基于雨課堂的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐

竇柳明，唐貴平，楊昌虎，鄧小清，孫 琳，賀藝華,朱華麗

(長沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，湖南 長沙 410015)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是物理科學(xué)的基礎(chǔ)，是物理專業(yè)本科生知識獲取和技能培養(yǎng)的必由之路[1]；是理工醫(yī)學(xué)等專業(yè)學(xué)生的必修課，是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開端[2]。在數(shù)字時代及全球信息化的大背景下，為適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展對創(chuàng)新人才的要求，急需對傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的弊端，如教學(xué)模式單一、教學(xué)課時受限、實(shí)驗(yàn)資源有限，教師勞動重復(fù)率高，勞動強(qiáng)度大等進(jìn)行改革。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的普及以及大數(shù)據(jù)的推廣應(yīng)用，無線信號校園全面覆蓋，智能手機(jī)、平板電腦在學(xué)生中已全面普及，因此，可充分利用移動互聯(lián)網(wǎng)的便利性與實(shí)時性的獨(dú)特優(yōu)勢，引入雨課堂教學(xué)工具，探索大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革，以提升大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂的教學(xué)質(zhì)量。

1 雨課堂的主要功能以及現(xiàn)階段大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

雨課堂是由清華大學(xué)在線教育辦公室組織研發(fā)，文理工一線教師全程參與，清華大學(xué)和學(xué)堂在線共同推出的推動混合式教學(xué)工具。雨課堂將教學(xué)內(nèi)容PowerPoint課件與手機(jī)微信進(jìn)行巧妙的融合，能全景式采集數(shù)據(jù)，快捷免費(fèi)地為所有教學(xué)過程提供數(shù)據(jù)化、智能化的信息支持。通過雨課堂，教師能夠在微信上完成“班級管理工作”、向?qū)W生推送學(xué)習(xí)任務(wù)、課后答疑與作業(yè)反饋等教學(xué)活動；學(xué)生通過微信參與“在線預(yù)習(xí)”“課堂實(shí)時答題”“課上與教師進(jìn)行彈幕互動”“課后作業(yè)與提問”等學(xué)習(xí)活動[3,4]。通過雨課堂，學(xué)生不僅能在課堂，而且在課前與課后都能和教師進(jìn)行交流探討。教師與學(xué)生的交流不受時間與空間的限制，為教師的教學(xué)過程注入新的活力。雨課堂強(qiáng)大的數(shù)據(jù)功能可使教師充分全面掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)，及時調(diào)整教學(xué)方案，真正做到因材施教。

現(xiàn)以筆者所在學(xué)校的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)流程為線索，對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的現(xiàn)狀分析。

(1)實(shí)驗(yàn)預(yù)約。理工科學(xué)生自行在“物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)”網(wǎng)絡(luò)平臺上預(yù)約實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。每個實(shí)驗(yàn)批次最多20人且來自不同專業(yè)。由于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的要求與進(jìn)度因不同專業(yè)的培養(yǎng)方案而異，導(dǎo)致不同專業(yè)學(xué)生對同一實(shí)驗(yàn)的知識點(diǎn)了解掌握程度不同。

(2)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)。課前要求學(xué)生根據(jù)教材文本預(yù)習(xí)并完成預(yù)習(xí)報告，效果差且缺少有效監(jiān)督。

(3)原理講解。由于教師并不了解每位學(xué)生預(yù)習(xí)的情況及對實(shí)驗(yàn)知識點(diǎn)的掌握程度，為了更好地讓學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理等，課堂上教師還會對實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)原理等進(jìn)行講解，與預(yù)習(xí)內(nèi)容重復(fù)，且占據(jù)了有限的實(shí)驗(yàn)時間。這樣的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生沒有吸引力，教學(xué)效果不佳。

(4)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。教師演示一遍，學(xué)生不一定能完全記住，存在一定的安全隱患或容易造成儀器損壞；操作過程中舉手提問太多，使老師疲于奔命。

(5)批閱報告。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報告后，將其投放到指定的報告箱；教師取出批閱，給定成績。實(shí)驗(yàn)報告中存在的問題與錯誤不能及時反饋，不利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題及時糾正，撰寫報告質(zhì)量沒有提高。

