以“四維”能力導向的應用型本科院校大學物理及實驗課教學模式的創新與實踐

摘 要 本文針對培養“應用型人才”的教學目標，本文提出了以“四維”能力為導向的大學物理及實驗課程改革的思路，構建了“四位一體”循序漸進的課程體系，實行分層次、分級的教學模式，對教學內容進行模塊化、分層次重構，采用“問題+研究性”教學方式，為探索出有一定特色的應用型本科院校大學物理及實驗課程的建設之路作出有益的嘗試。近年來，我們進行了基于“四維”能力為導向的教學實踐，在具有不同專業背景的本科生參與的學科競賽方面取得了顯著成效，在教學成果獎、教改項目、教學論文等方面也取得了系列成果。

關鍵詞 應用型;“四維”能力;大學物理;物理實驗

隨著科學技術、文化的快速發展，社會需要高等教育能夠培養出更多高素質應用型人才，也對培養的數量和質量、結構和效益方面都提出了新的要求[1]。習近平總書記在全國教育大會上特別強調，高校要在增強綜合素質上下功夫，教育引導學生培養綜合能力和創新思維[2]。在高素質應用型人才培養的過程中，包含物理在內的基礎課程的教學模式是否滿足新時代國家經濟、科技和社會發展的要求，將直接決定本科人才培養的數量和質量[3]。應用型本科院校經過十幾年教學實踐和探索，在培養應用型人才方面獲得了許多寶貴的經驗，但是還需要與時俱進、緊跟時代步伐不斷進行教學改革。

大學物理及實驗作為高校本科生必修的重要基礎課程，在培養應用型人才中具有舉足輕重的作用，目前大學物理及實驗還在較多地沿用傳統的教學模式，側重理論知識的傳授，聯系生活和工程實際應用欠缺。在應用能力和綜合能力的培養方面，沒有發揮大學物理及實驗應用的優勢，因此大學物理及實驗課程應該遵循以學生為本、因材施教的教學理念進行改革，持續開展教學改革工作，制訂更適應學生發展的培養方案，并依據教學的實際需要對其進行完善[4]。我校在多年的教學實踐基礎上，確立了應用型本科院校大學物理及實驗課程改革的思路和特色，對其教學內容和教學體系進行改革，為探索出有一定特色的應用型本科院校大學物理及實驗課程的建設之路進行了有益的嘗試[5]。

本文圍繞一流課程建設和應用型人才自主培養質量提升，首創以“自主學習能力、知識應用能力、解決問題能力、實踐創新能力”之“四維”能力導向的教學理念，構建了“以能力為導向，層次化培養，多維度融合，追求卓越”為核心的人才培養模式，在教學內容、教學方法、教學手段等方面進行了歷經數年的改革與實踐，取得了一定的成效。

1 大學物理及實驗課程的作用與地位

大學物理及實驗是高校本科生必修的重要基礎課程。是基礎科學知識與科學實踐結合得最普遍、最典型的一門課，它對學生獨立學習、工程思維、創新實踐、行為養成等具有不可替代的作用[6]。我校每年要面向電信、機械、計算機、管理、應用經濟、護理等6個系，近2300名學生授課;同時開出大學物理及實驗3萬多人次。課程影響面大，學生受益面廣。

物理課程不同于高數和英語等基礎課，是實踐性較強的課程。通過開設大學物理，一方面為學生四年的系統學習打好物理知識和技能基礎;另一方面使學生學會初步的科學思維和研究問題的方法;同時通過開設物理實驗課程，提高其動手以及分析問題解決問題的能力，培養探索精神和創新意識以及嚴謹的科學態度。

學生通過一、二年級物理課程的學習，進一步端正學習態度、掌握科學的學習方法、養成良好的學習習慣，以盡快適應大學學習的規律。因此，物理課程的教學過程在對低年級學生進行“知識”“能力”和“素質”培養和教育方面具有其他課程不能替代的重要作用。

