潘小青， 葉會亮， 羅飛

(江西理工大學，a. 能源與機械工程學院；b. 理學院，南昌 330006)

成果導向教育（Outcome-Based Education,OBE）是指以圍繞所有學生在完成學業(yè)之后都能獲得實質性成功的核心要素來精準組織教育系統(tǒng)中的各種元素開展教學[1]。該理念信奉所有學生都能成功，并把學生獲得成功的關鍵要素設定為學習的產(chǎn)出成果（outcome)，由此反向進行教學設計。 學生學習成果的檢驗需要經(jīng)過清晰的認定和評估，因而教育應該以學生為中心。 OBE 的內涵可概括為“產(chǎn)出導向、學生中心、持續(xù)改進”十二個字。 這里的學習成果不再是傳統(tǒng)意義上的學生相信、感覺、記得、知道和了解的具體知識，也不再是傳統(tǒng)意義上的各種能力及可能涉及的價值觀或其他情感因素[2]。 學習成果指具體的行為和表現(xiàn)結果，即學生最終能應用所學的知識和具備的能力做出什么。OBE 理念與新工科人才培養(yǎng)目標是一致的，新工科人才應具備開闊的國際視野、高度的政治敏銳性、深厚的人文素養(yǎng)及洞察力、厚實的自然科學理論基礎、高超的協(xié)調和組織能力、實際的創(chuàng)新應用能力等[3]。 貫徹OBE理念要落實到整個課程體系設計， 圍繞創(chuàng)新能力、創(chuàng)新思維、系統(tǒng)及批判性思維等新工科人才核心能力的養(yǎng)成。 對一門具體的課程而言，學習成果對應課程學習結束后學生具體能夠做什么，產(chǎn)品是什么樣子。 與學習成果相對應，教學要圍繞學習成果來進行反向設計，即采用什么有效的方法幫助學生取得這些學習成果，通過什么樣的評價方式知道學生已經(jīng)取得了這些學習成果。以大學理工科公共基礎課程——物理實驗為例，OBE 理念下物理實驗課程的學習成果的具體內容是什么，教學內容和教學過程的設計如何圍繞學習成果開展，學習成果如何科學地進行評價。

一、OBE 理念下物理實驗課程學習成果的確定

為適應新工科人才培養(yǎng)目標，基于OBE 理念，根據(jù)工程教育專業(yè)認證要求，學習成果主要涵蓋七個方面： 一是能運用工程學、 科學和數(shù)學原理，識別、表述和解決復雜工程問題；二是能綜合考慮公眾健康、安全和福利，以及文化、社會、環(huán)境和經(jīng)濟等多種因素，應用工程設計解決那些有特定需求的問題；三是能與各類聽眾有效溝通；四是能根據(jù)經(jīng)濟、環(huán)境、社會、政治、倫理、健康和安全等方面的實際需要，設計可制造的和可持續(xù)的系統(tǒng)、組件或過程；五是能協(xié)同團隊有效合作達成目標；六是能設計和實施實驗，分析和解釋數(shù)據(jù)，并用工程判斷得出結論；七是能根據(jù)需要運用合適的學習策略獲取和應用新知識[4]。

物理實驗作為科學實驗的先驅, 在實驗思想、實驗方法及實驗手段等方面是各學科科學實驗的基礎。 物理實驗課程在培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W思維和創(chuàng)新能力, 培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際, 特別是與科學技術發(fā)展相適應的綜合能力等方面起著重要的作用[5]。 物理學原理與物理實驗方法和技術是解決復雜工程問題的基礎， 對新工科人才核心能力養(yǎng)成起著至關重要的作用， 為此物理實驗課程的教學目標、 教學內容需要與學習成果七個方面的目標相適應。

（一）課程學習成果總體目標

物理實驗的課程目標能夠提供所有七種對應的學習成果，可分成知識、能力和素養(yǎng)三個維度，如圖1 所示。首先，物理實驗課程的知識，不僅包括原理知識、方法知識和技術知識，也包括相關跨學科的人文歷史、政治經(jīng)濟和法律社會等學科知識。 其次，課程學習成果的能力表現(xiàn)包括對知識的理解與欣賞、具備批判性思維、有好奇心與創(chuàng)新意識。物理實驗作為科學實驗課程，通過一系列層次化結構化的實驗項目，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的能力。新工科教育最重要的是學生關鍵品性的養(yǎng)成，學生關鍵品性的養(yǎng)成也是落實立德樹人這一教育的根本任務的必然要求。學生的關鍵品性包括科學精神、誠實守信、嚴謹認真等微觀的文化品質層面，也包括家國情懷、社會責任、道德倫理等宏觀的全局的意識層面[6]。