(6)成績登記。由于不同批次學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報告投在同一實(shí)驗(yàn)箱，教師需要按批次整理，方可登記成績。工作簡單，技術(shù)要求不高，但工作量大，且易出差錯。據(jù)不完全統(tǒng)計，每學(xué)年一個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要批改實(shí)驗(yàn)報告4 000余份。分批次登成績，將耗費(fèi)教師大量的時間。

針對以上問題，根據(jù)雨課堂教學(xué)平臺的特點(diǎn)，將其作為一種新的嘗試引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中。

2 雨課堂在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體實(shí)施

傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多只有固定的黑板板書，沒有多媒體課件，使用雨課堂則需要做好充分的課件準(zhǔn)備。筆者以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)“偏振光現(xiàn)象研究”為例，說明雨課堂應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體實(shí)施與優(yōu)勢。

2.1 課前準(zhǔn)備

(1)制作課件

通過PowerPoint的雨課堂插件的“新建手機(jī)課件”功能，制作適合手機(jī)瀏覽的PPT課件。一個實(shí)驗(yàn)共需制備三個課件，即“實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)”，“實(shí)驗(yàn)操作”與“實(shí)驗(yàn)報告”。

“實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)”課件。由于不同學(xué)生物理基礎(chǔ)不同，在實(shí)驗(yàn)原理之前插入了一段有關(guān)“光的偏振”的教學(xué)視頻，對于一些沒有相關(guān)知識的學(xué)生在理解實(shí)驗(yàn)原理時極有幫助。還插入一些偏振光應(yīng)用的圖片與實(shí)例，以增加學(xué)生興趣。使用了動畫、圖片、音頻及視頻等多媒體形式(如圖1)，使實(shí)驗(yàn)原理變得生動有趣，激發(fā)學(xué)生的探索欲望。

圖1 “實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)”課件截圖

每頁P(yáng)PT還錄制老師的語音講解，幫助學(xué)生理解，引導(dǎo)學(xué)生思考。設(shè)計了預(yù)習(xí)作業(yè)題，以考查預(yù)習(xí)效果，作為預(yù)習(xí)成績的參考。通過實(shí)驗(yàn)器材的實(shí)物照片與語音講解結(jié)合，對實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行全方面展示，讓學(xué)生課前對儀器有所了解，特別是對貴重危險易損壞的儀器可進(jìn)行重點(diǎn)說明并標(biāo)注。這些將使學(xué)生告別枯燥的教材文本預(yù)習(xí)模式，將大大提高預(yù)習(xí)效果。

“實(shí)驗(yàn)操作”課件。課件強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)室安全與儀器操作規(guī)范及注意事項(xiàng)。將“實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟”進(jìn)行詳細(xì)的分解，將文字說明與動畫或圖片相結(jié)合，并配上可單條點(diǎn)播的語音講解(如圖2)。學(xué)生在操作過程中隨時可查看文字說明與圖片，或點(diǎn)播老師的語音講解，提高老師的指導(dǎo)效率。

圖2 “實(shí)驗(yàn)操作”課件截圖

“實(shí)驗(yàn)報告”課件?？梢愿鶕?jù)實(shí)際情況，將實(shí)驗(yàn)報告格式制成模板，以課件形式推送給學(xué)生，也可讓學(xué)生先在報告紙上寫好，然后拍照上傳。還可以“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析”部分，備注好相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理內(nèi)容與方法，是否需要畫圖等，也可錄制音頻指導(dǎo)學(xué)生數(shù)據(jù)處理(如圖3)，以提高報告質(zhì)量。

(2)推送課件

教師以實(shí)驗(yàn)批次號為班級名稱創(chuàng)建雨課堂班級，雨課堂對每一班級(批次號)生成唯一的邀請碼。公布批次號對應(yīng)的邀請碼，以便學(xué)生加入相應(yīng)批次的雨課堂班級?？梢栽趯?shí)驗(yàn)預(yù)約系統(tǒng)以通知的形式公布邀請碼。筆者采用的是微信公眾號的形式，學(xué)生需要關(guān)注特定的公眾號，輸入自己的批次號，公眾號會自動回復(fù)相應(yīng)邀請碼，還可利用該公眾號發(fā)布相關(guān)通知等。

將制好的三個課件“實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)”、“實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)”和“實(shí)驗(yàn)報告”推送到以實(shí)驗(yàn)批次號為班級名稱創(chuàng)建的雨課堂班級。

圖3 “實(shí)驗(yàn)報告”課件截圖

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

(1)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)

