線上教學(xué)和虛擬仿真實驗在大學(xué)物理實驗課程中的實踐探索

蘇守正 陶靈平 孫赟 程小燕

摘? 要：大學(xué)物理實驗課程是本科教育階段理工科專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)正確認識世界、思考并解決問題和探索創(chuàng)新能力方面起著重要作用。高等教育的發(fā)展和科技的進步為大學(xué)課堂提供了更多優(yōu)質(zhì)而豐富的教學(xué)內(nèi)容，各高校在大學(xué)物理實驗教學(xué)上建立了多種課程形式，如MOOC、精品課程、虛擬仿真實驗等。文章主要探討大學(xué)物理實驗課程的創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計，首先分析了該課程的教學(xué)特點，然后在對理論知識的理解運用和實驗數(shù)據(jù)的測量分析基礎(chǔ)上，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)平臺和虛擬仿真實驗技術(shù)，將BOPPPS教學(xué)理念引入課程設(shè)計中。這種新的課程形式拓展了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的空間和邊界，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情和樂于思考樂于探索的科學(xué)精神。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實驗；在線教學(xué)；虛擬仿真實驗；BOPPPS；教學(xué)研究

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2023）14-0058-04

大學(xué)物理實驗是本科階段所學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課程之一，涵蓋了力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)以及近代物理等領(lǐng)域的基本實驗內(nèi)容，能夠培養(yǎng)學(xué)生正確認識世界、分析解決問題和探索創(chuàng)新的能力，其重要意義不言而喻。近年來，各高校為了提升本科教育水平，加大了基礎(chǔ)課程的發(fā)展力度，在大學(xué)物理實驗教學(xué)中也建立了多種課程模式，包括MOOC（Massive Open Online Courses）、精品課程、虛擬仿真實驗、SPOC（Small Pate Online Courses）、BOPPPS教學(xué)等［1］，這些課程模式以豐富多樣的設(shè)計為各理工科專業(yè)學(xué)生提供了精彩的學(xué)習(xí)內(nèi)容［2］，增強了學(xué)習(xí)物理的趣味性，非常有利于學(xué)生吸收基本物理概念和思想方法，培養(yǎng)科學(xué)認識世界的素質(zhì)和能力［3］。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和信息技術(shù)的發(fā)展，這些新的教學(xué)模式在大學(xué)物理實驗課程中發(fā)揮著越來越重要的作用，例如MOOC、精品課程等以線上線下結(jié)合的形式提高了學(xué)習(xí)效率［4］，虛擬仿真技術(shù)也給物理實驗教學(xué)帶來很多新的教學(xué)體驗，如Sakai軟件平臺、虛擬仿真實驗等讓學(xué)生可以隨時進行實驗學(xué)習(xí)，擺脫了實驗條件的限制［5］。這些新的教學(xué)形式促進了實驗教學(xué)的發(fā)展，然而大學(xué)物理實驗課程有其特殊性，學(xué)生們需要在實際的實驗過程中研究實驗現(xiàn)象、分析實驗結(jié)果，才能真正培養(yǎng)出學(xué)生的研究能力和創(chuàng)新能力［6］。為了促進教學(xué)改革，本文探究在日常的大學(xué)物理實驗教學(xué)過程中引入BOPPPS教學(xué)理念，通過改變實驗教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)方式，設(shè)計更科學(xué)更有效的實驗教學(xué)模式，以提高大學(xué)物理實驗課程的教學(xué)質(zhì)量。

本科教育不僅要注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)人文知識體系，更加重要的是培養(yǎng)學(xué)生思考問題解決問題等綜合能力，因此以學(xué)生為中心的教學(xué)設(shè)計在大學(xué)課堂中很重要［7］。BOPPPS教學(xué)理念正是秉持這樣的思想，將課堂劃分為六個階段，通過不同的課堂階段調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)和思考的積極性，這些階段分別是引入（Bridge-in）階段、目標(biāo)（Objective）階段、前測（Pre-assessment）階段、參與式學(xué)習(xí)（Participatory-learning）階段、后測（Post-assessment）階段以及總結(jié)（Summary）階段［8］。根據(jù)這樣的教學(xué)理念，本文的課程設(shè)計將大學(xué)物理實驗?zāi)K化分解，在不同的模塊中引導(dǎo)學(xué)生分別完成不同的實驗學(xué)習(xí)任務(wù)，依托信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建以學(xué)生為中心和以自主學(xué)習(xí)為主導(dǎo)的實驗學(xué)習(xí)環(huán)境，著力培養(yǎng)學(xué)生對大學(xué)物理實驗的學(xué)習(xí)興趣和思考創(chuàng)新能力。本文將首先簡述目前大學(xué)物理實驗課程常見的教學(xué)體系和面臨的現(xiàn)狀，深入剖析傳統(tǒng)的以教師講解演示實驗、學(xué)生做實驗的教學(xué)模式的優(yōu)勢和缺點，然后結(jié)合BOPPPS教學(xué)理念，在日常教學(xué)實踐中探索并建設(shè)新的以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)模式。

