智慧教學(xué)與管理在大學(xué)物理實驗中的應(yīng)用

張廣斌，李香蓮，王長順，董大興

(南京航空航天大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 211100)

2015年3月第12屆全國人民代表大會第3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，促進優(yōu)質(zhì)教育資源的共享利用. 在教育領(lǐng)域，打破傳統(tǒng)教學(xué)觀念，充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢，大力推進信息技術(shù)在教學(xué)過程中的應(yīng)用，促進信息技術(shù)與課程的融合，近年來成為教育研究和探索的熱點[1-5].

大學(xué)物理實驗是高等學(xué)校理工科類專業(yè)學(xué)生進行科學(xué)實驗基本訓(xùn)練的必修基礎(chǔ)課程，是本科生所接受的進行系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的第一門實驗課程[6-7]，在引導(dǎo)學(xué)生掌握物理知識與技能、培養(yǎng)實踐動手能力、提高科學(xué)研究素養(yǎng)、提升參與實踐與科學(xué)研究內(nèi)驅(qū)力、建立科學(xué)的世界觀、人生觀和價值觀方面具有非常重要和深遠的作用. 實驗課程的性質(zhì)和重要性決定了其排課方式、上課形式、教學(xué)模式和考核方法不同于一般的理論課程，在課程種類多、學(xué)生體量大、課堂次數(shù)多、實驗項目全、實驗室場地有限的前提下，教學(xué)的組織和實施越來越依賴于信息技術(shù)的支持[8-11].

南京航空航天大學(xué)物理實驗中心自2001年建設(shè)并使用物理實驗開放教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化管理平臺，學(xué)生在實驗內(nèi)容、實驗時間、指導(dǎo)教師等方面有較大的自主選擇權(quán)，充分體現(xiàn)以人為本、自主學(xué)習(xí)、注重個性發(fā)展的教育教學(xué)理念. 伴隨信息化技術(shù)的發(fā)展和閱讀載體的變化，物理實驗中心與時俱進，將多年來的開放教學(xué)管理經(jīng)驗與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，有效發(fā)揮了網(wǎng)絡(luò)資源和手機設(shè)備在實驗教學(xué)中的作用. 本文主要介紹智慧教學(xué)管理平臺在我校物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用情況，并對其未來的發(fā)展趨勢和方向進行展望.

1 智慧教學(xué)管理平臺在我校物理實驗教學(xué)中的具體應(yīng)用

1.1 智慧教學(xué)管理平臺的構(gòu)建

大學(xué)物理實驗課程針對不同學(xué)科和專業(yè)開設(shè)，開課范圍廣，學(xué)生數(shù)量多，教學(xué)和管理任務(wù)重. 以我校大學(xué)物理實驗教學(xué)為例，我校物理實驗中心每學(xué)年承擔(dān)大學(xué)物理實驗課程10余門，上課學(xué)生總數(shù)4 000多人，年均實驗課堂達2 000次，實驗總?cè)舜螖?shù)近60 000. 在實驗教師和實驗室場地有限的情況下，信息化教學(xué)綜合管理系統(tǒng)的開發(fā)和利用有效地緩解了課程開設(shè)的壓力，為課程安排、網(wǎng)絡(luò)資源利用、學(xué)生選課和上課、教學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計等提供了極為便利的條件.

我校物理實驗中心以信息技術(shù)為依托，以學(xué)生能力培養(yǎng)為中心，積極深化物理實驗教學(xué)改革，逐步完善實驗教學(xué)綜合管理系統(tǒng)，形成了以“分層次教學(xué)、開放式管理和過程性培養(yǎng)”為核心的實驗教學(xué)管理理念. 以原有開放教學(xué)綜合管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，融合現(xiàn)代技術(shù)手段，更新和拓展了其功能，形成了以物理實驗中心網(wǎng)站和物理實驗中心微信公眾號為平臺的智慧教學(xué)綜合管理系統(tǒng)，如圖1所示，充分發(fā)揮了智能手機在智能選課、報告下載、在線預(yù)習(xí)、上課提醒、智能考勤、報告上傳、成績反饋等一系列教學(xué)環(huán)節(jié)中的便捷作用.

