基于问题导向的“七彩闭环”教学模式在大学物理教学的实践-

年9月会议论文-物理核心课程群建设基于问题导向的“七彩闭环”教学模式在大学物理教学的实践——以角动量守恒定律的教学为例吴艳，诸黎明，胡晓博，陈爱喜*浙江理工大学理学院浙江杭州310018基金项目：浙江省教育厅教学改革项目（JGZD2024021；JGBA2024138）；国家级一流混合式课程建设项目，浙江省一流线上课程建设项目。作者简介：吴艳（1976-），女，博士，副教授，浙江理工大学，从事光场调控研究和物理教学研究，physwy@163.com通讯作者：陈爱喜（1974-），男，博士，教授，浙江理工大学，从事量子光学研究和物理教学研究，aixichen@163.com[摘要]为了加强大学物理课程在理工科人才培养上的科学思维训练、创新能力培养与价值引领的育人功能，本文在“问题导向-认知建构-价值内化”三维协同育人框架，构建以“观—思—测—析—练—评—塑”为核心环节的“七彩闭环”教学模式，并应用于大学物理课程教学实践。以角动量守恒定律教学为典型案例，阐释了该模式在实现知识传授、能力培养与价值塑造有机统一方面的具体路径。实践表明，该模式有效提升了学生的课堂参与度、问题解决能力与科技报国意愿。本研究为大学物理教学改革提供了可借鉴的实践参考，对理工科课程思政建设具有一定的借鉴意义。关键词：教学模式；物理教育；科学素养ImplementationoftheProblem-Based“Seven-ColorClosed-Loop”InstructionalModelinUniversityPhysicsEducation:ACaseStudyofTeachingtheLawofAngularMomentumConservationAbstract:Toenhancetheroleofuniversityphysicscoursesincultivatingscientificthinking,fosteringinnovationability,andstrengtheningvalueguidanceforscienceandengineeringstudents,thispaperproposesa“Seven-ColorClosed-Loop”teachingmodel,underthethree-dimensionaleducationalframeworkof“Problem-Oriented,CognitiveConstruction,andValueInternalization”.Centeredaroundsevenkeysteps—"Observe,Think,Assess,Analyze,Practice,Evaluate,andShape"—themodelhasbeenimplementedintheteachingpracticeofuniversityphysics.Usingtheconservationlawofangularmomentumasatypicalteachingcase,thisstudyillustrateshowthemodelintegratesknowledgeimparting,competencydevelopment,andvalueshaping.Practicehasshownthatthemodelsignificantlyimprovesstudents’classroomengagement,problem-solvingskills,andmotivationtocontributetonationalscientificandtechnologicaladvancement.ThisresearchoffersapracticalreferenceforthereformofuniversityphysicseducationandprovidesinsightsforpromotingideologicalandpoliticaleducationinscienceandengineeringcurriculaKeywords:Modelofteaching;PhysicsEducation；ScientificLiteracy引言在人类追求真理、探索未知的过程中，物理学不仅建立了一套物理知识体系，还构建了一系列科学世界观和方法论，深刻影响人类的生产生活，是人类文明发展的基石[1，2]。物理学集严谨的实验现象、缜密的逻辑推演、系统的科学认知方法、精确的数学分析工具以及深刻的辩证唯物主义思想于一体，是一门极具方法论意义的学科[3]。基于物理学科的实践性与思辨性特点，本文构建了以“提出问题——分析问题——解决问题”为主线，以“观—思—测—析—练—评—塑”为实施基本点的“七彩闭环”教学模式。该模式以“观”为先导，引导学生形成感性认知，激发主动探索；以“思”激发深度探究动力，推动逻辑建构与批判思维；通过“测”诊断学习障碍，精准定位认知误区；以“析”强化数理建模与理论解析能力；借助“练”提升知识迁移与综合应用水平；通过“评”实现过程反馈与持续改进；最终在“塑”阶段达成科学世界观与方法论的高阶内化，全面促进知识、能力与素养的深度融合与统一。1大学物理教学的现状和面临的挑战大学物理教学长期以来面临三大核心问题[4,5]：（1）教学模式创新不足，传统单向灌输式教学导致课堂互动性差，学生参与度低，难以激发学习兴趣，使物理理论教学陷入抽象难懂的困境。（2）能力培养目标虚化，当前教学存在"三重三轻"现象：重解题技巧轻物理思想、重理论推导轻实际应用、重书本知识轻实践创新，导致学生自主学习能力和问题解决能力的培养难以有效落实。（3）课程育人功能发挥不充分，未能将科学认知方法、辩证思维与课程思政元素深入融入教学实践，致使学生缺乏坚实的科学方法训练和严谨的逻辑推理能力培养。因而，当前培养模式难以支撑起新时代“德才兼备、具有家国情怀与社会责任感的高素质创新人才”这一目标的全面实现。此外，新时代高等教育改革对大学物理教学提出了三大核心要求：一是落实课程思政建设，突出价值塑造，将理想信念、家国情怀、道德修养、法治意识、文化自信等思政元素有机融入专业教学[6，7]。二是对标金课建设标准，坚持高阶性，将知识、能力、素养有机融合，提升课程挑战度[8]。三是适应“新工科”发展需求，注重大学物理基础知识和工程应用相融合[9]。当前在信息化浪潮和知识爆炸的时代背景下，培养学生的终身学习能力已成为必然要求。为应对这些挑战，大学物理教学必须实现从知识传授向能力培养的范式转变：着力培养学生七大核心能力——认知能力、思维能力、分析能力、解决问题能力、应用能力、知识迁移能力和价值判断能力。理工科学生不仅要掌握物理基础知识，更要领悟科学认知方法、培养物理思维和科学精神，才能具备应对未来职业挑战的关键素养。2“七彩闭环”教学模式的系统化构建与实施路径图1“七彩闭环”教学模式框架课堂教学作为高等教育的主阵地和知识传授的主渠道，直接影响人才培养成效。为了深化大学物理教学在知识体系构建、思维能力培养、创新能力塑造的作用,本文创新性地构建了“七彩闭环”教学模式，如图1所示。以学生为中心,以问题导向为主线，通过“观—思—测—析—练—评—塑”七个关键教学环节，系统构建"提出问题—分析问题—解决问题"的教学闭环，建构科学认知体系和和价值引导体系。通过创新教学方法优化教学流程，将知识传授与能力培养有机融合，把学生培养成“会认知”、“会思考”、“会分析”、“会解决”、“会应用”、“会迁移”、“会辨别”的新时代理工科人才。图1“七彩闭环”教学模式框架“七彩闭环”教学模式通过七个环节的有机衔接，构建出系统、完整的育人闭环。