一、傳統(tǒng)大學(xué)物理實驗課程的優(yōu)與劣

大學(xué)物理實驗課程承擔(dān)著培養(yǎng)本科生基礎(chǔ)實驗技能和建立科學(xué)認知能力的重任，是理工科各專業(yè)的必修課程，然而目前高校理工科專業(yè)招生人數(shù)逐年增加，不同專業(yè)的培養(yǎng)方案不同，對本課程的課時安排與內(nèi)容需求有明顯區(qū)別［9］。為了應(yīng)對不同的專業(yè)人才培養(yǎng)方案，很多高校采用將大學(xué)物理實驗課程按學(xué)時比例劃分成基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗等部分，以供各專業(yè)學(xué)生根據(jù)學(xué)時和培養(yǎng)方案合理選擇［10］?；A(chǔ)性實驗要求本科生掌握基本物理量的測量，熟悉常見的物理實驗方法，能夠科學(xué)地分析問題和處理測量數(shù)據(jù)等。綜合性實驗常常涉及多個領(lǐng)域的知識點，如混沌效應(yīng)實驗，學(xué)生不僅要熟悉交流電路的基本原理，而且需要了解非線性方程的性質(zhì)，能熟練使用信號發(fā)生器和示波器等，這對學(xué)生的物理知識水平和儀器使用要求較高。設(shè)計性實驗是以靈活運用基本的知識點、實驗方法和基本測量儀器為基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生主動思考分析問題的能力，激發(fā)學(xué)生研究探索精神和創(chuàng)新精神。這種分層次的實驗教學(xué)體現(xiàn)了較強的靈活性，能很方便地適應(yīng)各專業(yè)培養(yǎng)體系的需求，兼顧了知識點與學(xué)時的不同要求。

一般大學(xué)物理實驗課程的教學(xué)過程是進行課前預(yù)習(xí)并完成預(yù)習(xí)實驗報告、在實驗室完成儀器調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)測量，最后分析測量數(shù)據(jù)并完成實驗報告。這個過程充分尊重了實驗科學(xué)的研究方法與發(fā)展規(guī)律，讓學(xué)生能夠深刻感受到科學(xué)探索的強大魅力，在繁多的測量數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)藏在背后的物理定律。物理學(xué)是建立在科學(xué)實驗基礎(chǔ)之上的，基本理論都是基于大量實驗的科學(xué)觀測，包含了很多科學(xué)思想和實驗方法，只有在實際的實驗過程中解決問題、分析測量數(shù)據(jù)，才能得到科學(xué)的結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和活躍的創(chuàng)新思想，樹立科學(xué)的世界觀和方法論，這是其他課程難以代替的。雖然教學(xué)實驗高度簡化了研究過程，但仍然需要學(xué)生深刻理解相關(guān)的理論知識點，熟練使用儀器并正確完成數(shù)據(jù)測量，解決實驗過程中遇到的問題，思考觀察到的實驗現(xiàn)象，在分析測量數(shù)據(jù)中得到合理的結(jié)論，整個實驗課程需要學(xué)生具有較強的獨立思考和積極主動解決問題的能力，彌補理論教學(xué)中重計算輕實踐的缺陷。