2 大學物理及實驗改革的思路與創新

大眾型高等教育是以培養應用型人才為主題的教育，高等教育大眾化是應用型本科教育的一個重要發展條件。在此教育形勢下，普通高校生源的知識結構及基本素質有了很大的變化，特別是應用型本科院校與研究型本科院校的學生相比較，有以下三點不足：學習基礎較差;接受能力和自學能力較弱;學習方法欠妥當。而學生在物理課程教學中突出表現的是：學習之初，普遍認為在中學已學過，大學為何還要學？ 表現出學習積極性不高，目的性不明確的傾向。

為了探索出有一定特色的應用型本科院校物理課程的建設之路，激發學生學習的積極性，加強學生應用能力的提高，切實提高課程的教學質量，本課程改革將“從頂層設計”的思路融到物理課教學過程中。

所謂頂層設計思路，有兩層含義：一層是根據應用型人才培養目標，按照應用型本科生應具備的“知識”“能力”和“素質”的要求，把知識內涵成能力，提高素質培養，三者互相促進，形成閉環，發揮合力。改革大學物理和實驗課程教學內容，構建新型教學模式和教學體系;另一層是建立和加強物理學與工程技術應用的關系，進一步加深學生對物理在工程技術領域前沿作用的認識與理解，強化應用能力的培養[7]。

物理的基本知識、基本概念通過中學階段及其高考的大量題海練習已初步建立，到了大學階段需要借助于高等數學所解決的物理問題，從某種角度上來說是服務于后續專業課中的工程問題。因為物理學中的每一個重大發現幾乎都會導致生產技術上的許多重大突破，而生產技術的進步又反過來促進物理學的發展，也就是說，物理學的發展與工程技術是息息相關的。因此，與其到了技術基礎和專業課學習中，學生才能體會到學習物理的重要性，倒不如在學習物理課之初，使學生就對物理基礎和技能在工程應用項目中的作用有初步的感性的認識，或者親歷其境的體驗，那將激起學生極大的興趣和求知欲。

對應用型本科生的物理教學在理論深度方面，無須像“一本”院校那樣注重理論厚重，但在應用能力培養方面并不低于“一本”院校，甚至在某些方面還要超過他們，因為我們培養的學生通常為從事一線的生產、建設、管理、服務的高級應用人才。因此，確立物理課程教學建設與改革的指導思想———“加強實踐，重在應用”，將“以應用能力培養為核心”的理念貫穿于物理課程的整個教學過程中。突出物理學的應用性和實踐性，注重學生動手實踐能力的培養，為學生將來從事實際應用和操作等方面的學習打下良好的基礎。

物理實驗從教學內容到組織形式樹立“強化應用、壓縮經典、重視現代”的指導思想，在實施方式方面，貫徹因材施教，按不同專業，不同要求，分模塊教學。具體而言：（1）要從一、二年級開始就應加強對學生動手能力、應用能力的培養。在開設經典實驗的基礎上，建立以培養應用能力為主體的實驗教學基地。該基地以教師開發用于學生感性認識，或者親歷其境體驗的側重生活實際和工程訓練的綜合性實驗，動手制作適合學生動手能力以及應用能力培養的教學儀器，加大學生動手能力培養的力度。同時適時組織學生參與部分儀器的制作、調試和操作以及物理實驗技能競賽、物理實驗興趣小組（開放實驗）等。使該實驗基地成為學生進入大學后（第一學年和第二學年上半學期），進行動手能力、分析問題解決問題能力培養的第一教學基地和實驗場所。（2）按照工科類和經管類分為兩大類，而工科類又分為電類和機類。按上述模塊組織教學。不同的模塊中理論和實驗的內容、組織形式和教學模式以及教材均有所不同。（3）構建以虛擬實驗室、演示實驗和仿真實驗為主，且包含虛擬課堂、線上輔導、線上測試、線上答疑、物理論壇等欄目的網絡教學平臺，補充和延伸應用教學和實踐系統。

3 大學物理及實驗教學改革的主要內容與措施

著力構建“教學+研討+實踐+競賽”“四位一體”循序漸進的四層次課程體系（見圖1），加快推進教學模式從傳統的知識傳授型教學向應用型教學的轉變，努力建立以學生為中心、以教師為主導的人才培養模式，基礎教學突出一般性原理、方法的訓練，以講清物理規律和知識應用為主;課后小班研討課形成以應用實例、工程案例為中心的“探索、驗證、求實”的教學模式。實踐教學由基礎、綜合及開放實驗構成，突出實驗方法、動手技能、創新意識以及與現代科技的結合。

