“停課不停學(xué)”背景下大學(xué)物理實驗及仿真在線開放課程的實踐與拓展

蔣逢春，吳 杰，張艷萍，石 開

(鄭州輕工業(yè)大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

1 化危為機(jī)

“大學(xué)物理實驗及仿真”是河南省精品在線開放課程，它把物理實驗公共基礎(chǔ)課和大學(xué)物理仿真實驗課有機(jī)融合在一起，多年來致力于線上線下混合式教學(xué)，并在兄弟院校推廣應(yīng)用. 2019-2020第一學(xué)期，南陽理工學(xué)院軟件學(xué)院800余人，同步跟鄭州輕工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)，資源共享，學(xué)生通過跨校認(rèn)證獲得學(xué)分，長期開展在線教學(xué)，積累了豐富的經(jīng)驗，為在疫情中更好地開展在線教學(xué)打下了扎實的基礎(chǔ).

在教育部門及本校“停課不能停學(xué)”的總體安排下，團(tuán)隊教師立即行動，利用已有教學(xué)資源，快速搭建課程教學(xué)平臺，分別在愛課程和超星學(xué)銀在線上線，于2月10日對校內(nèi)外同步開放.

2 在線教學(xué)

2.1 教學(xué)設(shè)計

大學(xué)物理實驗及仿真課程是對本科生進(jìn)行實驗訓(xùn)練的入門課，通過計算機(jī)軟件對實驗環(huán)境的模擬，加強(qiáng)學(xué)生對實驗的物理思想和方法、儀器的結(jié)構(gòu)及原理的理解，掌握儀器功能和使用方法，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和創(chuàng)新意識.

幾年來，依托大學(xué)物理實驗及仿真慕課資源，分2個學(xué)期在愛課程上異步SPOC開設(shè)物理實驗，采用線上線下結(jié)合的混合式教學(xué)模式.

通過該課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握誤差理論和數(shù)據(jù)處理方法、基本儀器的使用方法，培養(yǎng)學(xué)生基本的實驗操作技能、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、活躍的創(chuàng)新意識. 通過仿真軟件可以在電腦上下載安裝，自主操作，打破時空限制，虛實結(jié)合，由淺入深，是目前開展物理實驗的最佳選擇.

2.2 課程內(nèi)容

為適應(yīng)初學(xué)者，精心挑選6個實驗項目，由簡單到復(fù)雜，包含力、電、光、近代幾個部分，對外開放. 實驗項目分別是：單擺測重力加速度、示波器的使用、牛頓環(huán)測透鏡的曲率半徑、邁克耳孫干涉儀的調(diào)整和使用、密立根油滴實驗、光電效應(yīng)測普朗克常量. 同時還申請了奧銳公司50個仿真實驗項目，滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求.

力學(xué)實驗選用“利用單擺測重力加速度”，涉及游標(biāo)卡尺、螺旋測微器、直尺以及秒表的使用；同時通過分析該實驗設(shè)計思想，讓學(xué)生學(xué)會誤差傳遞理論，怎樣選取測量儀器，為后續(xù)復(fù)雜實驗的設(shè)計奠定基礎(chǔ).

電學(xué)實驗中選用“示波器的使用”，示波器是基本測量工具，學(xué)習(xí)示波器的使用對后續(xù)實驗具有重要意義.

光學(xué)實驗中選用“牛頓環(huán)測透鏡的曲率半徑”，了解利用干涉法測量長度的基本原理，進(jìn)一步學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理方法.

選用“邁克耳孫干涉儀”，從引力波的證實引入，讓學(xué)生了解經(jīng)典實驗在目前也有大作用.

密立根油滴實驗和光電效應(yīng)測普朗克常量2個經(jīng)典物理實驗，對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維方法都具有重要意義.

每個實驗項目視頻資源都由3部分組成：實驗背景和原理、實際實驗操作、仿真實驗演示.

