構(gòu)建“跨情境融合”的大學(xué)物理立體化教學(xué)體系的探索與實(shí)踐*

楊先衛(wèi) 陳秋紫 趙小云 楊雄波

(三峽大學(xué)理學(xué)院 湖北 宜昌 443002)

1 前言

大學(xué)物理是面向高等學(xué)校理工科非物理專業(yè)本科生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課,是達(dá)成工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中“科技創(chuàng)新基礎(chǔ)能力培養(yǎng)”的核心課程．教育部《高等學(xué)校基礎(chǔ)研究珠峰計劃》和《非物理類理工科大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》中都明確提出要推動基礎(chǔ)學(xué)科與應(yīng)用學(xué)科均衡協(xié)調(diào)發(fā)展,發(fā)揮基礎(chǔ)學(xué)科對人才培養(yǎng)的重要作用,指明大學(xué)物理課程在培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)研究方法、科學(xué)思維方式和創(chuàng)新能力等方面是其他課程不可替代的．在新工科發(fā)展進(jìn)程中,物理學(xué)的先導(dǎo)和基礎(chǔ)作用將更加顯著和重要,未來技術(shù)的進(jìn)步將極大地依賴物理學(xué)的前沿進(jìn)展[1],其意義是不言而喻的．正因?yàn)槿绱?構(gòu)建既注重與新工科相對應(yīng)的基礎(chǔ)物理知識,又強(qiáng)化對現(xiàn)代高端工科人才創(chuàng)新思維的基礎(chǔ)培養(yǎng),及對科學(xué)研究方法的基礎(chǔ)訓(xùn)練的新型大學(xué)物理教學(xué)體系在新工科人才培養(yǎng)中具有非常重要的基礎(chǔ)性意義．

2 傳統(tǒng)大學(xué)物理教學(xué)中存在的問題

2.1 學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的3個不足

在傳統(tǒng)的大學(xué)物理教學(xué)體系下,教師采取講授式為主的教學(xué)方法,按照教材體系力求將每個概念和定律涉及的方方面面?zhèn)魇诮o學(xué)生[2],學(xué)生在課程的學(xué)習(xí)中存在以下3個不足.

(1)大學(xué)物理基本概念、原理多,知識點(diǎn)多且數(shù)學(xué)推導(dǎo)多,基本理論規(guī)律抽象難懂,學(xué)習(xí)難度大,導(dǎo)致學(xué)生對物理基礎(chǔ)理論的深刻理解不足,深度學(xué)習(xí)活動難以發(fā)生.

(2)學(xué)生習(xí)慣被動學(xué)習(xí),延續(xù)中學(xué)背公式、記定理、會做題的學(xué)習(xí)方法,導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力發(fā)展不足,缺乏探究式學(xué)習(xí)和發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)活動.

(3)學(xué)生獲得了理論知識,但缺乏與專業(yè)相關(guān)的應(yīng)用模型和場景的構(gòu)建,難以學(xué)以致用,導(dǎo)致學(xué)生的物理知識與專業(yè)應(yīng)用的結(jié)合不足,物理學(xué)習(xí)與后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)基本脫節(jié)．

以上3個不足造成了學(xué)生主動學(xué)習(xí)意識差,挑戰(zhàn)學(xué)習(xí)難點(diǎn)的意愿和學(xué)習(xí)成就感低,學(xué)習(xí)興趣不高．最終導(dǎo)致本課程難以發(fā)揮在創(chuàng)新思維與方法、創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的基礎(chǔ)作用,難以為專業(yè)思想與專業(yè)能力的培養(yǎng)提供強(qiáng)有力的動力．

2.2 教學(xué)過程中存在的3個矛盾

形成以上3個不足的原因是由于在傳統(tǒng)的大學(xué)物理課程教學(xué)中存在著以下3個矛盾.

(1)物理知識的理論性、抽象性與教學(xué)生動性的矛盾．傳統(tǒng)教學(xué)以教師為中心,采取“滿堂灌”的方式,過分注重理論知識傳授,忽視了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)等方面能力的培養(yǎng).

(2)教學(xué)供給的單一性與學(xué)習(xí)需要多樣性、差異性的矛盾．傳統(tǒng)大學(xué)物理的教學(xué)內(nèi)容安排、授課和考核評價等是全班一個模式,注重所有學(xué)生的整體發(fā)展,忽視了學(xué)生學(xué)力發(fā)展差異,欠缺滿足學(xué)生個體需求的渠道.