學(xué)生在“實(shí)驗(yàn)預(yù)約系統(tǒng)”預(yù)約實(shí)驗(yàn)后，在特定的公眾號查詢到邀請碼，在雨課堂公眾號回復(fù)邀請碼，即可加入相應(yīng)批次號的雨課堂班級，并按要求進(jìn)行預(yù)習(xí)，完成預(yù)習(xí)題與預(yù)習(xí)報告。

教師可在微信上利用雨課堂的大數(shù)據(jù)功能，查看到學(xué)生的預(yù)習(xí)完成情況，答題情況與所花費(fèi)的時間，可隨時了解預(yù)習(xí)情況并批閱預(yù)習(xí)報告，從而有效地加以監(jiān)督。

(2)課堂講解

由于已將“實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)”課件推送給學(xué)生，并嚴(yán)格要求進(jìn)行預(yù)習(xí)，故課堂上只需講解實(shí)驗(yàn)原理的重點(diǎn)與難點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)與具體要求，無需將所有內(nèi)容再贅述一遍。將更多時間留給學(xué)生去實(shí)驗(yàn)與探索，增強(qiáng)學(xué)生的動手能力。

(3)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中可以通過查看“實(shí)驗(yàn)操作”課件來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，可以閱讀文字，查看動畫與圖片，也可點(diǎn)播老師的語音指導(dǎo)，方便、即時無須等待指導(dǎo)教師。

2.3 實(shí)驗(yàn)報告

學(xué)生課后可打開“實(shí)驗(yàn)報告”課件，點(diǎn)播老師對實(shí)驗(yàn)報告要求的語音說明，特別是對數(shù)據(jù)處理的語音指導(dǎo)，從而優(yōu)質(zhì)地完成實(shí)驗(yàn)報告。

筆者要求學(xué)生先在實(shí)驗(yàn)報告紙上完成實(shí)驗(yàn)報告，再打開“實(shí)驗(yàn)報告”課件，按要求拍照上傳即可。老師在線隨時批閱，即時反饋學(xué)生報告情況，指導(dǎo)學(xué)生按批注更正，從而提升報告質(zhì)量，提高學(xué)生的數(shù)據(jù)分析與歸納總結(jié)能力。

2.4 成績登記

老師依靠雨課堂強(qiáng)大的數(shù)據(jù)功能，直接按班級(批次號)導(dǎo)出成績的Excel表格，無須再將所有的紙質(zhì)報告按批次整理，將極大地減輕工作負(fù)擔(dān)降低勞動強(qiáng)度，提高工作效率，解放生產(chǎn)力。

3 教學(xué)效果

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是針對全校理工科學(xué)生的開放性實(shí)驗(yàn)，作者于2020/2021年度第一學(xué)期采用基于雨課堂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案，通過“偏振光現(xiàn)象研究”實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展了教學(xué)實(shí)踐，預(yù)約參與學(xué)生共2 528人。通過此實(shí)驗(yàn)，學(xué)生系統(tǒng)地掌握了偏振光的產(chǎn)生與檢驗(yàn)，了解了線偏振光、圓偏振光與橢圓偏振光，了解了偏振光的具體應(yīng)用，加深了對光的偏振性的理解。對比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，該教學(xué)模式得到了學(xué)生的廣泛認(rèn)可，該教學(xué)模式讓實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)簡單有趣、操作指導(dǎo)靈活實(shí)時，實(shí)驗(yàn)報告反饋及時，取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。同時為教師避免了煩瑣的實(shí)驗(yàn)報告收繳、分批次登分與成績統(tǒng)計工作，節(jié)約了大量的時間。

4 結(jié) 語

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為教育部唯一指定需要獨(dú)立開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程，其重要性顯而易見。將雨課堂這種新型的智慧教學(xué)工具引入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中，通過應(yīng)用含視頻、音頻、動畫與圖片等多媒體課件，可提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣，激發(fā)學(xué)生的探索熱情。通過雨課堂可以指導(dǎo)學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)報告，引導(dǎo)學(xué)生思考，提升實(shí)驗(yàn)報告質(zhì)量。雨課堂可以讓師生充分利用碎片時間，擴(kuò)展師生交流互動地時間與空間，有效提升教學(xué)效能。利用雨課堂強(qiáng)大的數(shù)據(jù)功能可以更好地幫助教師掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)，減少不必要的重復(fù)性勞動，真正解放教師生產(chǎn)力。