“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下大學(xué)物理實驗教學(xué)創(chuàng)新與探索*

秦平力 余雪里 張昱

(武漢工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院 湖北 武漢 430205)

1 引言

在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)信息化的背景下，國內(nèi)諸多高校近年來也不斷嘗試將現(xiàn)代信息技術(shù)運用于實驗教學(xué)改革．在2015年3月的第十二屆全國人民代表大會第三次會議上，李克強總理提出制定“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，指出通過該計劃，深入推進“互聯(lián)網(wǎng)+”教育，促進高質(zhì)量教育資源共享[1]．教育部在2018年出臺的《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》(新高教四十條)中指出，推進現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，重塑教育教學(xué)形態(tài)．加快建設(shè)多元協(xié)同、內(nèi)容豐富、應(yīng)用廣泛、服務(wù)及時的高等教育云平臺，打造適應(yīng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主管理、自主服務(wù)需求的智慧課堂、智慧實驗室、智慧校園．大力推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代技術(shù)在教學(xué)和管理中的應(yīng)用，探索實施網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化、個性化的教育，推動形成“互聯(lián)網(wǎng)+高等教育”新形態(tài)，以現(xiàn)代信息技術(shù)推動高等教育質(zhì)量提升的“變軌超車”． 推動優(yōu)質(zhì)課程資源開放共享，促進慕課、微課等優(yōu)質(zhì)資源平臺發(fā)展，鼓勵教師多模式應(yīng)用，鼓勵學(xué)生多形式學(xué)習(xí)，提升公共服務(wù)水平，推動形成支持學(xué)習(xí)者人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時時可學(xué)的泛在化學(xué)習(xí)新環(huán)境．

在上述文件與精神的指引下，以“互聯(lián)網(wǎng)”為載體的各種教育模式不斷向縱深發(fā)展．如何發(fā)揮“互聯(lián)網(wǎng)+”的機動、靈活和個性化的優(yōu)勢，將其融入到傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，使“教與學(xué)”活動與“互聯(lián)網(wǎng)”緊密結(jié)合，提升實驗教學(xué)質(zhì)量，形成 “互聯(lián)網(wǎng)+”實驗教學(xué)新模式．這將是今后一段時間內(nèi)實驗教學(xué)探索研究的新方向．

2 大學(xué)物理實驗教學(xué)面臨的現(xiàn)實問題

大學(xué)物理實驗是普通工科院校各專業(yè)課程體系中一門重要的基礎(chǔ)課程，著重培養(yǎng)學(xué)生仔細觀察、查閱資料、獨立思考、確定實驗方案、協(xié)同操作等方面的能力，培育學(xué)生創(chuàng)造性思維與創(chuàng)新意識，提高學(xué)生實事求是的科學(xué)精神，在高等學(xué)校人才培養(yǎng)中具有不可取代的地位．然而，在當(dāng)前大學(xué)物理實驗教學(xué)模式存在諸多問題[2～4]．

(1)傳統(tǒng)大學(xué)物理實驗教學(xué)過程中， “教師為中心”的現(xiàn)象比較普遍；花費大量時間講解實驗原理與理論，學(xué)生操作時間相對不足，“填鴨式”實驗教學(xué)導(dǎo)致學(xué)生被動地完成實驗，難以啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維．

(2)學(xué)生來源五湖四海，他們的實驗基本知識、方法和技能等方面存在一定差異．在上大學(xué)前，一部分學(xué)生沒有系統(tǒng)地進行過物理實驗的培養(yǎng)，甚至在高中根本沒有做過物理實驗，缺乏基本的實驗操作和動手實踐能力，難以在課堂上理解與消化實驗內(nèi)容，導(dǎo)致對實驗毫無興趣，或者在整個實驗過程中迷茫、無所適從．

