大學(xué)物理實驗信息化教學(xué)體系構(gòu)建與應(yīng)用

饒益花　唐益群　陳鈾　彭志華

［摘 要］文章探索構(gòu)建大學(xué)物理實驗信息化教學(xué)體系的具體路徑，打造大學(xué)物理實驗線上線下、虛實結(jié)合多元混合式教學(xué)模式。該教學(xué)體系成功應(yīng)用于2020年春季學(xué)期線上授課，完成了既定的教學(xué)任務(wù)，達(dá)到了課程教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)效果令人滿意。

［關(guān)鍵詞］大學(xué)物理實驗；信息化；教學(xué)體系；在線課程；虛擬仿真

［中圖分類號］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）02-0092-03

進(jìn)入21世紀(jì)，計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式受到了沖擊，國內(nèi)外教育系統(tǒng)都在嘗試?yán)眯畔⒓夹g(shù)改革教學(xué)體系，建立網(wǎng)絡(luò)課程體系或線上線下混合教學(xué)模式[1-2]。大學(xué)物理實驗課程是高等工科院校對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實驗基本訓(xùn)練的一門重要必修課程，是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后受到系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的開端，它對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和實踐能力、創(chuàng)造性思維能力具有重要的作用。傳統(tǒng)大學(xué)物理實驗教學(xué)延續(xù)夸美紐斯的以教師為中心的課堂結(jié)構(gòu)，并受到實驗課程時間安排、實驗場所、實驗儀器等因素的制約，而與時俱進(jìn)的信息化教學(xué)改革是解決這些問題的有效途徑[3-5]。

從2020年春季學(xué)期開始，新冠疫情加速了筆者所在學(xué)校大學(xué)物理實驗課程信息化資源整合、建設(shè)的步伐。本文分享筆者所在學(xué)校大學(xué)物理實驗信息化教學(xué)體系的構(gòu)建與實踐，打造線上線下、虛實結(jié)合的多元混合式大學(xué)物理實驗教學(xué)新模式。多元混合式教學(xué)提倡以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，滿足了高等教育大眾化背景下學(xué)習(xí)多樣性、個性化的需求[6]。

一、大學(xué)物理實驗信息化教學(xué)體系的構(gòu)建

（一）大學(xué)物理實驗在線課程

大學(xué)物理實驗在線課程依托于超星爾雅通識教育平臺，課程包括所開設(shè)的全部實驗項目的數(shù)字化電子信息文件，具體課程內(nèi)容如圖1所示。

在線課程分5章，共17次課，其中理論課2次課，教學(xué)實驗15次課。理論課按知識點制作了PPT，錄制了相應(yīng)的講課視頻，教學(xué)實驗制作了PPT、實驗原理講課視頻、實驗儀器介紹視頻、實驗操作視頻，如圖2所示。

PPT和講課視頻中融入實驗背景介紹、物理知識探索過程中的小插曲等，啟迪、引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成細(xì)致認(rèn)真、團(tuán)結(jié)合作、不怕犧牲、勇于追求真理的精神，樹立科學(xué)的世界觀和積極的人生觀[6]，潛移默化中落實“三全育人”和課程思政。例如在快速電子動量與動能相對論關(guān)系仿真實驗中，穿插愛因斯坦狹義相對論提出的歷史背景：邁克爾遜-莫雷通過實驗否定以太的存在，麥克斯韋在理論上否定以太，牛頓經(jīng)典力學(xué)受到?jīng)_擊，后來愛因斯坦推出狹義相對論。以物理理論的誕生過程類比學(xué)習(xí)過程，鼓勵學(xué)生敢于質(zhì)疑，努力探索，推陳出新。又例如，講述用核技術(shù)、放射源的快速電子來驗證狹義相對論時，融入我國核物理學(xué)家錢學(xué)森、鄧稼先等在祖國最需要的時候毅然回國、鞠躬盡瘁的故事，他們的大愛、大義和奉獻(xiàn)，是培養(yǎng)學(xué)生愛國情懷的最好實例。而且針對大一學(xué)生的學(xué)情，視頻文件創(chuàng)作應(yīng)突出主題、短小精悍、樂觀向上、資源多樣、契合學(xué)生的學(xué)習(xí)特點。