2．3 教學(xué)平臺

2.3.1 愛課程網(wǎng)

2018年“大學(xué)物理實驗及仿真”課程被評為省級精品在線開放課程，在中國大學(xué)MOOC上線，面對全社會開放. 在學(xué)校的政策支持下，學(xué)生在愛課程上完成學(xué)習(xí)，成績合格，可以獲得大學(xué)物理仿真實驗課2個學(xué)分.

2.3.2 超星平臺

2019年2月，開始采用超星學(xué)習(xí)通直播教學(xué)，直播回放功能可方便學(xué)生隨時隨地學(xué)習(xí)，滿足個體化的需求. 超星平臺和教務(wù)系統(tǒng)對接，有班級的學(xué)生名單，教師可過程性考核.

2.3.3 仿真平臺

購買了奧銳公司網(wǎng)絡(luò)版的仿真實驗平臺，只要有網(wǎng)絡(luò)，不受地點限制，隨處可以做實驗，這為面向全社會開放提供了保障. 但學(xué)生名單需要手動導(dǎo)入仿真平臺，才能做仿真實驗.

這3個平臺，各具特色，相互依存，優(yōu)勢互補(bǔ).

2．4 教學(xué)模式

選用的教學(xué)方式是MOOC平臺(或超星平臺)直播+慕課堂(QQ)互動交流模式. 精心設(shè)計每個教學(xué)環(huán)節(jié)：導(dǎo)學(xué)公告、資源列表、預(yù)習(xí)測驗、在線直播、問題討論、仿真實驗、提交報告.

2月3日，愛課程網(wǎng)第4次開課，并開通直播，同時申請超星學(xué)銀在線上線，兩平臺同時對外開課. 2月19日，在愛課程平臺直播大學(xué)物理仿真實驗開學(xué)第1課.

該課程對外公開，選課人數(shù)達(dá)8 000余人，參與高校100余所. 有效組織教學(xué)，對我們是考驗. 為了避免非常時期網(wǎng)絡(luò)擁堵，設(shè)計了幾種備選方案：釘釘、QQ等，保障在線教學(xué)順利進(jìn)行.

2.5 直播教學(xué)

直播教學(xué)是在線教學(xué)和學(xué)生互動的橋梁. 通過幾周在線教學(xué)實踐，嘗試了超星平臺幾種直播方式. 最后選擇超星直播客戶直播，方便快捷，交互性比較好. 結(jié)合學(xué)習(xí)通投屏功能，加上QQ連麥，語音視頻等課堂互動都能實現(xiàn).

在愛課程網(wǎng)也開通了直播(圖1)，普通直播交互性不太好，云直播連麥，語音視頻都可以實現(xiàn)，從而實現(xiàn)互動交流的需求.

圖1 愛課程平臺直播教學(xué)

2.5.1 重視第1課，讓學(xué)生了解課程整體及每節(jié)課設(shè)計

仿真實驗第1課至關(guān)重要. 通過導(dǎo)學(xué)公告，告知學(xué)生教學(xué)安排、資源列表、仿真平臺網(wǎng)址及直播平臺和時間. 通過直播第1課，講解課程目的要求、教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法及成績評定辦法、誤差理論知識的學(xué)習(xí)及作用. 以單擺測重力加速度實驗為例分析其工作原理、設(shè)計思想、儀器的選擇及誤差分析方法. 誤差理論貫穿物理實驗始終.

2.5.2 打好操作基礎(chǔ)，用好互動演示仿真實驗平臺

在線教學(xué)仿真平臺是主戰(zhàn)場，只有學(xué)會下載安裝使用，才能完成各個實驗項目，所以這一課也很重要. 通過直播手把手教學(xué)生如何下載安裝和使用仿真平臺，更多具體問題通過QQ溝通交流. 同時仍然以單擺測重力加速度為例，演示仿真實驗過程. 一方面使學(xué)生掌握基本仿真技巧，另一方面激發(fā)學(xué)生的實驗興趣.