(3)實驗前，實驗預(yù)習(xí)也只是將教材中的實驗?zāi)康?、原理、方法與步驟等內(nèi)容直接抄寫在實驗報告紙上，很少反復(fù)仔細地閱讀教材，更不必說能主動去查閱相關(guān)資料，導(dǎo)致實驗預(yù)習(xí)形同虛設(shè)；同時，沒有開放式的教學(xué)資源，學(xué)生也難以進行有針對性的高效實驗前預(yù)習(xí)．在實驗過程中，對實驗思考不夠、對實驗儀器不熟悉，尤其那些缺乏實驗操作和動手能力的學(xué)生需要在老師的指導(dǎo)幫助下機械地完成實驗，或者在別人調(diào)節(jié)好的儀器上直接測量數(shù)據(jù)，更有甚者直接抄襲或編造數(shù)據(jù)；實驗后，沒有一個及時交流反饋途徑，難以與老師直接交流，達到真地做到答疑解惑、消化實驗內(nèi)容的目的．

(4)傳統(tǒng)考評方式存在較大弊端，實驗成績主要以學(xué)生實驗報告為主，重視實驗數(shù)據(jù)及誤差等實驗結(jié)果，忽略實驗過程中學(xué)生的表現(xiàn)．這種評價方式會導(dǎo)致更多的學(xué)生將精力主要放在實驗報告上，在整個實驗過程中不認(rèn)真學(xué)習(xí)．為迎合教師的評分機制或者獲得較高的實驗成績，實驗后抄襲他人實驗數(shù)據(jù)與結(jié)論．

3 “互聯(lián)網(wǎng)+” 環(huán)境下大學(xué)物理實驗教學(xué)優(yōu)勢

首先，“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下“填鴨式”被動學(xué)習(xí)向自主實驗學(xué)習(xí)的模式轉(zhuǎn)化[4]．

隨著高等學(xué)校網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不斷深入發(fā)展與完善，大多數(shù)高校都建設(shè)自己的網(wǎng)絡(luò)與教學(xué)平臺．利用“互聯(lián)網(wǎng)+”的教學(xué)環(huán)境，開放教學(xué)資源，突破了時空的限制，賦予學(xué)生更多的學(xué)習(xí)自由，創(chuàng)新適合學(xué)生不同風(fēng)格的學(xué)習(xí)模式，調(diào)動學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)動力，發(fā)揮他們學(xué)習(xí)過程的主動性、積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)探究精神，提高科學(xué)素養(yǎng)，促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主管理、自主服務(wù)需求向研究性學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)需求的轉(zhuǎn)化．

其次，“互聯(lián)網(wǎng)+”整合大學(xué)物理教學(xué)資源，豐富大學(xué)物理實驗教學(xué)情境.

大學(xué)物理實驗是一門理工科專業(yè)理論與實踐相結(jié)合的學(xué)科基礎(chǔ)課．理論性和實踐性都較強．較短的時間內(nèi)，很多學(xué)生難以吃透實驗原理、熟悉實驗操作．利用“互聯(lián)網(wǎng)+”，可以將遠程教育、在線課堂、慕課、微課等教學(xué)資源整合，實現(xiàn)圖片、文字、視頻和音頻等相關(guān)教學(xué)資料的開放，創(chuàng)新物理實驗教學(xué)情境，達到“線上”與“線下”相結(jié)合，彌補傳統(tǒng)教學(xué)過程實驗預(yù)習(xí)的不足，以滿足不同層次學(xué)生的興趣和需求，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)欲望，發(fā)揮學(xué)生的認(rèn)知主體作用．

第三，便捷化的實驗教學(xué)，有利于師生交流．

“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展賦予了現(xiàn)代教學(xué)更多的功能與教學(xué)形式，開啟了交互式教學(xué)．教師之間可以順利進行經(jīng)驗交流；學(xué)生也可利用互聯(lián)網(wǎng)相互傳遞、共享各種資源，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率；實現(xiàn)網(wǎng)上預(yù)約、在線答疑等教學(xué)活動，促進師生間互動，有利于學(xué)生不受時空限制，隨時隨地進行學(xué)習(xí)，有助于實驗課堂順利地“教與學(xué)”．同時，教師在實驗課堂上得到“解放”，能及時關(guān)注學(xué)生整個物理實驗過程，在有限的課時內(nèi)，發(fā)現(xiàn)并解決問題，逐步培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與實驗?zāi)芰?，開發(fā)他們的創(chuàng)新思維．