圖1 智慧教學(xué)綜合管理系統(tǒng)

1.2 智慧教學(xué)學(xué)習(xí)資源的豐富

伴隨信息化技術(shù)的發(fā)展和閱讀載體的變化，現(xiàn)代大學(xué)生已經(jīng)習(xí)慣使用信息化手段作為獲取知識的重要途徑. 以智能手機為代表的移動互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，對一般意義上的系統(tǒng)學(xué)習(xí)帶來巨大沖擊，碎片化學(xué)習(xí)和泛在式學(xué)習(xí)應(yīng)運而生，其作為信息化時代學(xué)習(xí)的普遍特征之一，已成為深受年輕人推崇的學(xué)習(xí)方式. 改變傳統(tǒng)的以實驗課堂教學(xué)為主體的學(xué)習(xí)方式，借助信息化手段，將在線資源與線下實踐有機結(jié)合，全面發(fā)揮學(xué)生在實驗課堂中的主觀能動性，構(gòu)建真正“以學(xué)生為中心”的教學(xué)管理模式是實踐類課程亟需解決的問題.

1) 數(shù)字化教材資源

實驗教材是學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)實驗知識，有針對性地提高實驗技能的最直接的學(xué)習(xí)資源. 實驗基礎(chǔ)理論和實驗項目是物理實驗教材最主要的組成部分，實驗基礎(chǔ)理論的內(nèi)容相對固定，但實驗項目部分經(jīng)常因項目豐富、內(nèi)容擴展、設(shè)備更新或更換等因素影響，存在一定的變動性. 在教材不易頻繁修訂的前提下，如何彌補教材部分內(nèi)容與實際教學(xué)內(nèi)容不一致造成的影響，是實驗教材編寫者較為棘手的問題.

信息化技術(shù)在教材方面的應(yīng)用解決了這一矛盾，教材的數(shù)字化建設(shè)[12-14]成為一種趨勢，特別是將傳統(tǒng)紙質(zhì)教材與可視化資源相結(jié)合的教材編寫形式，頗受出版社和教師的青睞. 該形式的教材是對傳統(tǒng)教材的在線補充，即在紙質(zhì)教材每個章節(jié)的部分添加二維碼，二維碼信息包括擴展內(nèi)容、補充內(nèi)容、視屏講解、動畫演示等多種可編輯形式，使用者可以通過手機、平板、電腦等設(shè)備便捷獲取. 例如我校在機械工業(yè)出版社出版的大學(xué)物理實驗教材，教材把傳統(tǒng)教材無法呈現(xiàn)的實驗信息以二維碼形式展示在每個章節(jié)，既可以方便學(xué)生以傳統(tǒng)方式使用，又可以便于學(xué)生利用智能手機掃描獲取輔助信息.

2) 在線擴充性課程資源

實驗課堂與理論課堂相比，在有限的課堂時間內(nèi)更加注重培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作能力和發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，學(xué)生只有在大致掌握了實驗原理、操作方法、實驗設(shè)備使用、設(shè)計思路的基礎(chǔ)上，才能夠在實驗室有針對性地進行實驗. 因此，學(xué)生的課前預(yù)習(xí)準備對提高實踐課堂效率、提升實踐應(yīng)用能力至關(guān)重要.

在線開放資源的建設(shè)和優(yōu)化可以為學(xué)生更好地參與課外學(xué)習(xí)提供保障，其建設(shè)應(yīng)遵循直接性、便捷性、實效性和趣味性等原則，課外學(xué)習(xí)效果可以通過課前測試予以反饋，從而提高學(xué)習(xí)資源的利用率和課堂實踐的效率. 我校物理實驗中心通過中心網(wǎng)站和微信公眾號為學(xué)生提供了豐富的學(xué)習(xí)和預(yù)習(xí)資源，并通過智慧化手段對學(xué)生課前學(xué)習(xí)進行適當(dāng)督促和約束，這種做法起到了一定的效果，課前準備更充分，課堂實踐效果提高明顯. 在線資源建設(shè)情況如圖2所示.

