信息化環(huán)境下大學物理實驗教學新模式的研究與實踐

王小蘭，戴亞文

（1.湖北省黃岡師范學院，湖北 黃岡 438000；2.武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

通過信息技術(shù)與學科課程的整合，建立各學科課程的數(shù)字化學習平臺，創(chuàng)新教學模式，已成為21世紀教育研究的熱點。大學物理實驗是理工科涉及面最廣的重要的實踐性課程，是培養(yǎng)高素質(zhì)人才重要環(huán)節(jié)。隨著國家、省兩級實驗教學示范體系的逐步形成，大學物理實驗教學改革和教學質(zhì)量的提高就顯得十分必要。建立物理實驗示范中心數(shù)字化學習平臺、創(chuàng)新實驗教學模式，以逐步實現(xiàn)實驗教學內(nèi)容的呈現(xiàn)方式、學生的學習方式、教師的教學方式和師生互動方式的變革，為學生創(chuàng)造一個適合信息時代學習特點的學習環(huán)境和教學模式，是當前信息技術(shù)與物理實驗課程整合中迫切需要解決的問題。

近幾年各高校在這方面進行了有益的探索，但還只是一種傳統(tǒng)的“老師講解－操作演示－學生操作實驗－提交實驗報告”教學模式的變種，在“課前預習－課堂操作－課后完成實驗報告”實驗教學的各個環(huán)節(jié)上沒有把信息技術(shù)與學科課程真正融合起來，不能實現(xiàn)根本意義上的教育信息化教學模式改革。一般“課前預習”只觸及到教學內(nèi)容及形式的變化，如實驗教材的電子化網(wǎng)上呈現(xiàn)等；“課堂操作”也只是老師講，學生被動的聽，再操作實驗；“課后完成實驗報告”質(zhì)量不高，印象不深，做一次實驗來也匆匆，去也匆匆，根本談不上科學素養(yǎng)和能力培養(yǎng)。

因此，針對理工科基礎(chǔ)物理實驗課程，如何將信息技術(shù)與之“深層次”有機地整合，實現(xiàn)教學模式的創(chuàng)新，我院和武漢理工大學的大學物理實驗中心密切配合積極開展本課題的研究，擬對物理實驗教學模式從理論和實踐層面上進行新的探索。

1 人本主義理論與建構(gòu)主義理論研究

我們研究的理論基礎(chǔ)主要建立在人本主義理論與建構(gòu)主義理論之上，這些理論的核心觀點概括起來有：

建構(gòu)主義理論。對于學習者來說，建構(gòu)主義認為，學習不是知識由教師向?qū)W生的傳遞，而是學生建構(gòu)自己的知識的過程。學習者的學習是主動的，不是被動的信息接收者，而是通過對外部信息的選擇和加工主動建構(gòu)信息，這種建構(gòu)不可能由他人替代完成。根據(jù)建構(gòu)主義的理論，要創(chuàng)設(shè)一個有利于學生自主學習的信息環(huán)境和發(fā)展平臺，變封閉的、被動的、接受式的學習方式為開放的、主動的、探究式的學習方式，使學生在學習的過程中不僅獲得知識，更能獲得繼續(xù)學習的能力和解決問題的策略，培養(yǎng)學生良好的信息素養(yǎng)，為學生的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

人本主義理論。人本主義認為人的成長源于個體“自我實現(xiàn)”的需要，“自我實現(xiàn)”是人發(fā)展的根本動力追求目標。當個體達到“自我實現(xiàn)”需要的高峰，也就進入了自由創(chuàng)造的境地，出現(xiàn)“高峰體驗”——創(chuàng)造潛能的發(fā)揮或自我實現(xiàn)給人以最高的喜悅，這種主觀上的感受是最高的獎賞和獎勵。教育的作用在于提供一個安全、自由、充滿人性味的心理環(huán)境，使學生固有的優(yōu)異潛能自動地得以實現(xiàn)。人本主義體現(xiàn)了學生的主動發(fā)展思想和主體發(fā)展地位，體現(xiàn)了以人為本的現(xiàn)代教育理念?！稗D(zhuǎn)變學習方式”就是要變“以教師為中心”為“以學生為中心”，明確教學的目標在于促進個體的可持續(xù)發(fā)展。教師的任務(wù)不是教學生學習知識，而是為學生提供各種學習資源——信息技術(shù)將為教師在有限的時間內(nèi)展示多角度、多層面、全方位的信息資源提供可能，創(chuàng)設(shè)有利于學生發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新的信息平臺，讓學生真正成為學習的主體［1］。