然而，在當(dāng)前應(yīng)試氛圍濃厚的高等教育環(huán)境中，大學(xué)物理實驗課程在實際教學(xué)過程中仍面臨著很多困境［11］。首先，課程教學(xué)模式缺乏多樣性，難以激發(fā)學(xué)生的實驗熱情，很多實驗課程逐漸變成簡單枯燥的數(shù)據(jù)測量。教學(xué)實驗不同于科學(xué)研究性實驗，實驗原理通常是清晰正確的成熟理論，所得到的實驗結(jié)果也是比較明確的，這導(dǎo)致不少學(xué)生只是機械地測量數(shù)據(jù)，并不去了解背后的理論知識，也不認真分析測量數(shù)據(jù)并思考實驗現(xiàn)象得到結(jié)果。這種本末倒置的學(xué)習(xí)情況不利于培養(yǎng)學(xué)生的研究創(chuàng)新能力，反而誤導(dǎo)學(xué)生對科學(xué)觀念的正確認識。其次，很多院系只重視本專業(yè)的教學(xué)和建設(shè)，而輕視大學(xué)物理實驗這樣的公共課程，導(dǎo)致分配的學(xué)時量較少，很難滿足基本的課程需求。在實際的實驗教學(xué)中，很多學(xué)生在每學(xué)期開學(xué)的時間段，對大學(xué)物理實驗課程興趣濃厚、期望很高，不僅認真學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識點，而且認真地測量實驗數(shù)據(jù)并分析實驗現(xiàn)象。但是由于每個實驗項目僅分配約三個學(xué)時，對于難度稍大的實驗項目，學(xué)習(xí)理論知識、掌握儀器使用并完成數(shù)據(jù)測量所花費的時間大大超過三個學(xué)時，這樣容易造成很多學(xué)生在課程后期學(xué)習(xí)敷衍甚至抄襲實驗報告。由于每學(xué)期的學(xué)時較少，學(xué)生所學(xué)習(xí)的大學(xué)物理實驗項目也較少，大都只能覆蓋基礎(chǔ)性實驗，學(xué)生主要學(xué)習(xí)基本的實驗測量方法，缺乏綜合性和設(shè)計性實驗的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，難以激發(fā)探索和研究的積極性。

二、基于線上教學(xué)和虛擬仿真實驗平臺的課程設(shè)計

大學(xué)物理實驗課程既注重理論知識的理解與運用，也注重實驗數(shù)據(jù)的測量與分析，其課程內(nèi)容深刻、知識點繁多、學(xué)習(xí)時間投入大，但目前很多高校分配的課時較少，師資力量和實驗設(shè)備不足等因素都造成了該課程難以達到良好的教學(xué)效果［12］。為了克服這些困難營造更加豐富的實驗學(xué)習(xí)氛圍，在課程設(shè)計與實踐中，大力推進在線教學(xué)和虛擬仿真實驗平臺在大學(xué)物理實驗課程中的應(yīng)用［13］，這樣可以有效拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)空間，特別是新冠疫情發(fā)生以后，這些新的教學(xué)形式體現(xiàn)了強大的教學(xué)優(yōu)勢。本文的課程設(shè)計依托學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)平臺和虛擬仿真實驗平臺，借鑒BOPPPS教學(xué)理念及其在實驗教學(xué)中的經(jīng)驗［14-15］，改革大學(xué)物理實驗課程，并在日常教學(xué)中不斷改進這樣的教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和科學(xué)素養(yǎng)［16］。

為了便于結(jié)合線上課程的優(yōu)勢特點，本文的課程設(shè)計首先通過學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建立大學(xué)物理實驗在線課程，將課程的實驗原理內(nèi)容、儀器使用和數(shù)據(jù)測量通過在線視頻的形式放在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上。學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)平臺按照課程分類，每個課程可以建立不同上課班級，每位選課的學(xué)生可以通過學(xué)習(xí)通賬號在線觀看所選課程的教學(xué)視頻，這樣的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)可以讓學(xué)生擺脫空間和時間的限制，極大地拓展了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)空間。為了加強在線教學(xué)效果，任課教師可以在學(xué)習(xí)通平臺上實時提問，然后根據(jù)每位同學(xué)的回答情況評價他們的課堂學(xué)習(xí)，使平時成績更加客觀、合理。

在日常的實驗教學(xué)中，任課教師經(jīng)常發(fā)現(xiàn)即使要求學(xué)生在上課前寫預(yù)習(xí)實驗報告，學(xué)生在實驗課堂中也難以順利完成實驗數(shù)據(jù)的測量，究其原因是實驗教材只是文字或圖片的靜態(tài)表述，學(xué)生難以想象實驗儀器實際的操作方法和實驗過程。此外，實驗儀器的更新速度較快，很多實驗教材的編寫較慢，所用儀器大都是很多年前的陳舊儀器，這也導(dǎo)致學(xué)生難以通過教材了解實驗儀器。這些問題可以通過虛擬仿真實驗平臺很好地解決，學(xué)生通過登錄軟件平臺學(xué)習(xí)模擬物理實驗操作過程，這樣可以提前熟悉實驗儀器的基本操作方法和實驗測量過程。此外，虛擬仿真平臺還可以結(jié)合數(shù)據(jù)可視化技術(shù)讓測量數(shù)據(jù)顯示出更直觀、科學(xué)的圖示效果，讓測量數(shù)據(jù)不再枯燥無味，這不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理實驗課程的興趣，更提高了學(xué)生對實驗的理解程度。

