工业4.0 背景下大学物理课程教学模式改革探索

杨 玲，钟 燕，刘 慧

（桂林电子科技大学 广西 桂林 541214）

18 世纪中叶以来，人类历史上先后发生了三次工业革命，每一次工业革命，物理学在其中都起着至关重要的作用，物理学的研究成果和理论为工业革命的发展提供了坚实的基础和支持。由此可知，物理学的发展对人类生活会产生巨大的影响，是社会发展的重要推动力。2013 年的汉诺威工业博览会上，德国正式推出工业4.0 的概念，它代表了第四次工业革命的浪潮。工业4.0 既是工业革命，又是人才的革命，需要与时俱进的高质量人才与之同步[1]。大学物理课程作为高校理工科一门基础必修课，在高校人才培养中具有非常重要的作用，是培养学生科学素质最有效的手段，在培养学生科学思维能力、科学观念、科学精神，以及探索和创新等方面的作用巨大。大学物理教学的改革需要紧跟时代的步伐，把创新人才培养作为培养的目标，培养具备较强实践和创新能力的综合性高质量人才。

1 现阶段存在的问题

1.1 无法凸显物理学在培养学生科学方法和科学思维能力方面的优势

科学方法和科学思维是科学家认识自然所采取的思维方式，包括抽象与概括、分析与综合、推理与论证等方法，是人类正确认识自然的一种过程。科学方法带给人类关于改造自然的众多手段和知识，同时也为人类提升自身的认识能力提供了宝贵的思想资源，改变了人类看待世界的视角和视野[2]。然而，目前传统的大学物理课程过分专注于教材内容，没有对科学研究的过程进行过多的展示，仅仅传授了知识，让学生无法获得深入理解科学思想的机会，单一的学习方法不利于学生科学方法和科学思维能力的培养。“授人以鱼，不如授人以渔。”大学物理的教学应该在传授知识的基础上，更加注重科学方法和科学思维的培养，让学生了解物理学寻幽探秘的过程，有助于学生体验到更加真实的物理学和科学思维，指引学生学会理性思考，在学习中发展原创性的思维[3]。

1.2 教学内容与科学前沿衔接不够

20 世纪以来，相对论和量子物理的建立，带动了一系列如核技术、激光、液晶、半导体、高温超导、航空航天、量子通信等新技术的发展，这些革命性成果极大地推动了人类社会的迅速发展，社会瞬息万变，有很多新的方向不断涌出。然而，大学物理的教学仍然以经典物理为主，近代物理部分内容少而浅，大学物理教学已经无法满足新产业、新工艺、新技术对人才培养的新需求，难以培养学生面对复杂多样化产业变化发展的新能力，无法跟上时代前进的步伐。总之，随着工业4.0 的到来，大学物理的教育功能应该发生相应的转变，从注重学生对基础知识、基础理论和基本技能的掌握，扩展为全面提高学生的实践与应用综合的能力，提升学生的创新精神，以适应新时代的变革和发展。大学物理的教学内容应该反映前沿性和时代性，在不增加课程难度的同时，拓宽课程的广度，以激发学生的兴趣和潜能、培养学生的科学思维能力为目标。

1.3 理论和实验脱节

物理学是一门以观察和实验为基础的学科，目前的大学物理理论教学和实验教学分别开课，使得理论与实验不同步，二者之间缺乏有效的联系，学生难以将所学知识应用于实际生活中，缺乏对物理学的直观感受。同时，大学物理实验的内容并不能完全覆盖理论课的所有知识点，导致学生上理论课的时候被理论的抽象性困扰，做实验的时候又无法获得及时、完整的理论支撑。理论与实验的割裂既不利于学生对基础物理知识的深入理解，也不利于学生创新能力的培养。

1.4 教学手段和方法单一化

大学物理课程作为高校的一门公共基础课，通常以大班形式上课。以桂林电子科技大学的物理课为例，人数均在70 人以上，在此条件下，“以学生为中心”的教学模式，如翻转课堂、探究式教学、项目式教学、小组合作等先进的教学方式在大班授课中难以有效开展。在考虑教学资源的优化和教学运营成本的前提下，基础课的大班授课现状无法改变，但是随着社会的发展、互联网和各类移动便携终端的普及，人们的生活方式改变的同时，学习方式也在不断变化。大学物理课程的授课应该充分利用信息化时代的便利，变革传统的教学手段，在尊重学生学习个体差异的条件下，通过丰富的网络媒介工具，增加学生的学习主观能动性，提升学生的学习兴趣[4]。

2 多平台线上线下混合式教学模式的设计

2.1 “多媒体+黑板+雨课堂”为主导的线下课堂

目前，高校的线下课堂中，多媒体是主流的授课方式[5]，其因具有高效性、内容丰富、有效活跃课堂气氛的优势而成为教学的首选方式，但是也存在不足，如信息量大导致重难点不突出，速度过快导致学生没有思考的时间，尤其是对于理解能力和学习基础相对较弱的部分学生来说，多媒体的缺点更加凸显。因此，为实现分层次教学，非常有必要把传统的黑板教学作为一种补充手段，在重点的定理、定律或推导中辅以黑板教学，调节讲课的速度，突出教学的重难点，留给学生思考和记录的时间；雨课堂在大学物理这样的大班教学的互动中也起到非常好的辅助作用，授课过程中可以通过随机点名、弹幕等方式提升学生的课堂关注度、活跃课堂气氛。