各环节具体实施路径如下：“观”环节：借助实验情境导入，创设认知冲突，引导学生在观察中发现问题、从现象中提炼规律，以此提升科学观察与现象分析能力，强化实验认知素养。“思”环节：通过真实情境或工程实践背景，构建阶梯式问题链，打破学生固有认知框架，激发深度探究动机，逐步推进认知建构。教师可设计开放型问题导向任务，引导学生主动分析、提出假设并开展验证，增强学习内驱力，实现从被动接受到思维建构的转变，重点培养问题意识与批判性思维能力。“测”环节：依托线上线下混合式教学，建立“课前预学-课中精练”联动机制，借助智能化平台对预习效果进行精准诊断，识别认知误区，为课堂互动提供依据。本环节注重发展学生的自主学习与效果自评能力。“析”环节：采用“教师引导-学生探究”的翻转教学模式，通过开放提问、辩证思考、数学建模、理论推导、类比关联等多元方式深度解析物理规律。通过小组研讨、汇报展示等交互式学习活动，引导学生对知识进行逻辑论证。解析过程中，以问题驱动替代传统讲授，以研讨探究取代单向灌输，并通过集体协商强化团队协作和自主探究能力，实现知识内化与迁移。图2“练”——循序渐进，多层训练，应用新知，融会贯通“练”环节：图2“练”——循序渐进，多层训练，应用新知，融会贯通“评”环节：构建基于“课前自学—课中互学—课后评学”全流程的多元评价体系，实现教学评价的过程性、动态化和可视化，如图3所示。该体系采用"教师-组长-组员"三级联动评价机制，结合平行互评方式，确保能力评价的客观性和全面性。依托智能教学平台的数据采集与分析功能，将课堂讨论、小组展示等学习活动纳入评价指标，形成可量化、可追溯的评价数据链。学生可通过实时反馈系统动态掌握学习图3“评”——过程性评价打分构成成效，通过复盘错题，及时调整学习策略，图3“评”——过程性评价打分构成图4“教师引导—学生研讨—师生共创”思政教育模式“塑”环节：基于大学物理课程的学科特性，通过物理学史、科学方法论、前沿科技案例等教学内容的有机整合，将“四个自信”教育、工匠精神培育、科技报国使命等思政要素融入课程教学。本环节创新性地设计了“问题导向-分析探究-协同解决”的教学主线和“教师引导-学生研讨-师生共研”的思政教育模式（如图4所示），充分发挥学生主体作用，在培养科学思维的同时实现价值内化。具体实施路径包括：①通过“提出问题-分析问题-解决问题”路径训练科学认知方法和科学思维能力。②以重大科技成就和高新技术，激发民族自豪感，增强制度自信。③以物理学发展历程、科学家故事（如钱学森、黄大年等）以及科学家精神厚植爱国情操，引导学生树立强国有我图4“教师引导—学生研讨—师生共创”思政教育模式3基于“七彩闭环”教学模式的角动量守恒教学设计角动量守恒定律作为自然界的基本规律之一，在航空航天、机械工程等众多领域具有重要应用价值。当质点（或质点系）所受外力对某参考点或转轴的合力矩为零时,系统对该参考点或转轴的角动量保持不变。基于“问题导向-认知建构-价值内化”的教学框架，针对角动量守恒定律的教学内容构建以“观-思-测-析-练-评-塑”七个环节为实施路径的教学设计，如图5所示。首先，以“观察-对比-探究”的递进策略设计“问题提出”环节，旨在引导学生思维逐步深化，直接聚焦教学核心。引导学生观察中国空间站“天宫课堂”中的经典实验：对比旋转陀螺和非旋转陀螺在定向稳定性上的差异。通过设计以“现象描述—差异对比—原因猜想”为主线的观察任务单，系统训练学生的科学观察与现象分析能力，聚焦关键教学内容，在激发学生探究兴趣的同时，也为后续的问题解决与价值引领做好铺垫。然后，以“测评—解析—拓展”的递进式认知路径构建“问题分析”环节。首先，通过在线测评精准评估学生的线上学习成效，快速诊断共性薄弱点与个体认知差异，为实施精准教学提供数据支撑。