4 “互聯(lián)網(wǎng)+” 環(huán)境下大學(xué)物理實驗教學(xué)模式與探索

4.1 優(yōu)化大學(xué)物理實驗的教學(xué)內(nèi)容與體系

實驗教學(xué)是學(xué)生理解理論知識，形成自學(xué)能力和探索合作精神，鍛煉綜合素質(zhì)，培養(yǎng)創(chuàng)新意識的重要手段．我們實驗中心的教學(xué)定位是把基本實驗技能培養(yǎng)作為基礎(chǔ)，把綜合科研能力培養(yǎng)作為核心，把創(chuàng)新能力和實踐應(yīng)用能力培養(yǎng)作為目標(biāo)，讓學(xué)生具備科學(xué)素養(yǎng)和探索精神，堅持理論教學(xué)與實驗實踐教學(xué)相結(jié)合、實驗教學(xué)與科學(xué)研究相結(jié)合、能力培養(yǎng)與素質(zhì)培養(yǎng)相結(jié)合、中心內(nèi)實驗教學(xué)與中心外的實踐教學(xué)相結(jié)合，實現(xiàn)對理論傳授、能力培養(yǎng)和素質(zhì)養(yǎng)成的協(xié)調(diào)發(fā)展．為了適應(yīng)物理實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，在分析了大學(xué)物理實驗教學(xué)現(xiàn)狀及其普遍存在的問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合大學(xué)物理實驗中心的教學(xué)實際情況，提出“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的大學(xué)物理實驗教學(xué)體系模型(圖1)．整合傳統(tǒng)實驗教學(xué)資源優(yōu)勢與“互聯(lián)網(wǎng)+”服務(wù)平臺的便利，實現(xiàn)大學(xué)物理實驗教學(xué)資源共享，突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的封閉和限制，優(yōu)化大學(xué)物理實驗教學(xué)資源配置，提升其使用效率[5]．

圖1 “互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下大學(xué)物理實驗教學(xué)體系及師生交流互動平臺架構(gòu)示意圖

作為基礎(chǔ)課程，根據(jù)大學(xué)一年級新生現(xiàn)有的知識結(jié)構(gòu)及實驗項目的難易程度，將實驗在原有“力、熱、電、光及近代物理實驗”五大模塊的基礎(chǔ)上分為基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗和創(chuàng)新性實驗．并對每一個實驗內(nèi)容進行優(yōu)化，達到適宜網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的目的．實驗教學(xué)中，堅持“第一課堂(課內(nèi))+第二課堂(課外)”一體化教學(xué)改革．課內(nèi)，適當(dāng)?shù)瘜嶒炛笇?dǎo)教師的作用，以實驗教材與相關(guān)實驗儀器視頻介紹為主體，讓學(xué)生自主地進行實驗，出現(xiàn)的問題學(xué)生要先思考和討論，教師在現(xiàn)場隨時指導(dǎo)．課外，讓學(xué)生通過查閱相關(guān)實驗書籍與視頻資料，明確實驗?zāi)康募耙?，弄懂實驗原理，確定實驗內(nèi)容、步驟和設(shè)計數(shù)據(jù)表格，必要時學(xué)生可以相互討論，也可提前去實驗室了解有關(guān)儀器的使用，尤其加大學(xué)生對于綜合性與提高性實驗獨立自主預(yù)習(xí)的實驗要求．實驗結(jié)束后，除了要對結(jié)果進行分析、討論和總結(jié)外，有余力的學(xué)生以專題小論文的形式，總結(jié)實驗心得，并改進與創(chuàng)新實驗．這種教學(xué)模式有利于培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考能力及實際動手能力、解決問題能力和合作精神．

