孫艷 于丹 高源 沈洋

摘 ?要：2020年受新冠病毒肺炎疫情影響，在學(xué)生不能返校的情況下，各高校實(shí)驗(yàn)教師研究大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程線上教學(xué)方案，充分利用信息資源，及時(shí)上線網(wǎng)絡(luò)課程和虛擬實(shí)驗(yàn)、開發(fā)居家實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)“實(shí)物+虛擬”結(jié)合、“居家實(shí)驗(yàn)+線上指導(dǎo)”結(jié)合的形式，形成實(shí)驗(yàn)教學(xué)新常態(tài)，引發(fā)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)組織和設(shè)計(jì)模式的變革。

關(guān)鍵詞：線上教學(xué);虛擬實(shí)驗(yàn);居家實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2021）18-0131-04

Abstract： Due to COVID-19 outbreak in 2020， college students could not go back to school. The experimental teachers studied the online teaching program of college physics experiment， and made full use of information resources， online courses and simulation experiments in a timely manner， developed home-based experiments. The combination of "real object + simulation" and "home-based experiment + online instruction" is realized to form a new normal of experimental teaching. The reform of teaching organization and design mode will be initiated.

Keywords： online teaching; simulation experiment; home-based experiment

2020年初，新冠病毒肺炎疫情擾亂了原有的生活秩序，為了全力防控，堅(jiān)決防止疫情在學(xué)校蔓延，國(guó)內(nèi)高校不得不推遲開學(xué)。教育部提出要利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)“停課不停教，停課不停學(xué)”。各校教師積極摸索利用各類網(wǎng)絡(luò)直播平臺(tái)、視頻會(huì)議軟件開展線上教學(xué)，國(guó)內(nèi)高?；緦?shí)現(xiàn)了按計(jì)劃開課。相比于理論課，實(shí)踐類課程需要有場(chǎng)地、器材支持，實(shí)現(xiàn)線上教學(xué)較為困難。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是理工科院校設(shè)置的一門必修實(shí)踐類課程，授課對(duì)象具有數(shù)量大、年級(jí)多、專業(yè)多的特點(diǎn)。如何實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課程線上開設(shè)、如何將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地轉(zhuǎn)換到居家環(huán)境、線上教學(xué)能否滿足教學(xué)大綱要求，這些問(wèn)題都需要實(shí)驗(yàn)教師逐一攻克。

一、疫情下各高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)開課概況

近幾年，國(guó)內(nèi)較多高校探索線上線下混合式教學(xué)，大力提倡信息化教學(xué)，倡導(dǎo)借助技術(shù)手段輔助教學(xué)。經(jīng)過(guò)近年的教育平臺(tái)建設(shè)和相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)，我國(guó)在線上教學(xué)方面具有良好的前期基礎(chǔ)，主要體現(xiàn)在平臺(tái)和軟件兩個(gè)方面。平臺(tái)方面，中國(guó)有幾大慕課平臺(tái)，最知名的有高教社中國(guó)大學(xué)MOOC和清華大學(xué)學(xué)堂在線，還有上海交通大學(xué)好大學(xué)在線、北京大學(xué)華文慕課、全國(guó)地方高校聯(lián)盟等平臺(tái)。軟件方面，目前被各高校廣泛使用的有清華大學(xué)雨課堂、超星學(xué)習(xí)通等。為做好疫情防控期間在線教學(xué)組織與管理，各高校充分利用慕課平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)資源平臺(tái)和各級(jí)各類在線課程平臺(tái)、校內(nèi)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間等，積極開展了線上授課、演示、指導(dǎo)、討論等在線教學(xué)活動(dòng)，做到了“停課不停教、停課不停學(xué)”。