1.3 學(xué)習(xí)效果評測及實踐教學(xué)評價

大學(xué)物理實驗課程是一門獨立設(shè)課的基礎(chǔ)實踐課程，對于培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和實踐動手能力具有重要的作用. 課程教學(xué)效果和學(xué)生的過程性學(xué)習(xí)成效是提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生綜合素質(zhì)的具體體現(xiàn). 學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)和綜合素質(zhì)提高，是由學(xué)生主動參與、教師因勢利導(dǎo)和評價體系動態(tài)激勵相互作用的過程，將信息化技術(shù)手段與實踐課程考核有機融合，可以實時發(fā)現(xiàn)學(xué)生在不同環(huán)節(jié)存在的問題，并有針對性地予以指導(dǎo)和反饋.

圖2 在線課程資源

我校物理實驗教學(xué)借助信息化手段對課程考核評價的具體應(yīng)用如圖3所示. 物理實驗中心積極探索實踐課程的過程性培養(yǎng)方式和方法，深入挖掘智能手機在教學(xué)中的潛能，將信息化手段融入實踐課程的各個環(huán)節(jié)：1)課前，利用有效的在線資源開展預(yù)習(xí)；2)課堂前段，利用“雨課堂”、在線考評系統(tǒng)客觀評價學(xué)生課前預(yù)習(xí)和學(xué)習(xí)情況，輔助學(xué)生做好課前準備；3)課中大部分時間，利用實驗項目平臺積極開展以學(xué)生自主實踐、交互協(xié)作實踐為主體的教學(xué)模式；4)課中后段，利用“雨課堂”、在線考評系統(tǒng)客觀評價學(xué)生實踐環(huán)節(jié)中的相關(guān)問題，倒逼學(xué)生主動參與實驗過程.

圖3 智慧化考核手段在課程中的應(yīng)用

2 智慧教學(xué)管理平臺的完善及在實驗課程中的應(yīng)用前景

我校物理實驗中心積極探索，以原有教學(xué)模式為基礎(chǔ)，以信息化手段為支撐，逐步構(gòu)建了符合時代發(fā)展和本身需要的智慧教學(xué)管理平臺，信息化手段貫穿在學(xué)生實驗的各個環(huán)節(jié). 該體系的構(gòu)建，充分體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，重視課堂實踐效果，注重對學(xué)生主體的過程性培養(yǎng).

實踐課程的主陣地在課堂，實驗教學(xué)的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生實踐技能和綜合素質(zhì). 展望未來，智慧教學(xué)管理平臺在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的進一步應(yīng)用主要體現(xiàn)在基于信息化技術(shù)為依托的課程體系完善、教學(xué)模式改革和教學(xué)服務(wù)方面.

2.1 線上教學(xué)與線下實踐相結(jié)合的實驗課程教學(xué)體系的構(gòu)建

建設(shè)高質(zhì)量的在線開放課程，可以為學(xué)生課外學(xué)習(xí)、課堂實踐、課后總結(jié)等提供更多循環(huán)可用、便捷高效的在線資源，特別是以此為基礎(chǔ)開展線上教學(xué)與線下實踐相結(jié)合的課程教學(xué)模式[15-16]，將成為基礎(chǔ)實驗教學(xué)發(fā)展的一種趨勢. 線上教學(xué)即學(xué)生在課前通過豐富的在線開放課程資源熟悉實驗原理和實驗方法，掌握儀器的使用和注意事項，初步形成實驗的設(shè)計思路，為課堂實踐做好準備；線下實踐即實驗教師精心設(shè)計、創(chuàng)新教學(xué)組織形式，學(xué)生帶著任務(wù)進實驗室，充分利用在線資源、教師指導(dǎo)和學(xué)生之間的討論協(xié)作等完成相應(yīng)實驗任務(wù).