在線課程還建立了課程資料庫，其中包含豐富的教學(xué)資源，如每個實驗項目的電子教材、實驗報告模板、輔助學(xué)習(xí)的資料和鏈接等；并且還組建了習(xí)題庫，每個項目根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和知識點，至少設(shè)置10道選擇題（單選或多選）、簡答題、討論題等，根據(jù)在線教學(xué)活動的進(jìn)程，靈活地從題庫中抽題搭配，在學(xué)生預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)或課后復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)發(fā)布作業(yè)。

教師利用在線課程統(tǒng)計模塊，可以查閱學(xué)生章節(jié)學(xué)習(xí)情況、任務(wù)點執(zhí)行情況、課堂活動參與積極性，也可以批改作業(yè)、批閱實驗報告、進(jìn)行成績導(dǎo)出和統(tǒng)計。

（二）虛擬仿真實驗平臺

物理實驗教學(xué)離不開具體實驗儀器操作。常規(guī)實物儀器的操作和使用受時間、空間的制約，只能在規(guī)定的時間內(nèi)到指定的實驗室操作。筆者所在團(tuán)隊利用現(xiàn)代信息技術(shù)，如動畫、Adobe Flash等技術(shù)，采用Visual Studio開發(fā)工具、SQL Server數(shù)據(jù)庫等開發(fā)了系列虛擬仿真實驗，尤其是一些高?；虿豢芍貜?fù)的實驗[7]；并且利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)配套建立了大學(xué)物理虛擬仿真實驗平臺，將所開發(fā)的仿真實驗上傳至平臺，為虛擬仿真教學(xué)提供教學(xué)環(huán)境和支撐服務(wù)，滿足線上教學(xué)的需求。仿真實驗的儀器操作和教學(xué)不受時空制約，學(xué)生可隨時隨地登錄平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)。仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)主要板塊包括用戶管理（教師管理、學(xué)生管理）、教學(xué)情況（教學(xué)管理、教學(xué)實驗資源、實驗操作評價、實驗數(shù)據(jù)管理、實驗情況統(tǒng)計）、下載升級（系統(tǒng)版本升級）、仿真實驗（在線仿真實驗、在線互動討論等），將真實實驗操作過程通過虛擬技術(shù)手段完美呈現(xiàn)出來。學(xué)生可在虛擬場景中模擬真實操作，掌握相關(guān)儀器的結(jié)構(gòu)、使用方法，觀察實驗現(xiàn)象并測量實驗數(shù)據(jù)，完成相關(guān)實驗操作內(nèi)容。每個仿真實驗的功能菜單如圖3所示。

正常情況下，虛擬仿真實驗平臺可供學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)鞏固，促進(jìn)學(xué)生對實驗儀器、實驗操作、實驗現(xiàn)象等的理解，鍛煉學(xué)生操作和實驗的能力[8]；特殊情況下（如新冠疫情時期）還可以把遠(yuǎn)程虛擬仿真實驗平臺和在線課程相結(jié)合，構(gòu)成完整的實驗教學(xué)閉環(huán)，進(jìn)行全課程的線上教學(xué)。隨著實驗教學(xué)改革的深入，也可采用部分內(nèi)容（比如兩次理論課）線上教學(xué)、部分內(nèi)容線下授課，部分內(nèi)容實物儀器授課、部分內(nèi)容虛擬仿真授課的形式，為打造線上線下、虛實結(jié)合的多元混合式大學(xué)物理實驗教學(xué)新模式奠定基礎(chǔ)[9-11]。

（三）信息化教學(xué)評價

實驗教學(xué)活動是綜合性強(qiáng)的復(fù)雜活動。傳統(tǒng)實驗評價注重到課率、實驗報告評價等，而信息化教學(xué)能實現(xiàn)教學(xué)評價的可追溯。在線課程中，學(xué)生預(yù)習(xí)時完成的任務(wù)點，課堂教學(xué)時開展的簽到、搶答、投票、討論、課堂練習(xí)等活動，系統(tǒng)都會自動記錄并評價給分；仿真實驗系統(tǒng)也可以自動記錄評價學(xué)生的實驗過程。以“快速電子動量與動能相對論關(guān)系仿真實驗”為例，系統(tǒng)自動考查實驗操作過程是否損壞儀器、預(yù)置高壓電源的最佳參考電壓是否正確、操作中是否注意打開和關(guān)閉有機(jī)玻璃罩、放射源蓋子的開合、游標(biāo)的探測范圍、誤差大小、操作時間等，自動對學(xué)生的操作過程進(jìn)行評價。故信息化教學(xué)更方便把實驗學(xué)習(xí)、操作過程作為重要因素納入評價體系，實現(xiàn)過程性評價。

