波粒二象性、光的干涉、衍射等概念采用圖片、聲音、動畫、視頻等信息形式動態呈現，通過可視化知識點將靜抽象知識點具體化、形象化，引導學生深入理解光的干涉、衍射、偏振的本質與聯系[13]。進一步列舉光的干涉、衍射、偏振現象在生活中的應用，借助信息化網絡手段豐富媒體素材促進學生理解。

（3） 標準化實施翻轉課堂。用標準化的教學來闡釋生活現象，例如在課程設計中利用虛擬教研室標準化開展備課與反思、標準化開展翻轉課堂（見圖2），將相控陣列雷達、光信息處理等實際應用標準化融入教學過程，通過啟發式、案例式講授幫助學生梳理知識點及邏輯關系，這些標準化過程能夠提高平均水平，有效提高學生的學習熱情和內在驅動力。

2.2 生活化物理現象與理論傳授

猶如《墨經》里對小孔成像的紀錄，《革象新書》中闡述小孔成像原理都能夠將生活化物理現象采用故事情節來敘述，讓藝術感來說話，摒棄傳統講述高效將中國優秀傳統文化的現實意義如行云流水般滲透到學生心里。倡導學生用發現美的眼光看待世界，引導學生總結知識點的內涵。例如相干光現象描述中，光程差與相位差的關系可以用生活中膠帶層數不同來觀察，“光的偏振”現象中用“偏振片”去解析復雜多變的生活情境。通過動畫、漫畫展示、演示模擬等情景式教學來具體化、生動化映射知識點，幫助學生實現興趣化學習并吸收光學知識點的目標。

2.3 用科創實踐牽引教學

大學物理作為自然科學課程，應該利用其科技性，如科學解釋日常生活現象用薄膜干涉原理來解釋太陽下五彩斑斕的肥皂泡、雨過天晴地面水洼處的油膜，引導學生將知識內化于心、應用于生活來開展發明創造。通過組織學生開展社會性科普宣傳讓學生深入理解物理知識，提高學生發現生活現象并用物理知識解釋的能力，培養其探索創新和求知的意識。

2.4 教學實踐反饋與總結

最后，五化建設在大學物理課堂中的部分教學班級設置為改革組，傳統教學班級設為參照組。原始數據為2021—2022學年7個班級，共計389名學生的大學物理課程的教學反饋數據，選取其中4個班級統計分析（見表1），包括學生的平時成績、期末成績、教學評價等指標數據，考慮控制變量，排除年級、專業、學科、學習強度等因素對學生成績的影響。

表1只選擇同一學期、相同專業設置2個改革組、參照組進行研究，對不同教學模式下學生的物理成績進行統計分析，檢驗大學物理五化模式的教學效果。首先，統計各組綜合成績的優秀率、及格率和平均分，學生綜合成績包括學生在大學物理課程中各階段的考試成績、小組測試成績、課堂互動成績等，能有效反映學生在大學物理中的學習情況和掌握程度等綜合評價指標。本文將綜合成績大于80分的學生定為優秀，60分為及格線。結果顯示，五化教學模式下的改革組學生平均分分別為85.5和82.9，分別超過傳統教學模式下參照組的學生平均分最高為12.08。這表明通過開展課程五化教學，學生綜合成績得到大幅度提高，及格率提高8.5%，尤其是優秀率提高30.71%，在一定程度上反映了學生學習積極性和內驅動力的快速提升，采取問題情境（景）、生活化模式顯著提高了學生對大學物理的學習興趣。

單因素方差分析（One-way ANOVA）是一種統計方法，用于檢驗三個或更多獨立樣本組之間是否存在顯著差異。它的基本思想是通過比較組內方差（Within-group variance）和組間方差（Between-group variance）來確定不同組之間是否存在顯著差異。若組間差異遠大于組內差異，則認為不同組之間存在顯著差異。本文首先對教學方法這一因素進行單因素方差分析，基于單因素方差分析結果進行各組的多重比較，即因素下各組平均成績是否具有顯著性差異。