圖1 課程學習成果總體目標

（二）課程學習成果具體內容

課程學習成果總體目標需要細化到具體的教學內容目標。原理性知識蘊含在力學、熱學、電磁學、光學、 近代物理和高新技術原理等多個領域的各個實驗項目中。 學生能由實驗背景知道為什么要做這個實驗，能欣賞科學實驗的原創(chuàng)性思想。方法性知識體現(xiàn)在應用物理實驗的思想、方法、手段和對物理實驗現(xiàn)象進行分析與判斷的過程中。 方法性知識還包括批判性思維和實驗探索的好奇心， 如改變實驗環(huán)境和條件處理變化的新問題[4]。 技術性知識是指各項實驗技術的物理原理，如放大原理、轉換原理、調零原理等。新工科人才不僅需要扎實的物理實驗基礎知識，還需要立足當下的人文歷史政治經(jīng)濟等多學科交叉的知識， 綜合考慮實驗過程中的多種因素，如實驗安全、環(huán)境因素、經(jīng)濟因素等。

物理實驗能力可概括為問題主導的實驗能力，即在實驗過程的各個環(huán)節(jié)始終圍繞問題進行。學生能力成果體現(xiàn)之一是在特定的實驗環(huán)境和條件下，選取和應用現(xiàn)有實驗儀器進行實驗，能根據(jù)儀器說明書和教學資源等正確操作儀器；學生能力成果體現(xiàn)之二是在實驗過程中通過仔細觀察發(fā)現(xiàn)問題并提出問題； 學生能力成果體現(xiàn)之三是通過數(shù)據(jù)測量，分析問題表達實驗結果，得出實驗結論解決問題；學生能力成果體現(xiàn)之四是依據(jù)恰當?shù)臄?shù)據(jù)處理方法分析評判實驗結果的可靠性并發(fā)現(xiàn)和提出新的問題；學生能力成果體現(xiàn)之五是能夠用清晰的物理語言表述實驗原理、方法、過程、分析數(shù)據(jù)并宣講實驗報告；學生能力成果體現(xiàn)之六是能通過小組合作共同完成創(chuàng)新實驗。

基于OBE 理念，在物理實驗課程教學中，學生的關鍵品性養(yǎng)成包括微觀和宏觀兩個層面。微觀層面上學生的個人文化品質，主要是科學品格，即嚴謹認真的工作態(tài)度和實事求是的品格。物理量的準確測量需要精心的實驗設計，每個數(shù)據(jù)都需要如實記錄，容不得虛假和偽造；實驗操作需要遵守規(guī)范，實驗過程要認真和耐心。探索精神的培養(yǎng)和創(chuàng)新意識的養(yǎng)成需要在實驗過程中將物理原理與實驗觀察相結合。學生的團隊合作意識需要通過實驗過程中的溝通交流和小組協(xié)作等活動來養(yǎng)成。宏觀層面上， 通過各個具體實驗項目中科學技術的歷史、現(xiàn)狀和未來發(fā)展等的有機結合，在潛移默化中養(yǎng)成學生的家國情懷和社會道德意識。

二、課程教學設計

科學的課程教學設計是達成學習成果的必要條件。 OBE 理念下以學生為中心的逆向教學設計更加強調學生學習效果、學習目標、評價與教學活動的一致性[7]。 教學過程設計應該開展如下的常規(guī)訓練：我們是怎么知道的，證據(jù)是什么，解釋證據(jù)的論點是什么， 有無變通的解釋或是其他更好的問題解決辦法[8]。 即學習過程圍繞解決實際問題進行知識構建、能力訓練及品格養(yǎng)成，從而達成學習成果。 滿足學生多樣化和個性化學習的開放式、 復合式學習空間是實驗教學環(huán)境和教學過程設計的基礎。

（一）教學環(huán)境設計

1. 物理實驗內容整合

物理實驗課程內容主要包括誤差理論和數(shù)據(jù)處理方法，力學、熱學、電磁學和光學實驗中的物理基本原理，基本物理實驗方法和技術，常用物理儀器的使用等。實驗內容要素呈現(xiàn)在每一個具體的實驗項目之中。 實驗項目按類型可分為基礎實驗、綜合實驗和設計與研究性實驗三個層次，每一層次的實驗項目依據(jù)課程教學目標進行整合，整合的方式有科教融合和科學人文結合。