3.1 改革大學物理教學，培養學生知識應用能力

對大學物理課程的教學內容和教學體系進行改革，探索構建新教學模式，即以生活或工程實際應用項目引導教學實踐，整合全部理論與實驗教學內容，使整個教學活動以若干個生活或工程實際應用項目為引例，建立各部分的理論知識與工程項目相對應的關系，加強理論與實踐、與技術基礎課以及專業課的有機結合，從而激發學生學習的積極性，加強應用能力的培養力度，有效提高大學物理課程的教學質量。具體措施如下。

3.1.1 優化教學模式

采用“教、學、做”為一體的搭積木式教學方法，教學突出實際項目的引導地位，學習突出重點、難點，并將演示及實驗融入其中。第一階段，即課程教學初期，通過組織參觀實驗室的實際項目以及動手做相關工程項目簡單的操作或組裝實驗，或者觀看演示實驗及相關的實景錄像，使學生建立起物理與生活實際或工程項目之間的感性認識，初步了解物理在工程技術中的作用和地位。從而使學生學習的興趣和目的性增強。第二階段采用理論與實踐相結合的方式，將積木模型（即實際項目）拆散，重新歸類，按歸類形式引入到課堂和實驗教學中。從而使其對大學物理的學習有更加系統、深刻、完整的理解與認識。

3.1.2 重構課程內容

加強理論與實際應用的有機結合。將壓縮經典、強化應用、重視現代這一理念貫穿于理論與實際應用中去。在內容上突出以生活或工程實際項目組織物理課程的教學，并對知識的結構按照搭積木的形式重新構建。例如以力學、電磁學、熱、光分別組織或者貫通幾部分理論的學習。引導與組織物理教學，重新組織理論教學模式。例如：以電動機和電磁儀表引導電磁理論部分的學習;以醫學用B超引出振動與波動知識的學習等。

課堂講授內容貫徹“以應用為目的，以必須夠用為度”的原則，始終以掌握物理概念，強化應用，培養學生技術應用能力為主線來構筑物理教學內容體系。在每一部分的講述中盡可能地將工程應用背景與物理學原理相配套，使學生拓寬視野，加深其對物理原理在工程技術應用作用的理解。授課時應減少理論推導，以講清物理規律的意義和應用為主。加強物理應用例題的講解，培養學生的應用能力。同時要在教學內容中反映現代工程技術和現代物理的新進展和重大科技成果，擴大學生的知識面。根據我校電信、機械、計算機和經管類等專業的特點以及培養能力和素質的要求，精選經典物理教學內容，注重物理知識在科學技術及生活實際中的應用，特別是在電信工程、機械工程中的應用。

3.1.3 采用分級教學方式

確立以加強學困生的基礎學習和提高學優生的能力為側重的“抓兩頭帶中間”的教學思路。在充分調研同類學校，征求本校內各個系的意見的基礎上，根據人才培養和數理基礎的差異，在工科類的物理教學中實施“分級教學”，設立試驗班和普通班。將數理基礎較好、發展目標較高的學生分為Ⅰ級，其他的分為Ⅱ級，同時，設立可進可出的動態流動機制。按照不同學生群體的實際情況，更好地進行因材施教，培養一部分學生的知識應用能力和創新能力，具體做法如表1所示。

3.2 進行小班研討，提高學生自主學習能力

根據學生個性化發展要求，利用晚自習開設“物理專題”小班研討課，小班研討采用“SPOC+翻轉課堂”形式進行，在整個教學環節中采用了以“問題+研究性”學習為主的教學方法。其中，研究性學習是學生自主地獲取知識和技能、體現和了解科學探討的過程和方法、形成樹立科學價值觀的活動過程。教師課前在SPOC平臺下發工程案例、前沿科學、時政素材、科學史等應用案例的教學資源進行自主預習，引導學生積極思考去發現問題。課中老師組織學生對案例進行思考、分析、討論和交流，學生以小組為單位完成協作學習，并展示討論成果。在指導學生實踐過程中，特別強調嚴謹的學習態度和一絲不茍的科學精神，培養學生自主學習的能力和評判性思維，提高學生的學習熱情和主動性。