依托于在線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺和大學(xué)物理實驗虛擬仿真平臺，本課程設(shè)計不僅讓學(xué)生樂于在課堂之外學(xué)習(xí)實驗課程，而且提高了實驗課堂中的教學(xué)效果，即使如分光計的調(diào)節(jié)與使用等這些難度較大的實驗課程，很多學(xué)生也能較快地吸收設(shè)計原理并完成數(shù)據(jù)測量。在此基礎(chǔ)上，本課程設(shè)計根據(jù)BOPPPS教學(xué)模式將每個實驗項目的課程內(nèi)容設(shè)置為六部分。在課程開始階段，針對每個實驗講述一個科學(xué)史上的經(jīng)典故事或者重要的科學(xué)問題作為導(dǎo)言部分，以此引起學(xué)生對這個實驗的興趣，了解人類在科學(xué)研究中解決問題所做出的努力和經(jīng)歷的艱難曲折，并潛移默化地感受歷史人物所具有的高尚品質(zhì)和偉大精神。緊接著，根據(jù)實驗課程的總體內(nèi)容總結(jié)出這個實驗的目的并以此作為目標(biāo)部分，讓學(xué)生明確這個實驗的任務(wù)和目的。在實驗課程之前，教師可以通知學(xué)生按要求觀看學(xué)習(xí)通在線網(wǎng)絡(luò)平臺上的視頻和PPT教學(xué)內(nèi)容，登錄虛擬仿真平臺完成虛擬實驗操作內(nèi)容，并且完成預(yù)習(xí)實驗報告的寫作，這作為參與式學(xué)習(xí)的一部分，讓學(xué)生在自由的環(huán)境下獨立學(xué)習(xí)和思考實驗內(nèi)容。在此情況下，教師可通過學(xué)習(xí)通布置少量問題，要求學(xué)生在預(yù)習(xí)實驗報告中完成，通過這些前測內(nèi)容可以了解學(xué)生對實驗原理和測量的理解程度。在實驗課程的實驗測量部分，教師可以增加學(xué)生的實驗時間分配，首先讓學(xué)生在教師指導(dǎo)下完成基本的實驗測量，對于學(xué)生在實驗過程中遇到的問題，教師以引導(dǎo)和啟發(fā)的方式讓學(xué)生自己解決。完成基本測量后，教師可以要求學(xué)生自主進行實驗測量并解決教師提出的問題，增加實驗測量的自主性和研究性，這作為參與式學(xué)習(xí)的另一部分，著重培養(yǎng)學(xué)生的研究和創(chuàng)新能力。在這一階段，課程設(shè)計的關(guān)鍵是針對每個實驗內(nèi)容提出的研究性問題應(yīng)該同時具備一定的挑戰(zhàn)性和易解決性，否則學(xué)生難以在有限的課堂教學(xué)時間內(nèi)完成，這就達不到預(yù)期的培養(yǎng)目標(biāo)。在實驗課程最后階段，由教師總結(jié)本實驗的主要知識點和結(jié)論，并對學(xué)生的自主實驗過程進行點評，學(xué)生通過這總結(jié)部分強化對實驗課程整體內(nèi)容的理解掌握。在實驗課程結(jié)束后，學(xué)生在一定時間段內(nèi)完成實驗報告并交給任課教師批改，教師根據(jù)實驗報告的寫作和數(shù)據(jù)分析評價學(xué)生的實驗成績，學(xué)生通過這些后測部分加深對實驗內(nèi)容的理解。此外，教師通過學(xué)習(xí)通平臺提供實驗完成后的疑問解答，不僅有效延伸了后測部分，也提高了學(xué)生對實驗課程的理解程度。

三、結(jié)語

高水平的大學(xué)物理實驗課程能夠讓學(xué)生感受到物理實驗的科學(xué)思想，能夠讓學(xué)生體驗到思考問題解決問題帶來的成就感，能在觀察實驗現(xiàn)象、分析測量數(shù)據(jù)中認識到自然科學(xué)的本質(zhì)規(guī)律。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬仿真平臺的快速發(fā)展，以及實驗教學(xué)儀器的不斷更新，都為教育教學(xué)提供了更多更好的教學(xué)環(huán)境，然而上好大學(xué)物理實驗課程的關(guān)鍵仍然體現(xiàn)在老師對每一個實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的精心設(shè)計，激發(fā)學(xué)生積極主動思考問題解決問題。本文的教學(xué)設(shè)計通過BOPPPS教學(xué)模式探索大學(xué)物理實驗課程的教學(xué)設(shè)計，結(jié)合學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)在線平臺和虛擬仿真實驗平臺，讓課堂成為學(xué)生樂于學(xué)習(xí)、樂于思考、樂于探索的場所。

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