從統計顯著性角度分析，利用原始數據，使用學生的期中成績、期末成績和綜合成績數據分別進行單因素方差分析，將實行五化模式教學的改革組與實行傳統教學模式的參照組分別進行t 值檢驗的統計比較（如圖3）。結果顯示，期末成績平均分和綜合成績平均分的單因素方差分析結果的plt;0.0001，說明不同模式下的學生成績存在顯著性差異。T檢驗結果顯示，在期末成績的平均分中改革組顯著高于參照組。而分析綜合成績的平均分可知，改革組1顯著高于參照組1和參照組2，改革組2顯著高于參照組1，但不顯著高于參照組2。這說明五化教學模式改變了傳統輸入型教學，將輸入輸出有機銜接，引導學生深度參與到大學物理課堂學習和互動中，學生綜合能力顯著提高。

此外，改革組學生綜合成績的標準差為8.23，分數的離散程度較小，低于參照組的15.46，說明通過引入的智慧數字化信息教學、翻轉課堂啟發式授課、微課堂等創新方法，大多數學生能夠較好地適應課堂教學并取得不錯的學習效果。同時，也說明結合不同學生的學習風格和差異化特征，提供個性化的教學思路開發多樣化的教學策略，完善五化教學模式可以幫助學生更好地理解大學物理知識。

通過比較教學五化模式和傳統模式學生成績各項模塊的得分情況（見圖4），發現在大學物理的公式推導、計算分析模塊中兩種教學模式得分率相近，傳統模式的得分率相對高一點，五化模式在綜合題型、實踐應用模塊題型中的得分率明顯高于傳統模式，分別為81%和80%。可見，傳統授課學生“灌輸”式學習后在計算推導類題目中效果尚可，而對于綜合實踐、應用類問題便顯得捉襟見肘，說明學生對物理知識缺乏實質性理解。因此，五化教學模式秉持理論與實踐相結合、實踐出真知的理念，充分調動了學生學習的主觀能動性，以學生為中心構建可視化、數字化、標準化的教學體系，開發微課堂、高校聯合數據庫等教學資源，制定多樣化教學策略，有效幫助學生將大學物理知識生活化、技能化、多元化。

從學生成績分布情況分析，選擇改革組2與參照組2的綜合成績進行比較，繪制綜合成績分布直方圖（見圖5）。從整體分布來看，改革組分數呈左偏分布，中等、高分人數較多。低分分數段中，參照組有5人，改革組有2人，可見經教學模式改革后，學生及格人數明顯上升，這表明開展翻轉課堂時應將培養學生自主學習能力作為首要目標。

從分布的集中趨勢看，參照組學生綜合成績在75～80分數段的占6人，在80～85分數段的占14人，參照組的學生成績大多數處于優良水平，改革組學生綜合成績主要集中在80～95的分數段，占該組總人數的55.93%，該比例明顯提高。對比發現大學物理五化教學模式在成績水平處于中等偏上的學生中取得顯著成效，說明五化教學模式將費曼學習法融入課程教學中，知識經過拆解重構、整合輸出，有效地幫助學生突破學習中的重點難點。

3 結語

實踐表明，圍繞大學物理課程開展五化建設對學生科學思維、創新意識、創造能力等能力培養具有重要作用。本文基于新工科背景對大學物理課程教學模式進行創新與探索，提出的大學物理課程教學資源數字化、教學內容可視化、教學設計多元化、教學對象興趣化、教學過程標準化的五化教學新模式勢在必行。這種模式經過實踐檢驗展示了較好的可操作性，將這一模式融入到教學實踐的各環節，能有效激發學生學習積極性，培養學生創新思維與創造力，彰顯自然科學獨有的課程特色和魅力。

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基金項目： 湖南省教育廳教學改革項目（HNJG-2021-0748，HNKCSZ-2020-0410）;湖南省一流課程《大學物理》;湖南省青年骨干教師培養計劃;江西省教育廳教學改革項目（XJG-2021-14）;湖南工商大學教改項目（YJG2021YB02）; 湖南工商大學《大學物理》課程思政示范項目。