OBE 理念下的物理实验教学设计研究

一、引言：从验证实验到工程实践

传统“测定金属电阻率”实验常局限于操作训练：学生按教材步骤连接电路、记录数据、代入公式计算，缺乏对物理量工程价值的理解。2022 版《普通高中物理课程标准》新增“物理与工程实践”主题，明确要求“引导学生运用物理知识解决技术难题”。成果导向教育（Outcome-BasedEducation，OBE）以最终学习成果为起点反向设计教学，其核心逻辑与工程实践高度契合：第一，成果定义：明确学生应获得的工程能力；第二，反向设计：从工程成果反推学习任务；第三，持续改进：通过反馈优化方案。本研究据此重构实验，聚焦核心问题：如何通过OBE 框架将电阻率测定转化为工程决策训练？

二、OBE 实验流程重构

（一）阶段 1 ：需求分析（定义工程成果），任务情境：某无人机公司需为电机绕组选择金属材料，要求电阻率 ρ⩽1.7×10^-8Ω⋅m（20%） ），成本预算⩽50 元米。现有待测材料：铜丝、铁丝、镍铬合金丝。能力目标：1. 理解电阻率对导电性能的影响，2. 建立材料性能 - 成本的综合决策意识，3. 识别工程需求中的核心约束条件，（二）阶段 2 ：方案设计（反向推导实验路径）。学生需自主完成三项决策：1. 测量方法选择，选项1 ：伏安法（操作简单但精度较低），选项2 ：电桥法（精度高但耗时较长），工程思维渗透：需平衡效率与精度，例如对关键材料使用电桥法复验。2. 器材选型优化，关键器材选型要点：电源：电压 ⩽3V （防止材料过热损坏）、电流表：量程0～0.6A（保护小截面样品）、样品长度： ⩾30cm （减少接触电阻影响）。3. 成本核算实践：计算单次实验耗材成本（导线损耗、电能消耗等）、- 设定挑战目标：“在保证精度前提下将单次实验成本控制在5 元以内”、（三）阶段3 ：误差控制（工程问题求解）。引入典型工程故障案例：案例1 ：某组测得铜丝 ρ_ρ=2.1×10^-8Ω⋅m （超标 24% ）

- 归因分析：未预热导致温度低于 20% 。解决方案：激活温度修正模型ρt=ρ₂₀[1+α（t-20）]

案例 2 ：镍铬合金丝测量值波动 >15% 。归因分析：接触电阻不稳定。优化方案：增加测量点位，采用四端接线法。（四）阶段4 ：报告撰写（工程成果交付），突破传统实验报告格式，要求提交工程选材建议书，包含以下要素：1. 测试数据表：包含三次测量平均值及标准差。2. 成本- 性能对比分析：- 铜丝：电阻率 1.68×10^-8Ω⋅m ，单价42 元米→推荐，镍铬丝：电阻率 1.10×10^-6Ω⋅m ，单价 8 元米→适用低导电场景 3. 误差风险评估：温度波动可能导致 值偏差±5% 。4. 工程建议：建议采购铜丝并预留 10% 电阻裕度。

三、教学实践与效果验证

（一）实践设计。对象：高二年级平行班（实验组采用 OBE 四阶流程，对照组采用传统分步实验）；测评工具：《工程思维量表》包含四个维度：系统分析能力、方案优化能力、误差敏感性、成本意识。

（二）核心成效对比。1. 工程思维水平提升：实验组后测总分均值 86.7 分（满分100），较前测提升 38.7% ；对照组同期提升仅 19.3% ；最大差异维度：方案优化能力（实验组得分率 92% ，对照组 65% ）。2. 工程决策质量差异：在报告中考虑成本因素的学生比例：实验组 100% ，对照组 42% ；提出误差补偿方案的比例：实验组 89% ，对照组 33% 。3. 知识迁移能力表现：解决“输电导线选材”问题的正确率：实验组 91.3% ，对照组 67.8% ；典型迁移案例：

学生提出：“山区输电应选铝线而非铜线——虽然铝的电阻率高于铜，但铝线成本仅铜线的13，且轻量化便于架设，综合效益更优。”

（三）课堂观察实录。在方案设计阶段，实验组出现典型讨论：A 组主张：“必须用电桥法！无人机电机对电阻精度要求高。”B 组反驳：“伏安法够用了，电桥操作耗时 15 分钟，人工成本超预算。”最终妥协方案：“先用伏安法初筛，对临界材料再用电桥复验。”此过程体现工程思维中的多目标优化能力。

四、讨论：OBE 模式的核心价值

（一）实现实验教学的三重转向：1. 教学设计转向：从按步骤操作→按需求设计；2. 能力培养转向：从单一数据计算→成本- 性能综合决策；3. 思维模式转向：从追求理论精确值→允许误差合理区间。（二）深度衔接新课标要求：1. 工程实践载体转化：将电阻率测定转化为材料选型决策2. 跨学科融合实现：物理学：电阻定律应用、工程经济学：成本效益分析、-材料科学：温度系数修正。3. 核心素养落地路径：科学思维：体现在误差建模过程、科学态度：反映在严谨的多次测量、社会责任：渗透于资源优化决策。

五、结语

本研究证实：基于OBE 理念重构的“测定金属电阻率”实验，通过工程情境导入、反向任务设计和综合决策训练，显著提升了学生的工程思维水平。建议推广至其他物理实验：机械振动实验可转化为汽车减震器参数优化，光学干涉实验可转化为光学薄膜厚度质检方案

未来需重点开发工程案例库，建立“物理知识 - 工程能力”的映射评价体系，推动基础教育与工程教育的深度衔接。

参考文献：

[1].Spady，W.G.Outcome.BasedEducationCriticalIssuesandAnswers.ArlingtonAmericanAssociationofSchoolAdministrators，1994.

[2]. 中华人民共和国教育部 . 普通高中物理课程标准（2017 年版 2020 年修订）. 北京：人民教育出版社，2020.

[3]. 王亚愚 . 工程教育认证背景下物理实验教学改革 . 实验技术与管理，2021（5）18-22.

[4].Crawley，E.F.，etal.RethinkingEngineeringEducationTheCDIOApproach.Springer，2014.

[5]. 张宪魁. 物理科学方法教育. 青岛：中国海洋大学出版社，2018.

[6]. 陈敏华等 .OBE 理念在物理实验中的实践路径 . 物理教师，2022（3）50-54.

[7]. 林崇德 .21 世纪学生发展核心素养研究 . 北京：北京师范大学出版社，2016.