2 信息化環(huán)境下大學物理實驗教學新模式的構(gòu)建

遵照中共中央國務(wù)院關(guān)于“深化教育改革全面推進素質(zhì)教育，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神與實踐能力”的指示，將“堅持和落實科學發(fā)展觀，以學生為本，以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為核心，實施開放式實驗教學，促進學生知識、能力、思維和素質(zhì)的全面協(xié)調(diào)發(fā)展”作為實驗教學改革的指導思想。且基于建構(gòu)主義理論和人本主義理論，我們改革的思路是：通過建立以真實物理實驗為基礎(chǔ)的“物理實驗教學網(wǎng)站＋物理實驗輔助學習機”嶄新的數(shù)字化學習平臺，實現(xiàn)物理實驗課前、課堂、課后三位一體的“自主學習和面向個性化教育的”的全程數(shù)字化教學指導新模式，實現(xiàn)以“教”為中心的教學模式向以突出教師主導作用和學生主體作用的“雙主”教學模式的轉(zhuǎn)變，從而達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神與實踐能力的目標，使物理實驗教學質(zhì)量大幅提高，為學生的可持續(xù)發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

即信息化環(huán)境下大學物理實驗教學新模式是以數(shù)字化物理實驗學習平臺為基礎(chǔ)，以信息化、網(wǎng)絡(luò)化實驗教學管理平臺為保障，自主開發(fā)的物理實驗輔助學習機為依托，實現(xiàn)課前、課堂、課后三位一體的自主學習和個性化相結(jié)合的物理實驗教學模式［2－5］。

2.1 建立有利于自主學習、個性化教育的“模塊化、分層次、開放式”的大學物理實驗教學新體系

從學生實踐能力、創(chuàng)新意識和能力的培養(yǎng)出發(fā)，根據(jù)實驗對象的不同、難易程度的不同及各實驗內(nèi)容和層次的不同，將中心開設(shè)的實驗項目構(gòu)建“9個模塊、4個層次、4個開放”的實驗教學體系。

“模塊化”是指根據(jù)不同的實驗對象、不同的實驗方法、不同的實驗背景和不同的實驗目的，以類似物理量的測量，相關(guān)聯(lián)的實驗內(nèi)容，拓展式組合方式為特征而構(gòu)成有利于學生自主選擇的多個實驗模塊?！胺謱哟巍笔菍⒎謱儆诟髂K的實驗項目，根據(jù)其實驗內(nèi)容分為基礎(chǔ)型、綜合型、設(shè)計型和研究型四個層次。實驗教學的層次化，有利于實現(xiàn)分階段、分層次教學和因材施教，使學生基礎(chǔ)能力培養(yǎng)和個性化教學有機結(jié)合，相得益彰?！伴_放式”是指在實驗內(nèi)容、時間、空間、對象等多角度、全方位的開放，讓學生結(jié)合個人興趣、專業(yè)特點自主選學，使學生主動性增強，有效實現(xiàn)基本技能的訓練、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和綜合素質(zhì)的提高的目的。

2.2 建立實驗中心的物理實驗教學網(wǎng)站

將“模塊化、分層次”的 物理實驗教學內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)化，它包括大量豐富的數(shù)字視頻、數(shù)字音頻、多媒體課件、實驗室資源網(wǎng)站、虛擬實驗、BBS等資源，為學生提供實驗預習、實驗交流、總結(jié)分析的自主學習平臺。