相比于理論課程，這種線上教學(xué)與線下實踐相結(jié)合的課程教學(xué)體系更加適合物理實驗教學(xué)的學(xué)習(xí)規(guī)律和小班化的教學(xué)管理形式，不僅可以充分發(fā)揮課程資源在不同環(huán)節(jié)的優(yōu)勢，促使教師不斷豐富教學(xué)模式，積極開展小組實驗、討論式和探究型等多種形式的混合式教學(xué)，還可以進一步發(fā)揮學(xué)生在課堂中的主體作用和教師的輔助作用，為深化教學(xué)改革提供更廣闊的空間.

2.2 關(guān)聯(lián)在線課程資源與教學(xué)綜合管理系統(tǒng)，構(gòu)建課程對學(xué)生的過程性管理和培養(yǎng)體系

在新工科建設(shè)和振興本科教育的新形式下，實驗教學(xué)管理理念和教學(xué)培養(yǎng)理念更加注重實踐教學(xué)效果、課程質(zhì)量和對學(xué)生的過程性培養(yǎng)，也越來越依賴于信息技術(shù)的支持.

在信息技術(shù)手段支撐下，課程可以將在線開放課程資源與教學(xué)管理系統(tǒng)有效對接，形成學(xué)生個人實驗信息庫或個人實驗檔案，信息庫含有實驗選課信息、相應(yīng)實驗的在線資源、在線練習(xí)與測試等，全程記錄和跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)動態(tài)，形成課程對學(xué)生的過程性培養(yǎng)和管理. 該體系的完善，既能夠使學(xué)生便捷利用信息資源，對學(xué)生的課外學(xué)習(xí)形成約束，又可以為教師開展混合式教學(xué)提供保障，提高課程質(zhì)量.

2.3 構(gòu)建全開放的智慧教學(xué)新模式

現(xiàn)有開放教學(xué)管理模式下，學(xué)生借助信息化手段在實驗內(nèi)容、實驗時間、指導(dǎo)教師等方面有較大的自主選擇權(quán)，充分體現(xiàn)了開放教學(xué)自主性、人性化、靈活性的特點，為教學(xué)組織和課程管理提供必要保障. 但究其本質(zhì)而言，現(xiàn)有開放改變的只是課程的管理形式和組織形式，課程內(nèi)容、課程對學(xué)生的要求以及課堂組織形式等并沒有發(fā)生本質(zhì)變化.

深化傳統(tǒng)開放教學(xué)模式改革，深層次發(fā)揮信息技術(shù)的教學(xué)輔助功能，構(gòu)建全開放的實驗教學(xué)模式是大膽的嘗試. 課程在統(tǒng)籌考慮資源利用、學(xué)生層次、學(xué)習(xí)動機、專業(yè)需要、內(nèi)容設(shè)置、課堂組織、教學(xué)設(shè)計、實踐效果、教學(xué)評價及安全保障等一些列因素的前提下，打破原有限制，創(chuàng)新組織形式，對學(xué)生開展全開放的教學(xué)模式.

3 結(jié)束語

信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和智能手機的普遍使用為大學(xué)物理實驗有效推進智慧教學(xué)改革提供了廣闊的空間，既豐富了教學(xué)資源，改善了教學(xué)組織、管理和考核方式，又為學(xué)生提供了更多便捷的服務(wù)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，有效地提高了物理實驗的教學(xué)質(zhì)量和效果. 信息技術(shù)與教育教學(xué)的融合發(fā)展已成為我國教育信息化發(fā)展的主題，并將繼續(xù)引領(lǐng)實踐課程的深刻變革和不斷創(chuàng)新.