2.2 “慕课+课堂派”为辅助的线上课堂

慕课以“大规模、开放性”特点在高等教育中有着举足轻重的作用。本课程通过该平台为学生提供自建课程视频和习题资源，其特点是内容针对性强，使学生能够不受时间和空间的限制，根据自己的学习能力和进度灵活安排自学。与此同时，平台上大量的优质资源也为学习意愿和能力较强的学生提供了更加广阔的学习空间，既提升了学生的学习能力，也拓展了学生的学习视野。

课堂派平台是本课程教学中学生自主学习的主阵地，为学生课后巩固、自主学习和进阶学习提供相应的学习要求和资源，主要模块包括测试、挑战性作业、参考资料等。其中测试模块主要考核学生的自主学习能力，使学生养成良好的课前预习、课后复习的学习习惯，尤其是对于学习基础和主动性较差的学生，可以最大程度地发挥教师对学生学习的约束作用，为教师和学生调整教与学的节奏起到重要的参考作用；挑战性作业的内容以与专业、生活、科技发展等相关的应用实践类课题为主，形式多样，包括软件编程、实验设计与演示、视频拍摄或动画制作、思维导图、综述性小论文等方式，结合课题难度分别以个人或小组的形式进行学习，突出体现了分层次教学的特点，实现了学生的个性化学习；参考资料主要包括论文、视频或相关链接、教学PPT、习题集等方式，考虑到大一学生在学习方法上仍很大程度局限于高中的灌输方式，主动查阅文献和资料的能力相对较弱，教师有针对性地把相关内容集中在学习平台，有效提升学生的学习效率，同时也教会学生科学的学习方法。

2.3 在实验与应用中培养创新能力的大学物理教学实践——以“光的偏振”为例

课堂采用5E教学模式展开教学，即通过吸引（Engage）、探究（Explore）、解释（Explain）、拓展（Extend）、评价（Evaluate）五个环节进行教学。教学内容中的物理原理和现象采用视频演示与实验演示相结合的方式，突出物理学的实践特性。课堂教学以研讨式课堂教学模式为主，以启发学生兴趣为出发点，充分调动学生的学习自主性，以讨论和探究为主要手段，实现“以学生为中心”的教学理念。

“吸引”和“探究”：通过慕课发布课前预习的相关资源和任务，让学生对本节课的内容有一个初步的了解，确定学习的重点和难点，带着问题进入课堂；接着，通过“穿墙术”的视频演示，提升学生的关注度和学习兴趣，引导学生从科学的角度一步步分析并找到该现象中的关键问题，以此为目标开始教学内容的学习。

“解释”：通过简单的道具和环境中丰富的光源条件演示光的偏振性，引导学生进行观察和思考，围绕现象进行分析、讨论和总结，引出光的三种分类方法。在此基础上改变实验手段，即在不同光照条件下旋转偏振镜片，通过学生的观察、讨论与分析，进一步得出不同光经过偏振片后光的强度的差异性，引出教学重点：定量分析“马吕斯定律及布儒斯特定律”。此环节借助光学演示实验直观、形象地把抽象和复杂的光学现象及其本质展现出来，从感性认知上激发学生的兴趣，引导他们进行主动的思考，进而深刻领悟实验对科学研究的重要意义。

“拓展”：教师先详解“偏振性在3D电影中的应用”，抛砖引玉，在雨课堂中以“光的偏振性的应用”为主题设置课堂小组作业，每10 人一组，选择不同领域如生活、科技、医疗、工程、军事等，进行15 分钟的讨论，以思维导图的形式提交小组作业，之后由教师随机抽取其中三组进行现场答辩。该部分以知识的应用为切入点对本次课的内容进行归纳整理，使学生在应用的基础上根据本节课的内容构建出一个完整的知识脉络，并通过拓展学习，激发学生的探索兴趣，培养学生的沟通和自主学习能力。

“评价”：通过课堂派以课后测试和挑战性作业的形式发布。课后测试针对本节课的知识点，合理设置试题，突出本节知识的侧重点，体现内容的全面性和层次性。根据学生的测试结果和挑战性作业，教师可以较为客观地对学生的学习成效进行评价，学生也可以及时反思个人的学习情况并及时进行调整和修正。

2.4 综合性教学评价方式

本课程的教学考核遵循科学化、多元化、知识与能力并重的原则，其评价方式以结果性评价、过程性评价、表现性评价、探索增值性评价等多种评价方式相结合，全面展现课程的教与学的效果。经过三年的探索与不断改革，从学生的平时成绩与考核成绩来看，对比同一门课程三年来的考核，结果显示平时成绩与期末成绩的相关性呈现逐步提高的正相关趋势，说明学生学习成绩能够比较准确地反映其平时学习效果。因此，该考核评价模式对教师的教学效果及对学生的学习能力的评价真实合理。

3 结语

坚持以“以学生为中心”的OBE 理念，在大学物理课程中探索基于多平台的线上线下混合式教学模式，线下教学以体现教师教学为主的雨课堂为辅助教学平台，多媒体和黑板教学的主要教学手段，课堂教学采用5E教学模式，教学中突出物理学的应用与实践特性，培养学生的科学思维，激发其好奇心和探究欲望，利用雨课堂良好的互动性有效组织课堂，提升学生的参与度和学习兴趣；线上课堂以拥有海量视频资源优势的慕课和以学生学习为主的课堂派两大平台为依托，为学生提供较大自由度和区分度的学习空间，使学生养成良好的学习习惯，培养学生的科学实践能力、探索和创新精神。从教学评价结果看，综合性教学评价模式对教与学的效果评价兼具科学性与合理性，为后续的课程教学改革提供了正确的方向和打下了良好的基础。