2.3 建立信息化、網(wǎng)絡(luò)化的實驗教學管理平臺

它包括物理實驗網(wǎng)上選課系統(tǒng)、物理實驗教學管理信息系統(tǒng)和實驗設(shè)備管理系統(tǒng)。通過這個平臺，實現(xiàn)學生實驗預約、開放、自主學習。傳統(tǒng)的實驗教學管理已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在實驗課程的要求。根據(jù)課程要求，學生可以在網(wǎng)上提前自主預約實驗時間、實驗內(nèi)容。通過預約方式，通過管理系統(tǒng)實驗中心匯總，在實驗教師、設(shè)備儀器條件允許的前提下，根據(jù)學生預約的情況，不分專業(yè)班級安排實驗項目、內(nèi)容。這樣不同專業(yè)和班級的學生可以在同一時間段，同一實驗室做實驗，打破了多年來統(tǒng)一按專業(yè)和班級安排實驗的慣例，讓學生能真正按自己的意愿，在實驗時間與內(nèi)容上自主選擇。利用物理實驗教學管理信息系統(tǒng)安排教學任務(wù)，查詢教學任務(wù)、內(nèi)容和學生實驗項目的成績、所選實驗上課時間、地點。教師利用該系統(tǒng)對學生實驗過程進行全程管理，包括實驗記錄、學生考勤、成績評定、學生實驗結(jié)果的統(tǒng)計分析等。由此，他有利于優(yōu)化實驗項目的設(shè)置和改進教學方法，為實現(xiàn)課前、課堂、課后三位一體的自主學習和個性化相結(jié)合的物理實驗教學模式創(chuàng)造了條件，實現(xiàn)實驗學習的開放式、自主型、個性化。同時，也擴大了學生的視野和交流，也有益于師生廣泛的交流。

2.4 研究開發(fā)物理實驗輔助學習機，在實驗教學中發(fā)揮顯著作用，是實驗教學的方式改革的新起點和突破

為適應(yīng)物理實驗教學改革的需要，自主研發(fā)物理實驗輔助學習機。它是我們在研究實踐數(shù)字化物理實驗教學新模式的過程中，第一次引入一種類似英語學習機的便攜式掌上電子系統(tǒng)于物理實驗的實驗教學過程。它可播放視頻、音頻多媒體實驗教學課件，支持人機交互功能。學習機用于物理實驗教學是現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)用于物理實驗教學的一個創(chuàng)舉，是實驗教學有益的嘗試，它開物理實驗教學的先河。是物理實驗教學改革的一個新的起點，是實驗教學模式的積極探索和創(chuàng)新，開辟了物理實驗教學改革的新途徑。物理實驗輔助學習機與真實物理實驗相結(jié)合的實驗教學指導模式，實現(xiàn)了教學內(nèi)容的呈現(xiàn)形式、學生實驗的學習方式、教師的教學方式和師生互動方式的變革，實現(xiàn)以“教”為中心向教師主導作用和學生主體作用的“雙主”教學方式轉(zhuǎn)變。

物理實驗輔助學習機使實驗內(nèi)容數(shù)字化，為物理實驗學習開辟新的途徑。物理實驗輔助學習機將物理實驗的相關(guān)的內(nèi)容置于其內(nèi)，包括實驗項目、實驗步驟、實驗方法、實驗儀器、典型實驗結(jié)果分析、歷史重要實驗和重要物理事件。學生利用物理實驗輔助學習機，結(jié)合應(yīng)用軟件學生可以根據(jù)自己的實際情況有選擇地即時學習、思考、討論教學內(nèi)容，查閱瀏覽，邊學邊做，實現(xiàn)自主學習，完成實驗。

實驗輔助學習機改變了物理實驗的教學方式。憑借實驗輔助學習機學生可在課前預習階段、上課實驗階段等各個教學環(huán)節(jié)得到全程實驗指導。該學習機還可將實驗數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器上供老師批改，該學習機實驗數(shù)據(jù)上傳時，學習機可智能識別實驗結(jié)果的對錯、誤差和精度，并提醒學生是否重做實驗。除此以外，學生還可以通過學習機呼叫老師、請求答疑。物理實驗輔助學習機應(yīng)用于實驗教學增加了教師與學生的交流，強化了教師教學過程中對學生的個性化的指導，充分發(fā)揮實驗教學中的教師主導作用和學生主體作用，使數(shù)字化物理實驗教學新模式得以實現(xiàn)。

3 信息化環(huán)境下大學理實驗教學模式的實踐情況反饋

3.1 教師更新了實驗教學理念，提高了教學能力，積累和優(yōu)化了教學資源

借助信息化實驗教學平臺，教師開發(fā)了大量的多媒體課件，有虛擬實驗系列、模擬實驗系列、實時講課錄像等。教師可不斷積累、更新、優(yōu)化和創(chuàng)新自己的電子課件，形成具有自己的獨特教學風格。推動實驗教師和技術(shù)人員不斷更新知識，掌握現(xiàn)代教育技術(shù)，保證物理實驗課程的教學質(zhì)量。