在此基础上，教师设计分层递进的三级问题链引导学生自主解析：第一层基础性问题，引导学生从质点角动量定义出发，独立推导刚体角动量的一般表达式，夯实知识基础；第二层拓展性问题，鼓励学生通过类比方法，将动量定理的推演思路主动迁移至角动量定理的证明中，实现知识建构；第三层挑战性问题，要求学生综合分析影响刚体角动量的物理因素，并结合刚体定轴转动定理，自主归纳角动量守恒的成立条件，尝试总结角动量守恒定律，并与动量守恒定律对比深化理解。整个过程遵循从特殊到一般的科学认知规律，突出类比思维与逻辑推理的系统训练。教学中，教师作为引导者，通过问题启发、思路点拨和反馈调控，支持学生作为认知主体在探索中建构知识、在实践中掌握研究方法，从而有效提升科学探究能力与高阶思维能力。为深化理论理解，选取典型工程案例进行拓展分析。一方面，以航天员在微重力环境下转身困难为例，阐释角动量守恒带来的操作限制；另一方面，通过直升机尾桨设计的工程解决方案，展示角动量守恒定律的创新应用。这种辩证分析不仅揭示了物理规律的双重性，更有助于培养学生全面的科学认知观。由航天员吹气尝试转身失败到转动手臂成功实现太空转身的实践情境，引导学生经历“尝试-失败-反思-成功”的完整探究过程，进而通过小组讨论，利用角动量守恒原理成功解释这一实践情景。通过对比实验强调科学探索的曲折性，训练“现象观察-理论分析-方案优化”的科研思维，提高分析问题和解决问题的能力。图图5角动量守恒定律应用“七彩闭环”教学模式的教学流程在“问题解决”和“情感升华”环节，首先通过小组讨论解答课前疑问，即由于角动量守恒，因此旋转的陀螺具有定向稳定性。进而，通过任务驱动引导学生运用现代信息技术检索角动量守恒在生产生活和工程实践中的应用案例。以中国空间站机械臂运动引发的空间站姿态扰动问题，引出我国科研团队历时十年研发的高精度补偿系统，进而挖掘科学精神内涵，即精益求精的工匠精神、突破技术封锁的创新勇气和科技报国的使命担当。以自由式滑雪空中技巧为例，定量分析运动员通过手臂伸展与收拢调节转动惯量，实现空中转体动作的精确控制。通过北京冬奥会空中技巧冠军齐广璞“四战冬奥”的感人故事，引导学生深入思考和总结：如何将物理原理转化为竞技优势的科学精神；十年磨一剑的训练态度的工匠精神；为国争光的爱国情怀。该环节通过“实践认知-理论提升-价值内化”的教学路径，既完成了从具体问题到物理原理的知识建构，又实现了从科学认知到精神塑造的价值升华，最终形成“问题导入-探究实践-理论分析-应用拓展”的完整教学闭环。本教学设计围绕角动量守恒定律，以“问题导向—认知建构—价值内化”为框架，系统构建了“观—思—测—析—练—评—塑”七个环节的实施路径。教学从“天宫课堂”实验等现实情境出发，通过观察、对比和探究引导学生聚焦核心问题；借助在线测评和分层问题链，促进学生自主完成从质点角动量至刚体角动量的知识建构，注重知识点的关联。通过对比质点动量守恒定律和刚体角动量守恒定律，培养类比推理能力与科学思维训练；结合航天、机械和体育等典型案例，开展辩证分析和工程应用拓展，深化理论理解；最终在问题解决和情感升华中，将知识学习与工匠精神、创新意识和家国情怀相融合，实现“实践认知—理论提升—价值内化”的育人闭环，全面提升学生的科学探究能力与综合素养。4结论基于新时代高等教育改革要求与大学物理课程的学科特点，聚焦当前大学物理教学中的三大核心问题，构建并实施了以“观-思-测-析-练-评-塑”为核心的七环节闭环教学模式强化大学物理课程的育人功能。该模式推动了课堂教学从知识灌输向能力培养与认知训练的转变。通过建立“问题导向—认知建构—价值内化”三维协同育人机制，强化了学生在教学过程中的认知主体地位，夯实了学生的数理基础，系统培养了其科学思维、实践创新与自主探究能力，有效激发了学生的探索精神和科技报国志向。教学实践表明，该教学模式有效提升了学生的课程参与度，提高了创新能力和家国情怀。超星平台的统计数据显示，应用该教学模式后课堂参与度由原来的67.6%提高到90.7%；期末考试不及格率降低了13.8%，这表明学生解决工程问题的能力有一定提高；问