(3)課程內(nèi)容的基礎(chǔ)性與學(xué)習(xí)效果應(yīng)用性、專業(yè)性的矛盾．傳統(tǒng)大學(xué)物理課程以傳授基本概念、原理規(guī)律為主,忽視應(yīng)用性和前沿性的案例探討,內(nèi)容脫離學(xué)生專業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)需求,不能做到理論聯(lián)系實(shí)際,缺乏產(chǎn)研教融合,內(nèi)容高階性不足．

3 跨情境融合的大學(xué)物理立體化教學(xué)體系的構(gòu)建與實(shí)踐

教學(xué)的根本問題,是外部知識如何被學(xué)生獲得、占有并轉(zhuǎn)而成為學(xué)生個體的內(nèi)在力量、精神財富的問題．針對傳統(tǒng)大學(xué)物理教學(xué)中存在的問題及其成因,筆者在多年教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上,以“夯實(shí)學(xué)生基礎(chǔ)、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、服務(wù)專業(yè)需求、實(shí)現(xiàn)價值引領(lǐng)”為改革方向,秉持“學(xué)生中心、產(chǎn)研教融合”的教學(xué)理念,打破傳統(tǒng)模式下教師和學(xué)生的思維慣性,優(yōu)化課程目標(biāo),搭建“學(xué)研踐”立體化教學(xué)平臺,建立“產(chǎn)研教”融合的課程內(nèi)容體系和多維立體化考評體系,實(shí)施全立體化的學(xué)習(xí)情境與學(xué)習(xí)過程,最終構(gòu)建了跨情境融合的立體化教學(xué)體系．

立體化教學(xué)體系具有時空、資源、情境3個維度,3個維度相互聯(lián)系,互為支撐,如圖1所示.

第一個維度是把傳統(tǒng)的封閉式、標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)活動轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放式、融合性、個性化的教學(xué)新時空,讓學(xué)生既能時時可學(xué)、處處可學(xué),也能開展各種個性化、差異化的學(xué)習(xí)活動.

第二個維度是構(gòu)建了3個層次的立體化教學(xué)資源,即教學(xué)包(教材、云課程、試題庫、案例庫等)、教學(xué)資源庫(文字、圖片、AVI視頻、AR動畫、2D虛擬仿真網(wǎng)頁、3D VR虛擬全景視頻等)及課程教學(xué)平臺.

第三個維度是通過在課內(nèi)外營造學(xué)生自主、合作和創(chuàng)新式學(xué)習(xí)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)認(rèn)知情境、科學(xué)探究情境、知識建構(gòu)情境到知識拓展情境的跨情境融合教學(xué)模式．

圖1 立體化教學(xué)體系示意圖

在具體的教學(xué)實(shí)踐中,立體化教學(xué)體系由以下幾個創(chuàng)新環(huán)節(jié)所構(gòu)成．

3.1 優(yōu)化了教學(xué)目標(biāo) 強(qiáng)化能力目標(biāo)和思政培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的大學(xué)物理課程以達(dá)成知識傳授目標(biāo)為主,學(xué)生能認(rèn)知物理知識體系,獲得解決一般基礎(chǔ)物理問題的技能,具備一定的科學(xué)思維和素養(yǎng),在傳統(tǒng)教學(xué)目標(biāo)中能力和思政培養(yǎng)目標(biāo)明顯不足[3]．立體化教學(xué)體系在原有知識目標(biāo)的基礎(chǔ)上,補(bǔ)充了物理學(xué)在生活、工程技術(shù)中的應(yīng)用案例和前沿科學(xué)的研究案例,從物理學(xué)發(fā)展、課程內(nèi)容、課程方法以及中國的科技成就等多個方面引領(lǐng)學(xué)生的自然科學(xué)觀,激勵學(xué)生的民族自信心和愛國主義情懷[4-5]．從而強(qiáng)化了能力目標(biāo)和思政培養(yǎng)目標(biāo),突出獨(dú)立獲取知識的能力以及分析解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng),并賦予大學(xué)物理課程思政功能．通過優(yōu)化教學(xué)目標(biāo),立體化教學(xué)體系將更加注重知識的形象化和應(yīng)用性,強(qiáng)化了學(xué)生的主體地位,有利于解決傳統(tǒng)大學(xué)物理教學(xué)中存在的教學(xué)問題．

傳統(tǒng)教學(xué)和立體化教學(xué)體系的教學(xué)目標(biāo)對比如表1所示.