科教融合，即科研與教學融合，是實驗內容整合的常見形式，主要可以培養(yǎng)學生的批判性思維和不斷適應環(huán)境變化的能力[9]。 教師科研實驗中與課程相關的內容，通過創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、物理創(chuàng)新競賽活動等融入創(chuàng)新實驗，提高課程實驗的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。 創(chuàng)新內容的方法很多，可以采用不同的原理測量同樣的物理量；可以換一種實驗方法測量同樣的物理量； 或用不同的儀器組合測量新的物理量；或采用不同的測量方法改進實驗，用虛擬仿真技術模擬實驗過程等。

科學人文結合是內容整合的另一種方式，即多學科交叉促進綜合實驗能力培養(yǎng)[10]。 可以將科學史故事滲透到教學內容中， 比如邁克爾孫-莫雷實驗通過光的干涉法以極高的精度準確測量了光速，否定了期待的“以太”飄移說，盡管與實驗想尋找的結論相違背， 卻提供了一種精確的實驗測量方法，而這一實驗方法在一百多年后用于引力波探測又取得巨大成功。 這樣的故事可深化學生對誠實守信、嚴謹認真等科學精神的理解，促進學生建立超越一門學科的多學科思維。

2. 教學資源建設

為方便學生能隨時隨地進入學習狀態(tài)，教師需要建設豐富的課程學習資源， 除傳統(tǒng)的物理實驗教材外， 還包括虛擬仿真實驗項目和在線課程兩部分。 在線課程資源并非傳統(tǒng)意義上的教材搬家，而是將各層次實驗和創(chuàng)新實驗按照成果導向的原則進行建設。 教學資源內容包含測量與誤差理論、力學、熱學、電磁學、光學等基礎實驗項目，綜合實驗和設計研究性實驗項目， 探索性趣味性物理實驗項目。 每個教學實驗講解視頻包含實驗的背景、原理方法、操作過程、數(shù)據(jù)記錄與處理、問題和討論六部分，每一部分都是學習成果的體現(xiàn)。 為方便學生自我檢查，配套實驗自測題300 多道，組成不同試卷。

仿真實驗項目，是適應新工科建設要求模擬現(xiàn)場實驗無法看見的實驗過程。例如電學真實驗不允許接線錯誤和無法看到電路中電流走向，仿真實驗則提供電學實驗試錯的平臺。仿真實驗中出現(xiàn)接線錯誤時，會顯示誤操作提醒；當開關閉合后，能顯示電流流向。 學生可以通過仿真實驗先對實驗方法、實驗原理、實驗過程有更直觀的理解，從而在真實的實驗過程中減少誤操作。

整個教學環(huán)境設計如圖2 所示。 通過內容整合，構建了由基礎、綜合和設計三個層次，以及科教融合和科學人文結合的實驗內容體系， 適應不同學習成果需求。 通過實體實驗室、 虛擬仿真實驗項目、 在線開放課程和學習平臺共同構成多元學習空間。

圖2 教學環(huán)境設計

（二）教學過程設計

基于OBE 理念開展物理實驗教學， 需要遵循學生的認知規(guī)律，讓學生成為實驗教學全過程的主角。 教學活動的設計流程包含“課前預習—課堂講述—課堂實驗—課后報告—課后創(chuàng)新”三階段五單元。 整個教學流程從實驗備課、講解、實驗操作、觀察記錄、小組討論、撰寫實驗報告、創(chuàng)新實驗及如何評分等多方面全方位訓練達成學習成果。教學過程設計如圖3 所示。

圖3 教學過程設計

課前的實驗預習以線上教學資源作支撐，學生只需要在實驗課前按要求進行視頻學習和參加自測，并完成規(guī)定格式的預習報告在線上提交，即完成第一個單元的課前學習[11]。 這一階段的目的是讓學生通過預習理解為什么要做及如何做這個實驗。課堂環(huán)節(jié)由兩單元組成， 即小組講解和課堂實驗。小組講解是每個小組輪流一次的實驗講解，一個實驗項目由一個小組負責，該小組在課前要制作好講課電子教案，兩人分工講述實驗原理與方法及實驗過程與現(xiàn)象，并提出實驗問題。 學生講述結束后由教師補充，然后學生對講述進行自評和互評。 課堂實驗采用線上實驗指導+小組合作+老師指導的多樣化方式。 其中的實驗記錄要求如實描述實驗過程、觀察實驗現(xiàn)象、分析現(xiàn)象對應的實驗原理；實驗過程中可以小組討論，也可以組間互助，共同探討相似問題。課后實驗報告除按規(guī)范要求進行數(shù)據(jù)處理、誤差分析和結果評估外，還增加了提出討論問題環(huán)節(jié)，實驗報告采用電子文檔線上提交。 提出有創(chuàng)意問題的同學進入物理創(chuàng)新實驗小組，開展創(chuàng)新實驗設計，促進課程學習成果更上一個臺階。