3.3 優化物理實驗教學，培養學生解決問題能力

物理實驗是每個新生進入大學之后接受系統實驗方法和技能訓練的一個開端。也就是說，是他們的第一實踐教學基地或實驗場所。我們采用分層次、遞進式教學模式構建實驗教學體系。

3.3.1 遞進式、分層次實驗教學體系

1） 遞進式實驗教學體系

遞進式實驗教學體系為：體驗性實驗→經典基礎性實驗→ 綜合性選作實驗→ 小型設計性實驗。

體驗性實驗：（1） 以感受物理基礎和技能在生活實際和工程項目中應用作用的“體驗性實驗”;（2）親自動手制作或操作，加強動手能力培養的“感受性實驗”。增加學生自己搭建、拆裝和調試內容，使學生有充分的動手機會。以加強動手能力的訓練以及基本儀器、儀表的使用。例如組裝萬用表、搭建溫控電路等等。

基礎性實驗：以基本實驗方法、實驗技能訓練為主的“基礎性實驗”。

綜合性實驗：（1）以綜合運用各部分基礎知識為主的“綜合性實驗”，這一部分實驗打破力、熱、電磁和光的嚴格界限;（2） 綜合運用多種儀器和實驗方法的“綜合性實驗”。這一階段主要訓練學生運用基礎知識和儀器設備進行部分調試、排除故障、數據測試與處理的綜合分析應用能力。

設計性實驗：（1）按照設計要求在仿真平臺上完成實際仿真實驗的訓練;（2）在教師指導下，由學生自行設計實驗方案并獨立完成全過程的“設計性實驗”;（3）組織若干個圍繞基礎物理實驗研究課題，由學生參與討論提出方案實施的實驗。這一階段的實驗教學理念是：允許失敗，允許重做，鼓勵勇于探索與實踐。

2） 分層次實驗教學體系

分層次實驗教學體系是指按照不同專業、不同要求將上述遞進式實驗體系分不同的層次開設[8]。

第一層次面向經管類學生。實驗體系為：體驗性實驗（1）→基礎性實驗→綜合性實驗（1）或者設計性實驗（1）;

第二層次面向工科類學生。實驗體系為：體驗性實驗→基礎性實驗→綜合性實驗（1）或者（2）→設計性實驗（1）;

第三層次面向工科類試驗班學生。實驗體系為：體驗性實驗→基礎性實驗→綜合性實驗（1）或者（2）→設計性實驗（2）;

第四層次面向工科類有興趣且物理基礎比較好的學生，以選修課或者興趣小組的形式完成。實驗體系為：綜合性實驗（1）（2）（3）→設計性實驗（1）（2）。

3） 建立實驗教學基地，舉辦全院性“物理實驗技能大賽”

上述前四個層次實驗滿足了不同學生的學習需求，提高了學生的學習興趣，促進了不同層次學生全面發展。在此基礎上，為了進一步提高學生動手能力的興趣，促進其物理實驗技能的進一步提高，同時也為了滿足部分優等生學生的需求或者將來求職的需求，在每一年下半年舉辦一次全院性“物理實驗技能大賽”。

4） 組織物理開放實驗或興趣小組，滿足部分興趣愛好者的需求

從低年級開始注意加強對部分有潛能學生在動手能力、設計制作、研究開發等初步科研能力方面的培養，營造氣氛，帶動多數。同時為后續的電子設計大賽、機械設計大賽等打下基礎。興趣小組以自愿為原則面向對物理實驗動手能力訓練感興趣的學生開設。每學年第一學期吸收若干名新組員，由指導教師和老組員指導開展活動，保持可持續發展。活動從熟悉每一個演示實驗或由指導教師制定項目開始，之后可結合興趣和專業重點選擇一個或多個項目進行深入研究。