對于創(chuàng)新性實驗，建立創(chuàng)新實驗室，擴展學(xué)生的興趣，實現(xiàn)課外科技實驗活動．同時，與其他學(xué)院(中心)聯(lián)合，如我校的機電學(xué)院、電氣工程學(xué)院以及學(xué)校工程實踐中心等單位，形成固定的第二課堂創(chuàng)新實踐平臺，指導(dǎo)學(xué)生申請校長基金，并積極參加省內(nèi)外相關(guān)的競賽；對于有研究課題的教師提供已研究成功或在研課題的部分研究內(nèi)容，或?qū)W生自帶課題，在教師指導(dǎo)下以課外科技活動的方式，在全天開放的創(chuàng)新實驗室完成，學(xué)生提交研究報告、專利或發(fā)表論文等作為考核依據(jù)，計入創(chuàng)新實踐選修課程成績．

4.2 構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+” 師生交流互動平臺

基于學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)資源和學(xué)生手機、電腦等網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，我們實驗中心建立大學(xué)物理實驗教學(xué)網(wǎng)上平臺，構(gòu)建不受時空限制的“互聯(lián)網(wǎng)+” 師生交流互動平臺系統(tǒng)[6]．

建設(shè)具有所有權(quán)的“微課”資源．將基礎(chǔ)性、綜合性和設(shè)計性這3部分的實驗按照實驗要求，拍攝成相應(yīng)的“微課”視頻．利用學(xué)校的在線課堂并形成網(wǎng)絡(luò)開放式教學(xué)資源，師生可以自由注冊訪問．學(xué)生通過這些“微課”資源的觀看學(xué)習(xí)，進行充分課前預(yù)習(xí)．進入實驗室后，對實驗儀器不再陌生，節(jié)省了教師詳細講解實驗原理、實驗步驟和實驗儀器的時間．讓教師和學(xué)生在課堂上有更多的時間進行交流互動．這樣一來，學(xué)生有更多的時間進行動手操作，教師也有更多的時間對學(xué)生實驗過程進行監(jiān)控，解決學(xué)生面臨的實驗問題，從而在課堂上夯實學(xué)生實驗實踐的效果．

利用學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)資源，建設(shè)具有自己特色的教學(xué)管理、實驗預(yù)約與實驗成績管理系統(tǒng)．在這個系統(tǒng)里，能夠順利地完成教學(xué)安排和教學(xué)過程管理，提供設(shè)置課程信息、選課規(guī)則、成績評定規(guī)則、教師排課、學(xué)生選課及成績管理功能，推進實驗室全方位自由開放，滿足不同層次、不同專業(yè)學(xué)生的需要．學(xué)生可以隨時隨地利用閑散碎片時間進行學(xué)習(xí)，針對自己的專業(yè)與自己課程安排時間，實現(xiàn)實驗項目自由選擇，滿足個性化需求，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和時間利用率，拓展學(xué)生知識面，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維能力，逐漸養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力．

基于“QQ群”，建立師生交流互動平臺，提升物理實驗教學(xué)效率[7]．重點解決教師之間、學(xué)生之間和師生之間互動討論“斷層”的問題，及時交流互動，有效通信有無，及時做到答疑解惑．加強對學(xué)生的管理，可以有針對性地解決個別學(xué)生在學(xué)習(xí)過程提出的問題．學(xué)生間在學(xué)習(xí)方面可以交流心得，開展群體協(xié)作學(xué)習(xí)，增加學(xué)生對實驗學(xué)習(xí)的認(rèn)同感、歸屬感．同時，及時公布相關(guān)的教學(xué)信息，將實驗課表、實驗課件與內(nèi)容、實驗項目簡介、注意事項等文件上傳到QQ群，學(xué)生能及時翻閱查看，提前做好相關(guān)實驗內(nèi)容的預(yù)習(xí)，提升預(yù)習(xí)效果．實驗課堂上，教師根據(jù)提前準(zhǔn)備的課件內(nèi)容，簡化講解內(nèi)容，以解決學(xué)生疑問、組織學(xué)生分小組開展討論等方式調(diào)動學(xué)生實驗的興趣，提高教學(xué)效率．