三、課程評價

2020 年國務院印發(fā)的《深化新時代教育評價改革總體方案》明確指出，一方面要堅持面向人人、因材施教、知行合一，堅決改變用分數(shù)給學生貼標簽的做法；另一方面要完善過程性考核與結果性考核有機結合的學業(yè)考評制度，加強課堂參與和課堂紀律考查，引導學生樹立良好學風①http://www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/moe_1777/1778/202010/t20201013_494381.html。。 在OBE 理念下， 學習評價的目的不再是為了給學習效果分級，而是為了更好地促進學習，持續(xù)改進從而最大程度地達成目標。 現(xiàn)代課程評價更加注重通過評價促進人的全面發(fā)展，更加關注評價的過程性、多元性[12]。適應這一新的教育模式變化和現(xiàn)代教育理論的發(fā)展， 物理實驗課程評價內容和形式也要對應作出改變。

（一）課程評價的內容

物理實驗課程是一種具有整體性、實踐性、生成性和自主性特征的課程， 它的特殊性決定了其評價要體現(xiàn)整體觀、多元化、過程性和發(fā)展性等理念[13]。 因此課程評價的內容由實驗教學過程各個環(huán)節(jié)共同決定，每一環(huán)節(jié)與學習成果的一個或多個內容相對應。 比如預習報告的評價指標是實驗原理、方法、過程表述的正確性和條理性，主要對應學習成果中的知識目標。而學生的實驗講解環(huán)節(jié)主要對應學習成果中的問題識別、 語言表達和溝通能力。不同類型的成果依據(jù)評價指標讓學生進行自評和互評。 實驗操作過程涉及的評價指標有操作時長、操作規(guī)范、記錄準確、問題針對性等；記錄的數(shù)據(jù)包括正確性、有效數(shù)字、涂改程度、過程記錄等，這部分評價內容主要對應學習成果中的能力和素養(yǎng)目標。各部分評價的類型按照內容分為量化評價和質性評價， 量化評價適用于有確定性答案的內容，質性評價適用于定性描述的內容。

（二）課程評價的形式

如何確定不同類型的評價在最終課程評價中的比例是一個持續(xù)探索的過程。物理實驗課程要兼顧理論和實驗兩方面多個學習成果的維度，因而要以過程性考核為主，終結性考核為輔。 課程總評成績由平時成績占65%和考試成績占35%兩部分構成。 平時成績由線上教學平臺上的學習記錄提供，包括視頻學習占20%、 單元作業(yè)占60%、 其他占20%。 其中單元作業(yè)是指每一個實驗項目的預習報告、過程記錄和實驗報告組成的大作業(yè)。 其他則包括章節(jié)測驗、討論互動、線上活動參與等。學生通過參與主題討論或者同學間提出和回答問題獲得積分?？荚嚦煽冇删€下綜合實驗和實驗講解評分共同確定[14]。

（三）課程評價實施

通過教學資源平臺對教育教學活動和學生行為數(shù)據(jù)的收集、分析和反饋，課程評價的實施變得實時高效[15]。 在教學實踐中，先后在物理實驗強化班和部分普通班級進行相應的物理實驗教學改革。以自建的省級一流課程“大學物理實驗”作為線上資源開展混合式教學，學生課前預習和課后實驗報告都在學習通平臺完成，可自動生成學習記錄。 課堂實驗中各關鍵步驟都設置了評價指標和自評互評，實驗記錄、實驗報告及實驗設計等均上傳到學習通平臺進行評分。雖然設定了物理實驗各環(huán)節(jié)的評價形式， 但評價的目的著眼于教學的持續(xù)改進，即允許學生多次完成同一內容，取最高成績作為相應成績，從而增強學生學習的主動性和積極性。

OBE 是現(xiàn)代工程教育的新理念，不僅對新型工程人才培養(yǎng)的課程體系構建和實踐教學體系構建提供指導，還對作為大學公共基礎課程的物理實驗教學具有指導意義。 通過仔細考察OBE 的內涵和新工科的新要求，物理實驗課程的學習成果目標從知識、能力、素養(yǎng)三個方面以可操作的方式確立。以學習成果為導向進行反向教學設計，一方面通過科教融合和科學人文結合，另一方面以課程建設和仿真實驗等開放式、復合式學習空間建構，設計了“課前預習—課堂講述—課堂實驗—課后報告—課后創(chuàng)新”三階段五單元組成的教學活動。 通過對課程教學評價的內容和形式進行構思，并付諸教學實踐達到檢驗學習成果的目的。