表1 傳統(tǒng)教學(xué)和立體化教學(xué)體系的教學(xué)目標(biāo)對照

3.2 重構(gòu)“三階遞進(jìn)”教學(xué)內(nèi)容體系

重構(gòu)了“三階遞進(jìn)”的教學(xué)內(nèi)容體系,產(chǎn)研學(xué)相結(jié)合,把抽象的物理問題形象化、生活化．

教學(xué)內(nèi)容體系的重構(gòu)以聯(lián)系專業(yè)產(chǎn)業(yè)、科技前沿為兩翼,研發(fā)大學(xué)物理在生產(chǎn)生活、工程技術(shù)和科學(xué)研究上的案例．將課程原有章節(jié)按照力學(xué)、波動光學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)和近代物理劃分為相對獨(dú)立的五大篇,在滿足國家教學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下,以學(xué)生能力培養(yǎng)為主線將各單元內(nèi)容重構(gòu)為物理基礎(chǔ)、知識應(yīng)用、知識拓展3個模塊,課程思政蘊(yùn)含在所有模塊及其教學(xué)的全過程,從而使課程內(nèi)容的教學(xué)從基礎(chǔ)認(rèn)知、專業(yè)應(yīng)用到拓展升華“三階遞進(jìn)”式展開,如圖2所示,學(xué)生實(shí)現(xiàn)了從低階到高階,最終跨越終階瓶頸的學(xué)習(xí)．

圖2 “三階遞進(jìn)”的教學(xué)內(nèi)容體系示意圖

關(guān)于教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生專業(yè)的適配方面,在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,物理基礎(chǔ)模塊部分應(yīng)針對不同專業(yè)學(xué)生所講授的內(nèi)容有所側(cè)重．而在知識應(yīng)用、知識拓展模塊上,結(jié)合不同專業(yè)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)需求靈活設(shè)置探究課題[6]．通過產(chǎn)研學(xué)相結(jié)合,突出物理知識的應(yīng)用,學(xué)生所學(xué)的內(nèi)容更廣、更深,學(xué)生需要“跳一跳”才能完成,體現(xiàn)課程的高階性．同時,理論聯(lián)系實(shí)際,把抽象難懂的物理問題形象化,更貼近生活．

3.3 創(chuàng)建了“跨情境融合”的教學(xué)模式 關(guān)注能力發(fā)展與創(chuàng)新意識培養(yǎng)[7-8]

傳統(tǒng)的教學(xué)以教師為中心,忽略課前、課后的作用,能力培養(yǎng)不充分．跨情境融合的教學(xué)模式以學(xué)生的發(fā)展為中心,開展課前、課內(nèi)、課后“三課”一體的教學(xué)活動．如圖3所示,在課前構(gòu)建基礎(chǔ)認(rèn)知情境和科學(xué)探究情境,即教師課前布置自學(xué)內(nèi)容和探究課題,學(xué)生課前自學(xué)自測,組隊完成課題初探,直接認(rèn)知基本概念、定理等核心知識;在課內(nèi)構(gòu)建知識建構(gòu)情境,即教師在課內(nèi)根據(jù)課程進(jìn)度,適時組織學(xué)生進(jìn)行課題匯報、全員研討、課堂應(yīng)答等活動,通過學(xué)生的課堂質(zhì)疑和教師的歸納總結(jié),對物理學(xué)的核心知識進(jìn)行重新建構(gòu)和思維網(wǎng)絡(luò)形成;在課后構(gòu)建知識拓展情境,即課后學(xué)生完成作業(yè)及課題報告,參與拓展創(chuàng)新和科普活動,拓展升華所學(xué)知識,學(xué)以致用．這種教學(xué)模式有利于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的高階能力,鍛煉勇于質(zhì)疑和探索的思維,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識．