從該實驗為入手，進(jìn)一步讓學(xué)生了解該實驗的設(shè)計思想、實驗方法、誤差來源及如何減少誤差，重力加速度是間接測量量，誤差來源于擺線的長度測量和周期測量. 實驗測量裝置有米尺、游標(biāo)卡尺、螺旋測微器、秒表等儀器. 要使重力加速度測驗誤差小于1%，根據(jù)誤差傳遞函數(shù)關(guān)系和誤差均分原理，可得出擺線長度用米尺測量，擺球直徑用游標(biāo)卡尺或螺旋測微計測量即可. 但是單擺的周期用秒表測量是不夠的，采用累積放大的方法，多周期測量求平均.

這樣既培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，又學(xué)會分析處理誤差的基本方法，學(xué)以致用.

2.5.3 案例分析

1)“示波器使用”直播示教

雖然有豐富的教學(xué)資源，但學(xué)生時間有限，很難盡快找到自己所需要的資源，利用每周發(fā)布公告，精心設(shè)計了導(dǎo)學(xué)公告.

示波器界面各功能鍵繁多，學(xué)生開始往往抓不住重點，不知從何入手，設(shè)計2次直播課. 第1次直播，先讓學(xué)生了解示波器的結(jié)構(gòu). 工作原理，熟悉示波器的面板布局，了解主要旋鈕的功能. 完成單元測驗，通過連麥互動，了解學(xué)生的問題. 第2次直播，通過虛擬仿真平臺，教會學(xué)生使用示波器. 雖不能進(jìn)實驗室，但仿真操作與實際實驗相同.

2)實驗過程中融入課程思政

邁克耳孫干涉儀是經(jīng)典的儀器，設(shè)計精巧，測量精準(zhǔn)，蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)素養(yǎng)元素，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的很好例證.

邁克耳孫-莫雷實驗，否定了“以太”存在. 這個實驗結(jié)論，幾乎撼動了經(jīng)典物理學(xué)大廈，因此，被稱為19世紀(jì)末物理學(xué)晴朗天空的兩朵烏云之一. 它為狹義相對論提供了有力支持，今天又使用它探測到引力波的存在. 邁克耳孫實事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)精神，值得學(xué)習(xí)和發(fā)揚(yáng)光大.

掌握邁克耳孫干涉儀的結(jié)構(gòu)和工作原理有重要的意義，但它調(diào)節(jié)技巧性強(qiáng)，適合仿真完成. 通過仿真模擬，反復(fù)操作，既不損壞儀器，又達(dá)到掌握其操作要領(lǐng)的目的，為真實實驗奠定基礎(chǔ).

該實驗有完整的教學(xué)視頻，通過觀看視頻資源和仿真訓(xùn)練，學(xué)生了解邁克耳孫干涉儀的原理、結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)方法，教師精心設(shè)計了問題，如邁克耳孫干涉儀為什么如此設(shè)計？補(bǔ)償板的作用是什么？引導(dǎo)學(xué)生積極思考,發(fā)揮學(xué)生的主體作用，教師主導(dǎo)作用，從而達(dá)成教學(xué)目標(biāo).

3)教學(xué)互動,答疑解惑

利用學(xué)習(xí)通、慕課堂、QQ等功能可以很方便地實現(xiàn)教學(xué)互動，鼓勵學(xué)生參與討論.

為了充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，每個實驗項目完成之后，對完成任務(wù)較好的學(xué)生給予加分獎勵. 同時針對學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中反饋的問題及時解答.

不能和學(xué)生見面，討論區(qū)成為教師和學(xué)生聯(lián)系的橋梁和紐帶. 通過學(xué)生對問題的回答，可以了解學(xué)生掌握情況. 同時學(xué)生也可以在線提出自己的疑問，教師和學(xué)生都可回答. 每天都有很多學(xué)生參與討論(圖2).

圖2 學(xué)生積極參與課堂討論

3 課程考核

3.1 過程性評價

本課程考核重點是學(xué)生掌握儀器使用方法、完成實驗內(nèi)容、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理. 對過程進(jìn)行量化評價,使學(xué)生有計劃地學(xué)習(xí)，而且在學(xué)習(xí)過程中看到自己取得的成績，更好地完成課程的學(xué)習(xí)目標(biāo).