3.3.2 合理選擇實驗教學內容

針對學生物理基礎參差不齊的現實以及不同專業對物理知識的不同要求，開放實驗依據學生專業不同，教學側重點不同，根據學生的學科差異、專業差異和個體差異，按需定制教學內容，對經管專業側重于視野拓展，課題內容多來源于與人類生產、生活密切聯系，學生熟悉、感興趣的演示實驗項目，為工科學生開設儀器改進、實用小制作和科研小課題，旨在培養學生創新能力和塑造科學精神，如圖2所示。比如對電信專業側重于電學和信號檢測方面的儀器改進項目。對計算機專業側重于Unity3d虛擬仿真實驗的開發。其次，對于學有余力的學生，我們采用大學生物理實驗競賽課題，將各個專業的學生凝聚到一起，組成一個創新團隊，這樣各學科學生可以在一個團隊中深入交流，發揮各自學科特點與優勢，通過學科交融的方式提高學生的綜合素質。

3.4 參加學科競賽，創新能力顯現

圍繞應用型本科人才實踐能力和創新能力培養目標，加大學科競賽規模，探索教學與競賽相互促進的新思路，形成一套分級分層、逐步升級、學生自主的具有我校特色的大學物理競賽體系。根據競賽難易程度及對學生物理知識的要求分為兩層：低年級從開放物理實驗小組中選拔學生參加“西北地區大學生物理實驗競賽”和“全國物理實驗競賽”，旨在培養學生的創新思維和實踐能力;中高年級學生選定專業以后，參加“挑戰杯”和“西北地區大學生物理學術競賽”，重在訓練學生針對實際物理展開研究，提高物理學術思維及理論聯系實際能力，同時培養學生團隊協作和表達能力。

4 大學物理及實驗教學實踐改革成效

4.1 “四層次”課程體系模式，發揮“示范點”作用

大學物理及實驗兩門課程均為省級一流課程，獲校級教學成果特等獎1項，二等獎2項，三等獎1項，自編教材5部。展開的四層次課程體系，輻射至全校工科學生，年均各1000 人左右。從2018年開始在學期初和學期末分別對學生進行學情調查，分析學生在學習興趣、學習能力等方面的變化，從調查結果看，學生慢慢從中學機械“刷題”遷移到重知識的應用，能力導向顯現。

近些年督導和學生對團隊教師評價均為優秀，學生在評價中寫道：“大學物理課堂讓我對學習產生了極大的興趣，提高了我們的動手能力”，“通過學習我掌握了科學的學習方法，為后續專業課也奠定了基礎”。

自2020年起首先在學院實施了過程教學試點，在成績方面也達到了“優秀學生提高能力，后進學生提高成績”的成效。

4.2 競賽育人卓有成效，發揮“引領者”作用

學生創新能力初見成效。近三年來共有115名學生參加各級A 類學科競賽獲獎共23項，其中在全國大學生物理實驗競賽共獲得一等獎1項、二等獎5項、三等獎5項，優秀獎3項， “挑戰杯”陜西省大學生課外學術科技作品一等獎1項，二等獎1項，獲獎數量在陜西省同類院校中排名第一。

4.3 團隊引領，發揮“人才庫”作用

近三年獲陜西高校青年創新團隊1項，1人獲全國高校物理授課比賽三等獎，3人獲西北復賽一、二等獎，6人獲陜西省賽區一、二、三等獎，獲獎數量在陜西同類院校中領先。校級以上教改項目17項，發表教改論文30余篇，其中有5篇在《物理與工程》上發表[5，9-11]。

5 結語

以“四維”能力導向新理念構建大學物理及實驗教學體系，形成了可持續發展的新的教學格局，在此理念指引下，在教學體系、教學內容、教學方法、教學手段以及考核體系方面進行了探索與實踐，針對學生物理基礎參差不齊的現實以及不同專業對物理知識的不同要求，分層次修訂教學大綱，調整教學內容，以項目驅動、問題導向等探究式學習模式，注重加深學生對基礎知識的理解和拓展，將開放實驗、學科競賽有機銜接，構建完善的實踐環節，實現四個維度的融合———線上與線下融合、課上與課下融合、項目與教學融合、競賽與教學融合，有效促進學生知識認知、創新思維和實踐能力的融合。

經過多年的實踐和探索，取得了一定的效果，得到了學院師生的好評。但是，我們也清楚地認識到伴隨著數字化、智能化時代的到來，高等教育數字化發展是高等教育高質量發展的必然要求，也對應用型人才自主培養模式提出了新的要求，為此我們將在實踐教學當中不斷地摸索和完善，以求達到更好的效果。

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