3.2 極大地激發(fā)了學生的實驗學習興趣，學生的實驗操作能力和創(chuàng)新精神得到培養(yǎng)，學習方式得到轉(zhuǎn)變

表1 06級部分學生物理實驗情況對比

根據(jù)表1，06級實驗班和對比班的學生實驗教學情況進行分析對比，發(fā)現(xiàn)存在著較大的差異，其主要表現(xiàn)在以下幾方面：①在實驗學習態(tài)度上，實驗班學生要比對比班學生更為積極、主動、認真。②在創(chuàng)新性方面上，實驗班學生要比對比班學生做得更好，許多學生實驗設(shè)計富于想像，具有較好的創(chuàng)新。而對比班學生顯得很普通，大部分照本宣科。③在實驗基本技能上，實驗班學生普遍都比對比班學生掌握得更好。④從實驗的基本知識上，實驗班學生更能主動地的吸收、存儲各種渠道的信息，能對信息進行初步的分析、組織和利用。對比班學生主動獲取信息的意識不強，信息渠道相對較窄，大部分僅停留在一本實驗教科書上。

3.3 形成新型的師生關(guān)系

在實施新型教學模式的過程中，教師、學生的角色關(guān)系在逐漸地發(fā)生改變。課堂上，教師不再是權(quán)威和知識的化身，成了學生學習的促進者；學生是學習的主體。表2映了新型教學模式和傳統(tǒng)教學模式的師生角色差別：

表2 兩種模式實驗環(huán)節(jié)實施對象對比

3.4 兩種教學模式教學功能對照表

表3則是傳統(tǒng)教學模式與信息化環(huán)境下實驗教學模式的教學功能的對比。

表3 兩種模式下的教學功能對比

4 信息化環(huán)境下大學物理實驗教學模式的實踐成果

4.1 建立了課前、課堂、課后三位一體的數(shù)字化實驗教學平臺

建設(shè)了支持課前、課堂、課后的三位一體數(shù)字化實驗學習平臺，由課前學習系統(tǒng)、課堂實時指導系統(tǒng)、課后學習系統(tǒng)三個子系統(tǒng)構(gòu)成，該學習平臺已由武漢理工大學出版社出版，有專用軟件版本號。課前學習系統(tǒng)，為學生實驗預習提供豐富的教學資源，設(shè)有實驗儀器網(wǎng)上瀏覽、多媒體課件、模擬實驗、虛擬實驗等教學資源。為學生營造一個良好的多元化、開放的學習環(huán)境，并組織、引導、幫助、督促學生在其中學習，使學生學會如何自主地獲取信息和處理信息，主動而有效地安排學習過程。

4.2 開發(fā)成功物理實驗輔助學習機，并獲發(fā)明專利，發(fā)明專利號200610019437.5

利用實驗輔助學習機應(yīng)用軟件學生可以根據(jù)自己的實際情況有選擇地、隨時地對實驗目的、實驗原理、實驗儀器、實驗要點、實驗步驟、實驗操作演示過程、思考與討論等教學內(nèi)容進行查閱和反復瀏覽，邊學邊做、對照操作，實現(xiàn)自主學習、完成實驗。憑借實驗輔助學習機學生可在課前預習階段、上課時做實驗階段等各個教學環(huán)節(jié)得到全程實驗指導。該學習機還可將實驗數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器上供老師批改，該學習機實驗數(shù)據(jù)上傳時，學習機可智能識別實驗結(jié)果的對錯、誤差和精度，并提醒學生是否重做實驗，如此既可為避免學生課后偽造實驗數(shù)據(jù)，又可方便老師及時給每個學生打分、記錄實驗成績。該學習機還具有呼叫老師、請求答疑等功能。

教師則可把精力用在課件設(shè)計、學生個別指導、參與學生實驗討論等工作上。教師和學習機一起參與教學過程，增加教師與學生的深層次交流，強化教師在教學過程中對學生的個性化的指導和科學實驗基本能力和素質(zhì)的培養(yǎng)，真正實現(xiàn)教師主導作用和學生主體作用的充分發(fā)揮。