每個實驗項目都由單元測驗和單元作業(yè)、討論題和仿真平臺實驗幾部分組成. 最后安排考試，各項所占權(quán)重如下：單元測驗占30%，單元作業(yè)占20%，考試占20%，討論占10% ，域外成績占20% (包括仿真操作、學(xué)習(xí)通、慕課堂考勤). 最后成績合格者認(rèn)定學(xué)分.

1)預(yù)習(xí)和單元測驗：每個實驗項目都有對應(yīng)的課件和視頻資料，學(xué)生可以在規(guī)定或者其他時間進(jìn)行實驗預(yù)習(xí)，然后在線測驗，系統(tǒng)自動評判.

2)仿真和單元作業(yè)：要求學(xué)生對仿真操作的關(guān)鍵步驟和數(shù)據(jù)記錄頁面截屏，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和實驗分析，然后把這份文檔上傳至平臺的對應(yīng)單元作業(yè)欄目，通過教師批改和學(xué)生互評方式給出最終成績.

3)主題討論：課堂討論區(qū)，每個實驗項目都有對應(yīng)的主題討論，學(xué)生參與可以獲得相應(yīng)成績. 要求對主題發(fā)表自己的認(rèn)識和體會，避免簡單地復(fù)制粘貼.

3.2 終結(jié)性評價

期末考試，包含2部分：客觀題和主觀題.

主觀題是大作業(yè)：要求學(xué)生在所有實驗項目操作完成后自主選擇1個實驗項目，寫出詳實的實驗報告，并在規(guī)定時間內(nèi)提交到課程大作業(yè)上.

學(xué)生學(xué)習(xí)反饋：要求學(xué)生在實驗報告后面寫出實驗體會，對該課程的教學(xué)方法、教學(xué)效果、學(xué)習(xí)目標(biāo)等進(jìn)行評價和反饋，促進(jìn)課程不斷改進(jìn).

3.3 跨校認(rèn)證學(xué)分

3.3．1 慕課堂

慕課堂智慧教學(xué)(即“慕課堂”)是中國大學(xué)MOOC在慕課平臺的基礎(chǔ)上研發(fā)的線上線下混合式智慧教學(xué)工具，該工具以微信小程序前臺與Web端管理后臺呈現(xiàn)，能夠與中國大學(xué)MOOC平臺在管理后臺、用戶賬號、學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)等方面結(jié)合，統(tǒng)籌管理線上與線下課堂，提升教學(xué)效率.

利用慕課堂課前發(fā)布公告、進(jìn)行課堂測試、課堂簽到、課堂討論等活動，從“以教師為中心”的課堂教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為中心”的信息化課堂，活躍了課堂氣氛. 同時慕課堂與課程教學(xué)平臺相結(jié)合實施過程化考核.

3.3．2 南陽理工學(xué)院的實踐

南陽理工學(xué)院軟件學(xué)院2016級19個班級850多的學(xué)生同步學(xué)習(xí)我們的慕課，對參與學(xué)習(xí)的學(xué)生，我們出具成績單，對方教務(wù)處認(rèn)可，學(xué)習(xí)合格者獲得同等學(xué)分，實現(xiàn)了跨校認(rèn)證學(xué)分，為持續(xù)合作提供了政策保障.

南陽理工學(xué)院負(fù)責(zé)本課程的陳蘭莉主任加入我們的課程團(tuán)隊，在她名下建立慕課堂，學(xué)生按照班級學(xué)號編碼，掃碼進(jìn)入慕課堂學(xué)習(xí)本課程.

1)課前發(fā)布公告

教師在課前通過慕課堂的后臺設(shè)計課程公告，并于課前發(fā)布，學(xué)生在手機(jī)端接收教師發(fā)布的公告信息，了解課程的教學(xué)安排，如圖3所示.

