大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在線開放課程教學(xué)探討

劉曉春 張小偉 丁三紅 陸翠娟

摘? 要：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ谋匦藁A(chǔ)課。本文以不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)為例，利用大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)進(jìn)行在線教學(xué)，探討如何發(fā)揮在線開放課程的優(yōu)勢(shì)，來彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這種線上加線下的新型教學(xué)模式，符合信息化時(shí)代的要求，是地方高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一條有效途徑。

關(guān)鍵詞：在線開放課程;線上線下;虛擬仿真實(shí)驗(yàn);教學(xué)改革

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是理工科專業(yè)學(xué)生必修的基礎(chǔ)課，同時(shí)對(duì)于地方的師范專業(yè)學(xué)生這門課也十分重要。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為橋梁性的課程，能把大學(xué)和中學(xué)的學(xué)習(xí)模式和諧的連接在一起，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力，在大一大二安排大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的循序漸進(jìn)的轉(zhuǎn)變，具有極其重要的作用，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和科學(xué)素質(zhì)方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。

在這次疫情當(dāng)中，傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到了極大的沖擊，同時(shí)也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革一次重大的機(jī)遇。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模普及，線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為了一種教學(xué)發(fā)展趨勢(shì)。本文針對(duì)傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，在時(shí)間和空間上的許多不足和短板，提出通過大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在線開放課程，定好時(shí)間段，讓學(xué)生自主規(guī)劃，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的原理、步驟以及數(shù)據(jù)處理方式，達(dá)到實(shí)驗(yàn)前的有效預(yù)習(xí)。線下開放實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生自主安排時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)的

實(shí)操實(shí)驗(yàn)。這樣能較大的提高實(shí)驗(yàn)課程的效率，激發(fā)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的熱情，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力，增強(qiáng)其創(chuàng)新意識(shí)。

一、傳統(tǒng)大學(xué)物理教學(xué)方式及其不足

傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用半中學(xué)模式，由指導(dǎo)教師講解實(shí)驗(yàn)原理，儀器的使用方法，實(shí)驗(yàn)的操作步驟及數(shù)據(jù)的處理方法等，學(xué)生在老師的帶領(lǐng)下完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。具體的教學(xué)模式包括實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)中的操作以及實(shí)驗(yàn)后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告三部分。但在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，這三部分并沒有有效地緊密的結(jié)合在一起。

地方性師范院校為給當(dāng)?shù)嘏囵B(yǎng)具有綜合能力和創(chuàng)新能力的實(shí)用性人才，對(duì)數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、化學(xué)、生物師范類和非師范類學(xué)生開設(shè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。由于跨專業(yè)，許多學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)講義進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)困難重重。造成許多學(xué)生放棄預(yù)習(xí)，僅依賴?yán)蠋熢趯?shí)驗(yàn)課上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)講解。對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法一知半解，理解不透徹，造成實(shí)驗(yàn)操作過程錯(cuò)誤頻出，無法在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)的限制，很難確保每一個(gè)同學(xué)能夠獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)操作，也無法進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，實(shí)驗(yàn)報(bào)告中計(jì)算的結(jié)果誤差較大。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的弊端造成學(xué)生學(xué)習(xí)敷衍，主動(dòng)性不強(qiáng)。在一定程度上很難真正實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析解決問題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。

二、在線開放課程與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

由于不同專業(yè)的學(xué)生，既有本專業(yè)的實(shí)驗(yàn)，又兼有大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)這門公共課。造成許多學(xué)生倍感壓力，教師安排實(shí)驗(yàn)課程在時(shí)間上難度很大。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展在線開放課程在時(shí)間和空間上有極大的優(yōu)勢(shì)。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際情況自由的選擇學(xué)習(xí)的時(shí)間及地點(diǎn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容從實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)操作、思考題、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等都有完整的流程。學(xué)生通過仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，可以有效的達(dá)到預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的目的，觀摩實(shí)驗(yàn)中的過程操作，進(jìn)行模擬操作，測(cè)量出數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有一定的預(yù)判。彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足。為線下實(shí)操實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，提供充足的保障。

首先，在線開放課程能有效地提高實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效率。原來學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)講義只能大致的了解實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，對(duì)一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)原理難以理解，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并不能有直觀的認(rèn)識(shí)。以不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生在預(yù)習(xí)的過程，對(duì)其實(shí)驗(yàn)方法穩(wěn)態(tài)法，不甚理解。通過仿真實(shí)驗(yàn)在線開放課堂可以模擬出樣品的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程，讓學(xué)生通過觀察溫度的變化，直觀的認(rèn)識(shí)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，溫度雖然隨空間點(diǎn)在變化，但不隨時(shí)間變化。通過這種實(shí)驗(yàn)方法，可以有效的研究不良導(dǎo)熱物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)。讓學(xué)生在預(yù)習(xí)的過程中雖遇到問題，但不會(huì)止步不前，而是主動(dòng)觀察思考。通過仿真實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探究興趣。通過學(xué)生反復(fù)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的次數(shù)表明學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，實(shí)驗(yàn)操作過程的規(guī)范化都有更高的要求。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生會(huì)反思自己在實(shí)驗(yàn)的過程當(dāng)中出現(xiàn)的問題，反復(fù)糾正錯(cuò)誤，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度。