圖3 跨情境融合教學(xué)模式示意圖

3.4 構(gòu)建“三維三結(jié)合”課程評價體系

構(gòu)建了“三維三結(jié)合”的課程評價體系,強(qiáng)化能力和思政考核,促進(jìn)三維目標(biāo)達(dá)成．

傳統(tǒng)大學(xué)物理考核中對學(xué)生綜合能力和思維養(yǎng)成的考查不足,本評價體系對學(xué)生的學(xué)習(xí)成效從知識、能力、思政3個維度進(jìn)行個性化、多元化的立體綜合評價,通過教學(xué)平臺精細(xì)化的過程及數(shù)據(jù)管理,實(shí)施了定量評價與定性評價、學(xué)生互評與教師評價、動態(tài)評價與靜態(tài)評價相結(jié)合的評價手段,如圖4所示.

圖4 “三維三結(jié)合”的課程評價體系示意圖

知識目標(biāo)評價通過平時測試和期末考試來實(shí)現(xiàn);能力目標(biāo)評價通過課題探究和期未考試來實(shí)現(xiàn),課題探究由探究過程、探究方法、探究成果3個環(huán)節(jié)構(gòu)成;思政目標(biāo)評價通過課程反饋來實(shí)現(xiàn),課程反饋由探究態(tài)度、課程反思報告、課堂考勤3個環(huán)節(jié)構(gòu)成．

4 立體化教學(xué)體系的實(shí)施效果

立體化教學(xué)體系突破了傳統(tǒng)教學(xué)時空的束縛,通過教學(xué)新時空的創(chuàng)建、立體化教學(xué)資源的推送,以及四重教學(xué)情境的構(gòu)建和跨越,有效地解決了大學(xué)物理教學(xué)中存在的“3個不足”和“3個矛盾”．通過課程評價系統(tǒng)的反饋,以及對學(xué)生的問卷調(diào)查顯示,相比于傳統(tǒng)教學(xué)模式,除了掌握的物理知識面更廣、深度更大之外,大部分學(xué)生在資料搜索整理、表達(dá)溝通、PPT處理及報告、分析問題解決問題、邏輯思考、團(tuán)隊合作、工程應(yīng)用等多項能力和專業(yè)認(rèn)知水平得到了明顯提高(圖5)．學(xué)生對課程滿意度為100%,對教師的教學(xué)評價很高．

圖5 課程評價反饋統(tǒng)計圖

在課程組直接指導(dǎo)的全國大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽和光電競賽中多名學(xué)生獲得國家級和省級獎項,為全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽、挑戰(zhàn)杯大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽等各項理工類學(xué)科競賽提供了強(qiáng)有力的支撐;學(xué)生通過課外科學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新實(shí)踐,取得了一定數(shù)量的科創(chuàng)作品,并以此為素材,以科普服務(wù)隊為載體,積極參與所在市區(qū)中小學(xué)的科普宣傳活動,取得了良好的社會效果．本課程也于2020年獲批了國家級線上線下混合式一流本科課程．

5 結(jié)束語

立體化教學(xué)體系是在國家深化教育改革背景下對大學(xué)物理所做的一次深層次的改革與探索,取得了一些成效,但依然存在一些困惑．

(1)課程內(nèi)容的高階性和挑戰(zhàn)度的把握需要進(jìn)一步探討．不同專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)和需求有比較大的差異,合理設(shè)置學(xué)生“跳一跳”就可以夠的著的探究課題有利于培養(yǎng)學(xué)生的積極性,但是如果拔的太高,學(xué)生不能完成,會起反效果.

(2)讓所有學(xué)生都參與課題探究式教學(xué)的方式需要進(jìn)一步探討．學(xué)生性格有較大差異,能力水平有高有低,如何更有效地進(jìn)行教學(xué)過程管理,特別是對在課外自學(xué)環(huán)節(jié)的監(jiān)控方面,如何充分調(diào)動所有學(xué)生參與積極討論,也是未來需要解決的問題.

(3)課程思政元素的挖掘及與教學(xué)內(nèi)容的無縫銜接需要進(jìn)一步探討．如何針對學(xué)生的思想認(rèn)知特點(diǎn),用學(xué)生喜聞樂見的方式,春風(fēng)化雨的發(fā)揮育人功能,增強(qiáng)教師協(xié)同育人意識和能力,增強(qiáng)學(xué)生的思政獲得感都是需要解決的實(shí)際問題．