學(xué)生在網(wǎng)上（在線課程或者仿真系統(tǒng)）提交實驗報告，指導(dǎo)教師根據(jù)實驗報告中的實驗原理、測量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、實驗結(jié)果分析等給出報告成績。

基于信息化教學(xué)特點的綜合評價體系如下：單個實驗滿分100分，評價由簽到、預(yù)習(xí)、課堂活動、實驗操作、實驗報告五方面因素構(gòu)成，分別對應(yīng)權(quán)重為5%、10%、10%、25%、50%。期末綜合考慮所有開設(shè)的實驗，把所有實驗成績加起來取平均值，即得到大學(xué)物理實驗課程的期評成績。這個評價方法考查了預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)過程、實驗操作過程、實驗報告等因素，實現(xiàn)了學(xué)習(xí)過程的綜合評價。

二、大學(xué)物理實驗信息化教學(xué)體系的應(yīng)用

2020年春季學(xué)期，筆者所在學(xué)校成功運用大學(xué)物理實驗信息化教學(xué)體系，將在線課程和遠(yuǎn)程仿真實驗相結(jié)合，實現(xiàn)了停課不停教、不停學(xué)。

下面以“快速電子動量與動能相對論關(guān)系實驗”[12]教學(xué)為例，展示信息化教學(xué)體系的應(yīng)用過程。超星泛雅平臺建設(shè)的在線課程大學(xué)物理實驗“近代物理實驗”的第三個實驗即“快速電子動量與動能相對論關(guān)系實驗”，課前要求學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，寫好預(yù)習(xí)報告，充分利用在線教學(xué)資源（主要包括電子教材、教學(xué)PPT、實驗原理教學(xué)視頻、實驗儀器介紹視頻、實驗操作引導(dǎo)視頻等）進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。在學(xué)生對實驗有了大致了解后，教師利用在線課程PPT， 運用問題探究法就學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中難以理解的問題進(jìn)行重點講述和討論，讓學(xué)生掌握如何測量快速電子的動量動能，如何用測量數(shù)據(jù)驗證愛因斯坦狹義相對論。教師在進(jìn)行實驗演示的時候，可以在虛擬仿真實驗平臺演示實驗的操作過程、注意事項以及如何操作使測量精度更高，并對真空條件下和非真空條件下的物理現(xiàn)象進(jìn)行對比觀察和理解[13-14]，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和探索性思維。理論講述和實驗操作使用的在線課程和仿真實驗平臺都支持互動討論，仿真實驗平臺會就學(xué)生的操作過程自動給出客觀評價。實驗報告在在線課程中提交，一個實驗的成績由簽到、預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)、操作過程和實驗報告評分綜合得出，實現(xiàn)了實驗考核的過程性評價。在線課程和仿真實驗平臺也支持課后復(fù)習(xí)鞏固，學(xué)生可不限時間、不限地點登錄學(xué)習(xí)。圖4總結(jié)了信息化教學(xué)實施的過程。

2020年春季學(xué)期，筆者所在學(xué)校全校3851名理工科大一學(xué)生通過大學(xué)物理實驗信息化教學(xué)體系完成了居家期間物理實驗的學(xué)習(xí)。教師利用“問題探究—實驗演示—對比學(xué)習(xí)”教學(xué)方法，指導(dǎo)學(xué)生探索快速電子的動量動能之間的狹義相對論關(guān)系，收到了良好的教學(xué)效果。

三、結(jié)束語

筆者所在學(xué)校將大學(xué)物理實驗在線課程和大學(xué)物理仿真實驗平臺的教學(xué)優(yōu)勢進(jìn)行了整合，構(gòu)建了大學(xué)物理實驗信息化教學(xué)體系，經(jīng)過一個學(xué)期的線上教學(xué)使用，取得了令人滿意的教學(xué)效果。大學(xué)物理實驗信息化教學(xué)體系在正常情況下，可作為實驗前在線預(yù)習(xí)、實驗后復(fù)習(xí)以及學(xué)習(xí)過程中的重要學(xué)習(xí)資源，在非常時期能用于全課程的線上教學(xué)，還有助于打造線上線下、虛實結(jié)合的多元混合式大學(xué)物理實驗教學(xué)新模式。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：周侯辰］