工業4.0 背景下大學物理課程教學模式改革探索

楊 玲，鐘 燕，劉 慧

（桂林電子科技大學 廣西 桂林 541214）

18 世紀中葉以來，人類歷史上先后發生了三次工業革命，每一次工業革命，物理學在其中都起著至關重要的作用，物理學的研究成果和理論為工業革命的發展提供了堅實的基礎和支持。由此可知，物理學的發展對人類生活會產生巨大的影響，是社會發展的重要推動力。2013 年的漢諾威工業博覽會上，德國正式推出工業4.0 的概念，它代表了第四次工業革命的浪潮。工業4.0 既是工業革命，又是人才的革命，需要與時俱進的高質量人才與之同步[1]。大學物理課程作為高校理工科一門基礎必修課，在高校人才培養中具有非常重要的作用，是培養學生科學素質最有效的手段，在培養學生科學思維能力、科學觀念、科學精神，以及探索和創新等方面的作用巨大。大學物理教學的改革需要緊跟時代的步伐，把創新人才培養作為培養的目標，培養具備較強實踐和創新能力的綜合性高質量人才。

1 現階段存在的問題

1.1 無法凸顯物理學在培養學生科學方法和科學思維能力方面的優勢

科學方法和科學思維是科學家認識自然所采取的思維方式，包括抽象與概括、分析與綜合、推理與論證等方法，是人類正確認識自然的一種過程。科學方法帶給人類關于改造自然的眾多手段和知識，同時也為人類提升自身的認識能力提供了寶貴的思想資源，改變了人類看待世界的視角和視野[2]。然而，目前傳統的大學物理課程過分專注于教材內容，沒有對科學研究的過程進行過多的展示，僅僅傳授了知識，讓學生無法獲得深入理解科學思想的機會，單一的學習方法不利于學生科學方法和科學思維能力的培養。“授人以魚，不如授人以漁。”大學物理的教學應該在傳授知識的基礎上，更加注重科學方法和科學思維的培養，讓學生了解物理學尋幽探秘的過程，有助于學生體驗到更加真實的物理學和科學思維，指引學生學會理性思考，在學習中發展原創性的思維[3]。

1.2 教學內容與科學前沿銜接不夠

20 世紀以來，相對論和量子物理的建立，帶動了一系列如核技術、激光、液晶、半導體、高溫超導、航空航天、量子通信等新技術的發展，這些革命性成果極大地推動了人類社會的迅速發展，社會瞬息萬變，有很多新的方向不斷涌出。然而，大學物理的教學仍然以經典物理為主，近代物理部分內容少而淺，大學物理教學已經無法滿足新產業、新工藝、新技術對人才培養的新需求，難以培養學生面對復雜多樣化產業變化發展的新能力，無法跟上時代前進的步伐。總之，隨著工業4.0 的到來，大學物理的教育功能應該發生相應的轉變，從注重學生對基礎知識、基礎理論和基本技能的掌握，擴展為全面提高學生的實踐與應用綜合的能力，提升學生的創新精神，以適應新時代的變革和發展。大學物理的教學內容應該反映前沿性和時代性，在不增加課程難度的同時，拓寬課程的廣度，以激發學生的興趣和潛能、培養學生的科學思維能力為目標。

1.3 理論和實驗脫節

物理學是一門以觀察和實驗為基礎的學科，目前的大學物理理論教學和實驗教學分別開課，使得理論與實驗不同步，二者之間缺乏有效的聯系，學生難以將所學知識應用于實際生活中，缺乏對物理學的直觀感受。同時，大學物理實驗的內容并不能完全覆蓋理論課的所有知識點，導致學生上理論課的時候被理論的抽象性困擾，做實驗的時候又無法獲得及時、完整的理論支撐。理論與實驗的割裂既不利于學生對基礎物理知識的深入理解，也不利于學生創新能力的培養。

1.4 教學手段和方法單一化

大學物理課程作為高校的一門公共基礎課，通常以大班形式上課。以桂林電子科技大學的物理課為例，人數均在70 人以上，在此條件下，“以學生為中心”的教學模式，如翻轉課堂、探究式教學、項目式教學、小組合作等先進的教學方式在大班授課中難以有效開展。在考慮教學資源的優化和教學運營成本的前提下，基礎課的大班授課現狀無法改變，但是隨著社會的發展、互聯網和各類移動便攜終端的普及，人們的生活方式改變的同時，學習方式也在不斷變化。大學物理課程的授課應該充分利用信息化時代的便利，變革傳統的教學手段，在尊重學生學習個體差異的條件下，通過豐富的網絡媒介工具，增加學生的學習主觀能動性，提升學生的學習興趣[4]。

2 多平臺線上線下混合式教學模式的設計

2.1 “多媒體+黑板+雨課堂”為主導的線下課堂

目前，高校的線下課堂中，多媒體是主流的授課方式[5]，其因具有高效性、內容豐富、有效活躍課堂氣氛的優勢而成為教學的首選方式，但是也存在不足，如信息量大導致重難點不突出，速度過快導致學生沒有思考的時間，尤其是對于理解能力和學習基礎相對較弱的部分學生來說，多媒體的缺點更加凸顯。因此，為實現分層次教學，非常有必要把傳統的黑板教學作為一種補充手段，在重點的定理、定律或推導中輔以黑板教學，調節講課的速度，突出教學的重難點，留給學生思考和記錄的時間；雨課堂在大學物理這樣的大班教學的互動中也起到非常好的輔助作用，授課過程中可以通過隨機點名、彈幕等方式提升學生的課堂關注度、活躍課堂氣氛。

2.2 “慕課+課堂派”為輔助的線上課堂

慕課以“大規模、開放性”特點在高等教育中有著舉足輕重的作用。本課程通過該平臺為學生提供自建課程視頻和習題資源，其特點是內容針對性強，使學生能夠不受時間和空間的限制，根據自己的學習能力和進度靈活安排自學。與此同時，平臺上大量的優質資源也為學習意愿和能力較強的學生提供了更加廣闊的學習空間，既提升了學生的學習能力，也拓展了學生的學習視野。

課堂派平臺是本課程教學中學生自主學習的主陣地，為學生課后鞏固、自主學習和進階學習提供相應的學習要求和資源，主要模塊包括測試、挑戰性作業、參考資料等。其中測試模塊主要考核學生的自主學習能力，使學生養成良好的課前預習、課后復習的學習習慣，尤其是對于學習基礎和主動性較差的學生，可以最大程度地發揮教師對學生學習的約束作用，為教師和學生調整教與學的節奏起到重要的參考作用；挑戰性作業的內容以與專業、生活、科技發展等相關的應用實踐類課題為主，形式多樣，包括軟件編程、實驗設計與演示、視頻拍攝或動畫制作、思維導圖、綜述性小論文等方式，結合課題難度分別以個人或小組的形式進行學習，突出體現了分層次教學的特點，實現了學生的個性化學習；參考資料主要包括論文、視頻或相關鏈接、教學PPT、習題集等方式，考慮到大一學生在學習方法上仍很大程度局限于高中的灌輸方式，主動查閱文獻和資料的能力相對較弱，教師有針對性地把相關內容集中在學習平臺，有效提升學生的學習效率，同時也教會學生科學的學習方法。

2.3 在實驗與應用中培養創新能力的大學物理教學實踐——以“光的偏振”為例

課堂采用5E教學模式展開教學，即通過吸引（Engage）、探究（Explore）、解釋（Explain）、拓展（Extend）、評價（Evaluate）五個環節進行教學。教學內容中的物理原理和現象采用視頻演示與實驗演示相結合的方式，突出物理學的實踐特性。課堂教學以研討式課堂教學模式為主，以啟發學生興趣為出發點，充分調動學生的學習自主性，以討論和探究為主要手段，實現“以學生為中心”的教學理念。

“吸引”和“探究”：通過慕課發布課前預習的相關資源和任務，讓學生對本節課的內容有一個初步的了解，確定學習的重點和難點，帶著問題進入課堂；接著，通過“穿墻術”的視頻演示，提升學生的關注度和學習興趣，引導學生從科學的角度一步步分析并找到該現象中的關鍵問題，以此為目標開始教學內容的學習。

“解釋”：通過簡單的道具和環境中豐富的光源條件演示光的偏振性，引導學生進行觀察和思考，圍繞現象進行分析、討論和總結，引出光的三種分類方法。在此基礎上改變實驗手段，即在不同光照條件下旋轉偏振鏡片，通過學生的觀察、討論與分析，進一步得出不同光經過偏振片后光的強度的差異性，引出教學重點：定量分析“馬呂斯定律及布儒斯特定律”。此環節借助光學演示實驗直觀、形象地把抽象和復雜的光學現象及其本質展現出來，從感性認知上激發學生的興趣，引導他們進行主動的思考，進而深刻領悟實驗對科學研究的重要意義。

“拓展”：教師先詳解“偏振性在3D電影中的應用”，拋磚引玉，在雨課堂中以“光的偏振性的應用”為主題設置課堂小組作業，每10 人一組，選擇不同領域如生活、科技、醫療、工程、軍事等，進行15 分鐘的討論，以思維導圖的形式提交小組作業，之后由教師隨機抽取其中三組進行現場答辯。該部分以知識的應用為切入點對本次課的內容進行歸納整理，使學生在應用的基礎上根據本節課的內容構建出一個完整的知識脈絡，并通過拓展學習，激發學生的探索興趣，培養學生的溝通和自主學習能力。

“評價”：通過課堂派以課后測試和挑戰性作業的形式發布。課后測試針對本節課的知識點，合理設置試題，突出本節知識的側重點，體現內容的全面性和層次性。根據學生的測試結果和挑戰性作業，教師可以較為客觀地對學生的學習成效進行評價，學生也可以及時反思個人的學習情況并及時進行調整和修正。

2.4 綜合性教學評價方式

本課程的教學考核遵循科學化、多元化、知識與能力并重的原則，其評價方式以結果性評價、過程性評價、表現性評價、探索增值性評價等多種評價方式相結合，全面展現課程的教與學的效果。經過三年的探索與不斷改革，從學生的平時成績與考核成績來看，對比同一門課程三年來的考核，結果顯示平時成績與期末成績的相關性呈現逐步提高的正相關趨勢，說明學生學習成績能夠比較準確地反映其平時學習效果。因此，該考核評價模式對教師的教學效果及對學生的學習能力的評價真實合理。

3 結語

堅持以“以學生為中心”的OBE 理念，在大學物理課程中探索基于多平臺的線上線下混合式教學模式，線下教學以體現教師教學為主的雨課堂為輔助教學平臺，多媒體和黑板教學的主要教學手段，課堂教學采用5E教學模式，教學中突出物理學的應用與實踐特性，培養學生的科學思維，激發其好奇心和探究欲望，利用雨課堂良好的互動性有效組織課堂，提升學生的參與度和學習興趣；線上課堂以擁有海量視頻資源優勢的慕課和以學生學習為主的課堂派兩大平臺為依托，為學生提供較大自由度和區分度的學習空間，使學生養成良好的學習習慣，培養學生的科學實踐能力、探索和創新精神。從教學評價結果看，綜合性教學評價模式對教與學的效果評價兼具科學性與合理性，為后續的課程教學改革提供了正確的方向和打下了良好的基礎。