4.3 建立了信息化、網(wǎng)絡(luò)化的實驗教學管理平臺

實驗教學信息化、網(wǎng)絡(luò)化的實驗教學管理平臺包括物理實驗網(wǎng)上選課系統(tǒng)、物理實驗教學管理信息系統(tǒng)和實驗設(shè)備管理系統(tǒng)。通過物理實驗網(wǎng)上選課系統(tǒng)，學生根據(jù)興趣和需要，在老師的指導下，在網(wǎng)上選課，網(wǎng)上選實驗項目、預約實驗時間、自主調(diào)課等。利用物理實驗教學管理信息系統(tǒng)進行排課安排教學任務(wù)，老師可查詢教學任務(wù)，學生可查詢每個實驗項目的成績和每個實驗項目上課的時間、地點。老師可利用該系統(tǒng)給學生實驗打分，記錄考勤，統(tǒng)計分析實驗的成績，分析實驗項目的難易程度，分析學生實驗的情況，優(yōu)化實驗項目的設(shè)置和改進教學方法。

實驗設(shè)備管理系統(tǒng)可對設(shè)備的保管、維護、老化淘汰、設(shè)備的利用率、實驗耗材管理等提供方便科學的信息化管理手段。實驗設(shè)備管理系統(tǒng)構(gòu)成：賬卡管理、維修管理、實驗耗材管理、借用管理、效益統(tǒng)計等。

該學習平臺已由武漢理工大學出版社出版，《課前、課堂、課后數(shù)字化實驗學習平臺V1－1》，《物理實驗中心信息化、網(wǎng)絡(luò)化教學管理系統(tǒng)V1－1》，《物理實驗中心選課系統(tǒng)V1－1》，于2008年09月在武漢理工大學出版社發(fā)行。

其中，實驗學習機在“第五屆全國高校物理實驗教學研討會”上榮獲全國教學儀器評比三等獎。

5 信息化環(huán)境下大學物理實驗教學新模式的實踐成果推廣及應(yīng)用情況

（1）信息化環(huán)境下大學物理實驗教學新模式，即課前、課堂、課后三位一體的數(shù)字化實驗教學新模式，通過“試點——總結(jié)——擴大試點——總結(jié)——全面推廣”的階段，已積極穩(wěn)妥的在3屆理工科各專業(yè)等21000本科生中實施，使學校每年近7千名本科生直接受益。實踐效果表明：學生自主學習興趣濃收獲大，實驗訓練全面，綜合能力得到鍛煉和提高。2008－2010年，本科生參與發(fā)表實驗小論文176篇，涉及人數(shù)200余人。獲湖北省優(yōu)秀學士論文獎37項，其中一等獎9項，二等獎13項，三等獎15項。

（2）2009年10月該項目成果已應(yīng)用到黃岡師范學院、中國地質(zhì)大學等學校，對國內(nèi)高校實驗教學改革具有很好的輻射和借鑒作用，使周邊兄弟學院數(shù)萬名本專業(yè)學生逐步間接受益。

（3）項目成果不僅滿足了本校實驗教學的需要，而且還滿足了全國其他兄弟院校實驗教學的需要。建成的省級物理實驗教學示范中心，已起到很好的示范作用，已有武漢科技大學、中國地質(zhì)大學、華中科技大學等8所學校教師到實驗中心參觀學習。

實驗教學是高等學校培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和能力的高素質(zhì)人才的重要教學環(huán)節(jié)。信息化環(huán)境下大學物理實驗教學新模式，在數(shù)字化實驗教學平臺建設(shè)，實現(xiàn)實驗教學開放式、自主型、個性化過程中積累了經(jīng)驗，實現(xiàn)實驗教學模式的突破，促進了物理實驗教學改革，有益于提高實驗教學水平，有益于提高學生實驗實踐能力，有益于促進學生知識、素質(zhì)、能力協(xié)調(diào)發(fā)展。第一次將學習機用于物理實驗教學過程，它打開物理實驗教學改革的先河，是現(xiàn)信息技術(shù)用于大學物理實驗教學的一個新的實踐。

［1］ 張大均.教育心理學［M］.北京：人民教育出版社，2005.

［2］ 潘小青，陸俊發(fā).大學物理實驗教程［M］.上海：華東理工大學出版社，2006.

［3］ 王琰，王代新，龍濤.大學物理實驗［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［4］ 寧鋅.大學物理傳真實驗在教學實踐中的應(yīng)用［J］.大學物理實驗，2012（3）：110－111.

［5］ 彭華，吳世春.大學生物理實驗能力培養(yǎng)模式的改革與實踐［J］.大學物理實驗，2012（3）：112－114.