其次，在線實(shí)驗(yàn)開放課程有效地縮短實(shí)操實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。傳統(tǒng)的教學(xué)方式由老師講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之后，學(xué)生根據(jù)自己的理解完成實(shí)驗(yàn)操作。由于課時(shí)的限制，學(xué)生沒有足夠的時(shí)間完成準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)操作，獲得足夠多次的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果無效，也沒有時(shí)間補(bǔ)做。這樣無法達(dá)到開設(shè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考，獨(dú)立動(dòng)手能力的目的和初衷。

在線開放課程中，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)步驟的預(yù)習(xí)。學(xué)生可以在課前通過視頻對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的了解，根據(jù)自己的理解程度，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行反復(fù)的學(xué)習(xí)，同時(shí)學(xué)生還可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)向老師提問，教師可以在線答疑，也可以發(fā)起課堂討論的方式，解決學(xué)生的問題，引導(dǎo)學(xué)生共同探討。充分調(diào)動(dòng)他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，體現(xiàn)以學(xué)生為本的教學(xué)理念。

以不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)操實(shí)驗(yàn)為例，由于要達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱過程，等待的時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，加之傳統(tǒng)教學(xué)課時(shí)的有限性，學(xué)生在等待物理現(xiàn)象的過程中，會(huì)出現(xiàn)急躁的情緒，造成在測(cè)量穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)，急于求成，會(huì)出現(xiàn)造數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)無效的現(xiàn)象。一旦操作失敗，已沒有時(shí)間來重復(fù)做實(shí)驗(yàn)。通過在線開放課程仿真實(shí)驗(yàn)的反復(fù)預(yù)習(xí)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度有一定的預(yù)判，提高了實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性，準(zhǔn)確度，降低了實(shí)驗(yàn)操作失誤的可能性，有效地縮短了實(shí)操實(shí)驗(yàn)時(shí)間。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想，還可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)預(yù)約安排補(bǔ)做實(shí)操實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。在已經(jīng)充分預(yù)習(xí)的前提下，即使教師沒有在現(xiàn)場(chǎng)，也可以通過網(wǎng)絡(luò)與教師進(jìn)行溝通交流，實(shí)驗(yàn)也一樣可以順利進(jìn)行。這樣實(shí)現(xiàn)了資源的合理利用，提高了教師的教學(xué)效率。保障了開放性實(shí)驗(yàn)室的有效管理和充分利用。

再次，在線開放課程有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)模式下學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的上交、批改和反饋方面的弊端。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告是紙質(zhì)的，教師在對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行批改的過程，由于實(shí)驗(yàn)報(bào)告份數(shù)多，學(xué)生書寫不規(guī)范，工作量較大，難度高。最后對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)的登記和統(tǒng)計(jì)分析又是一項(xiàng)繁重的工作。

由于大部分實(shí)驗(yàn)報(bào)告都是千篇一律的格式，還有一些測(cè)量數(shù)據(jù)也是一樣的，更有甚者出現(xiàn)抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告的現(xiàn)象。教師在評(píng)閱時(shí)很難做到公平、公正。在線開放課程教學(xué)通過虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)收集學(xué)生電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告，節(jié)省學(xué)生上交報(bào)告的時(shí)間。教師還可以通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，教會(huì)學(xué)生如何利用Excel和Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，規(guī)范了實(shí)驗(yàn)報(bào)告的寫作。這樣可以有效的觀察學(xué)生在數(shù)據(jù)處理過程中的計(jì)算能力，也能杜絕抄襲現(xiàn)象。

最后在線開放式教學(xué)通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的成績(jī)進(jìn)行登記，再根據(jù)成績(jī)的統(tǒng)計(jì)，給學(xué)生反饋，引導(dǎo)學(xué)生反思探究，從而實(shí)現(xiàn)在核心素養(yǎng)背景下，師范生教學(xué)能力的培養(yǎng)。同時(shí)促進(jìn)教師有效積極的展開反思，糾正以往教學(xué)模式的弊端，適應(yīng)當(dāng)下學(xué)生發(fā)展的實(shí)際需求，以實(shí)現(xiàn)教學(xué)全方位的優(yōu)化，進(jìn)而促成核心素養(yǎng)在課堂實(shí)踐中的落地。

在線開放課程與傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)改革符合信息化時(shí)代的要求，教師可以有效利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)自己的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行不斷的更新，以適應(yīng)當(dāng)代學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。最大限度地實(shí)現(xiàn)學(xué)校教育資源和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的有效利用，能有效降低地方高校因?qū)嶒?yàn)設(shè)備短缺，對(duì)實(shí)驗(yàn)開展的影響。新的教學(xué)模式能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，真正體現(xiàn)了以學(xué)生為本的教育理念。在核心素養(yǎng)背景下，對(duì)提升師范生的自主學(xué)習(xí)能力，創(chuàng)新能力，科學(xué)實(shí)踐能力，使師范生走上教師工作崗位后，能夠滿足基礎(chǔ)教育的要求，為地方培養(yǎng)出更多優(yōu)秀的教師和教育管理人才。

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