中心在上述教学理念和改革思路指导下，针对卓越教师、拔尖人才和应用型人才的培养目标，遵循实验教学规律和学生认知规律，提出了“四个结合”、“四个层次”、“四个环节”的物理实验教学体系及人才培养模式。
“四个结合”是指：
（1）实验教学与科学研究、学科前沿、学科最新成果相结合，培养学生的创新思维能力；
（2）实验教学与基础教育改革及研究（新课标和基础教育改革）相结合，培养学生掌握基础教育的先进教学方法和教学理念的能力；
（3）实验教学与教育实习、微格训练、专业实习等实践课程相结合，培养学生的教学实践能力；
（4）实验教学与理论教学有机结合，培养学生对知识的融会贯通和解决问题的能力。
“四个层次”的课程体系是指：
（1）引导物理实验：在第一学期开设，基于引导学生学习兴趣的物理实验，以“新、奇、特”的物理现象激发学生对物理及物理实验的浓厚兴趣，引导学生热爱物理、喜欢实验，产生想动手实践的念头和想法，树立勇于探究的自信心。
（2）基础物理实验：在第二、三学期开设，实验题目的设立以物理知识的应用为导向，培养学生掌握基本物理量的测量方法、基本元器件和测量仪器的使用、数据处理及误差分析方法、基础性测量装置的搭建思路等，并养成良好的实验习惯、掌握实验操作技能和安全规范，重在培养和训练学生对实验内容的验证与理解。
（3）综合物理实验：在第四、五学期开设，实验题目是基础实验的综合，以近现代物理实验技术为主，以物理知识的综合应用和物理问题的探究为导向，培养学生综合运用物理知识、实验手段和技能解决问题的能力。
（4）探索物理实验：在第六学期开设，实验过程主要在“纳米材料与器件实验室”、 “可再生能源技术实验室”、“计算物理实验室”3个创新性实验室中完成，实验内容注重与科学研究前沿相结合。学生根据研究兴趣自主选择题目，在科研教师的指导下进行物理问题的探究，培养学生科研探索能力和创新能力。
“四个层次”的课程体系
“四个环节”是指：“预习-讨论-实验-拓展”
在预习环节，中心开放所有实验室，方便学生预习；为提高预习质量，建立“物理虚拟仿真实验平台”，并为每个实验录制预习视频，形成“视频微课”平台。学生可以到实验室采用实物预习，也可以借助手机、平板电脑等设备登录中心网站观看视频微课，或在“物理虚拟仿真实验平台”的虚拟环境下进行预习。在预习阶段，教师给出预习问题，要求学生通过自主学习形成对问题的思考，并在课前讨论环节，通过集体讨论解决预习问题。在实验过程中，明确学生的主体地位，教师以问题引导学生自主探索，以问题求解贯穿实验全过程，启发学生思考与探究。每堂课都要求有拓展环节，包括反馈、反思和外延。以讨论方式及时分析、解决实验中存在的问题。构建了基于物理问题的PPBL实验物理教学模式。