4.3 注重實驗操作過程創(chuàng)建“平時+期末+創(chuàng)新”實驗考核方式

一般情況下，傳統(tǒng)實驗教學(xué)多采用以“實驗報告+期末考試”的方式對學(xué)生的實驗成績進行考核，評價方式單一．在“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)支持下，我們對學(xué)生的大學(xué)物理實驗成績評定進行了優(yōu)化，創(chuàng)建“平時+期末+創(chuàng)新”實驗考核方式．具體采取了“實驗預(yù)習(xí)+實驗報告”+“實驗操作”+“現(xiàn)場實驗考試”+“創(chuàng)新實驗”+“拓展追加分”等的多種成績評判．平時實驗成績占70%，包含實驗預(yù)習(xí)分、實驗操作分和實驗報告分． “實驗預(yù)習(xí)+實驗報告”部分的成績采用傳統(tǒng)考核方式計分．“實驗操作”以現(xiàn)場學(xué)生操作實驗儀器的熟練程度，完成實驗快慢及完成質(zhì)量，教師可以現(xiàn)場給出一個實驗操作成績．“實驗預(yù)習(xí)+實驗報告”+“實驗操作”兩部成績各占50%權(quán)重，得出一個實驗項目的綜合成績．由于實驗項目難易程度不一樣，不同實驗項目成績也相差較大．在開放式教學(xué)條件下，學(xué)生的成績不能反映其實驗?zāi)芰Γ疄榱斯胶侠?、準(zhǔn)確、客觀地評判學(xué)生實驗成績，充分發(fā)揮開放式實驗教學(xué)的優(yōu)勢特點，根據(jù)每個實驗項目所有學(xué)生的成績，設(shè)置其歸一化可信權(quán)因子，每一個實驗項目的最終成績就是每個實驗的實際得分乘以該實驗的可信權(quán)因子．這樣解決了不同實驗難易程度不同對學(xué)生成績評價的不公平，真實地反映學(xué)生的實驗技能水平．這占總評成績的70%，增加實驗的現(xiàn)場實驗考試，對平時學(xué)生在實驗態(tài)度、實驗方法、實驗技能的培養(yǎng)等方面的綜合收獲能力進行檢驗，豐富實驗考核的內(nèi)容，這占總評成績的25%．“創(chuàng)新實驗”就是讓學(xué)生根據(jù)所做的實驗進行總結(jié)，對實驗方案、實驗內(nèi)容、實驗儀器及數(shù)據(jù)處理等方面進行總結(jié)，并提出切實可行的整改方案．根據(jù)創(chuàng)新成分適當(dāng)評定學(xué)生創(chuàng)新實驗的分?jǐn)?shù)，這占總評成績的5%．對一些成績較好且有追求的學(xué)生，可以開放近代物理實驗室，讓學(xué)生延伸知識層次，這一部分成績以獎勵的形式對學(xué)生進行評定，所得到的分?jǐn)?shù)可以直接加入大學(xué)物理實驗的總評成績，這就是實驗“拓展追加分”．以這樣的方式激勵學(xué)生積極主動施行實驗創(chuàng)新，開發(fā)他們的創(chuàng)新思維．

5 總結(jié)

在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，采取開放式實驗教學(xué)模式，不斷改革大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容與體系，利用“微課”等網(wǎng)上資源，在完備的教學(xué)管理系統(tǒng)和師生交流互動平臺的幫助下，創(chuàng)新“平時+期末+創(chuàng)新”實驗考核方式，注重學(xué)生實際的實驗操作過程，合理引導(dǎo)學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并推進實驗室對學(xué)生的全方位開放，建立一個全方位隨時學(xué)習(xí)的實驗教學(xué)平臺與模式，實現(xiàn)傳統(tǒng)大學(xué)物理實驗教學(xué)水平與實驗教學(xué)效率的提升，有利學(xué)生從“填鴨式”被動學(xué)習(xí)向自主實驗學(xué)習(xí)的模式轉(zhuǎn)化．