2)學(xué)習(xí)情況查看

慕課堂與學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)相結(jié)合，課堂上教師通過后臺信息查看學(xué)生線上觀看視頻情況(圖4)，便于線下有針對性講解.

3)使用課堂練習(xí)

在慕課堂發(fā)布課堂測驗，檢查學(xué)生課前預(yù)習(xí)情況，有針對性講解， 并通過投屏功能進(jìn)行講解，加深學(xué)生對重難點的理解，有助于提高學(xué)生的技能水平，讓學(xué)生在課堂上動起來. 采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法，提高學(xué)習(xí)效率.

4)跨校學(xué)分認(rèn)證

利用慕課堂可以有效管理沒有學(xué)校云的南陽理工學(xué)院的學(xué)生，及時監(jiān)控學(xué)生線上線下學(xué)習(xí)情況，并反饋給學(xué)生. 最終實現(xiàn)跨校區(qū)認(rèn)證學(xué)分.

原定南陽理工學(xué)院2019級軟件學(xué)院800多人這學(xué)期仍然采用慕課堂同步學(xué)習(xí)，認(rèn)證學(xué)分. 突發(fā)疫情，使所有學(xué)生都不能正常進(jìn)入實驗室上課，現(xiàn)在南陽理工學(xué)院2019級2 000余人全部使用我們的仿真平臺完成實驗.

圖3 南陽理工學(xué)院慕課堂

圖4 學(xué)生線上觀看邁克耳孫干涉儀調(diào)整視頻情況

4 總結(jié)與反思

4.1 注重平時的運(yùn)行積累

“大學(xué)物理實驗及仿真”課程順應(yīng)信息技術(shù)發(fā)展趨勢，連續(xù)4個學(xué)期開展在線教學(xué)實踐，實現(xiàn)資源共享，借助平臺學(xué)情分析、師生即時交互、問題討論答疑等功能，實現(xiàn)跨校區(qū)認(rèn)證學(xué)分，累計受益學(xué)生達(dá)近萬人.

在這場沒有硝煙的戰(zhàn)場中“大學(xué)物理實驗及仿真”課程有效解決了目前物理實驗的困難，團(tuán)隊教師從容應(yīng)戰(zhàn)，迅速開展教學(xué). 基于過去2年的在線教學(xué)實踐，積累了豐富的在線教學(xué)資源和經(jīng)驗，形成了穩(wěn)定、成熟的在線實驗教學(xué)模式.

4.2 在線實驗教學(xué)是現(xiàn)實的呼喚和需要

開設(shè)該課程的指導(dǎo)思想是為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)的平臺，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗的不足，解決因?qū)W生物理實驗基礎(chǔ)參差不齊所導(dǎo)致的教學(xué)困擾. 利用網(wǎng)絡(luò)仿真實驗平臺和慕課直播教學(xué)，打破上課時間和地點的限制，實現(xiàn)一對一個性化教學(xué)，使每位學(xué)生都能夠充分使用實驗資源，學(xué)習(xí)實驗知識，達(dá)成實驗?zāi)繕?biāo).

本學(xué)期蘭州交通大學(xué)又有600余人選修我們的課程，這是對我們工作的認(rèn)可和肯定，也是對在線實驗教學(xué)的呼喚和需要. 目前選課人數(shù)達(dá)8 000余人.

通過學(xué)生評價和反饋，在線教學(xué)模式可以根據(jù)自己的實際情況安排實驗進(jìn)度，直播回放，能夠滿足個性化差異的不同需求.

4.3 需要持續(xù)改進(jìn)的問題

隨著選課人數(shù)的增多，也出現(xiàn)一些需要解決的問題：1)仿真平臺容量有限，如何合理分配？2)對學(xué)生過程考核如何有效監(jiān)控？3)作業(yè)采取學(xué)生間互評方式，能否做到客觀公正？這些都需要今后工作中不斷總結(jié)完善.

物理實驗在線教學(xué)的充分開展為改革實驗教學(xué)提供了良好的契機(jī)，要進(jìn)一步探索虛實結(jié)合，更有效地開展大學(xué)物理實驗.