上述大部分平臺(tái)及方法之前已用于高校的基礎(chǔ)課、專業(yè)課教學(xué)，高校依托各平臺(tái)已建成大量的理學(xué)、計(jì)算機(jī)、外語(yǔ)、文史等課程。實(shí)踐類課程的開展需要學(xué)生利用工具、測(cè)量?jī)x器或外出調(diào)研形成實(shí)施方案獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，有的甚至要團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成。實(shí)踐類課程的特質(zhì)決定了課程開展不是學(xué)生坐在電腦前看直播或視頻學(xué)習(xí)能夠完成的，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的線上開課不是一件容易的事情。常規(guī)的實(shí)驗(yàn)課必須在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，在嚴(yán)格控制環(huán)境情況下采用專用儀器獲取一定精度和數(shù)量的數(shù)據(jù)。疫情下學(xué)生宅在家，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本條件得不到滿足。在其他課程紛紛開課的壓力下，各校從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師們意識(shí)到疫情下不能坐以待斃，必須積極開展研究，尋找開展實(shí)驗(yàn)課網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的對(duì)策。在教育部高等院校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)高校以中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、南開大學(xué)等高校為首率先提出了各校的居家物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，其他高校也積極學(xué)習(xí)和跟進(jìn)。疫情期間為籌備實(shí)驗(yàn)課程線上教學(xué)，2020年3月至4月部分高校采用騰訊會(huì)議形式承辦了“全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)研討會(huì)”（東北大學(xué)承辦）、“湖北省實(shí)驗(yàn)課程在線教學(xué)研討會(huì)”（武漢大學(xué)承辦）、“黑龍江省高等學(xué)校物理在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”（哈爾濱工業(yè)大學(xué)承辦）、“西南地區(qū)高校物理基礎(chǔ)課程線上教學(xué)交流會(huì)”（西南交通大學(xué)承辦）等會(huì)議。這些會(huì)議的召開使得實(shí)驗(yàn)教師們針對(duì)線上教學(xué)、居家實(shí)驗(yàn)開展廣泛交流、實(shí)現(xiàn)思想碰撞和激發(fā)，為開展線上物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了思路和舉措。另外，東北大學(xué)、東北師范大學(xué)等高校緊急在中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)、超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)上線了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n。廣大實(shí)驗(yàn)教師利用各類互動(dòng)直播平臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)及指導(dǎo)答疑，實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)課在線上順利開課[1-2]。目前，在大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)和物理實(shí)驗(yàn)雜志網(wǎng)站上已公布40余項(xiàng)居家實(shí)驗(yàn)方案，表1為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)網(wǎng)上開設(shè)的20項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[3-4]。

二、疫情下實(shí)驗(yàn)課程組織形式

作者對(duì)復(fù)旦大學(xué)、東北大學(xué)、東南大學(xué)等15所高校的線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例進(jìn)行分析?？傮w上各高校依據(jù)自身實(shí)際情況將“網(wǎng)絡(luò)課程”“在線直播”“居家實(shí)驗(yàn)”“虛擬仿真”四種形式相互組合開展教學(xué)。具體措施如下：

1. 網(wǎng)絡(luò)課程。線上課程包括MOOC平臺(tái)中已有網(wǎng)絡(luò)課，也有學(xué)校自建網(wǎng)絡(luò)課。例如，在中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)上國(guó)防科技大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程同時(shí)面對(duì)本校學(xué)生和校外學(xué)生開放，主要用于學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)、課上實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂、課后提交作業(yè)、問(wèn)題討論。在成績(jī)組成和評(píng)定方式上，校內(nèi)與校外學(xué)生有所區(qū)分。

2. 在線直播。實(shí)驗(yàn)教師利用釘釘、Zoom、騰訊會(huì)議、企業(yè)微信、微信群、QQ群等互動(dòng)直播平臺(tái)開展教學(xué)。直播課主要用于講授實(shí)驗(yàn)緒論課、誤差理論和數(shù)據(jù)處理方法、實(shí)驗(yàn)課之前的理論及實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中的指導(dǎo)答疑。為貼近學(xué)生網(wǎng)絡(luò)習(xí)慣，部分教師在較受學(xué)生喜歡的嗶哩嗶哩直播平臺(tái)直播授課，通過(guò)彈幕與學(xué)生交流，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課興趣迅速增加[5]。

3. 居家實(shí)驗(yàn)。依據(jù)課程學(xué)習(xí)目標(biāo)要求，實(shí)驗(yàn)教師開發(fā)居家實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)討論、預(yù)先測(cè)試確保方案可行，再發(fā)布給學(xué)生并附上一定提示和指導(dǎo)資料。居家實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠?qū)崿F(xiàn)具有三個(gè)特點(diǎn)。一是完成實(shí)驗(yàn)的材料容易獲得，來(lái)源于日常用品[6]。例如，固體表面的浸潤(rùn)實(shí)驗(yàn)用到口罩;衍射實(shí)驗(yàn)用到了激光筆、頭發(fā)絲、光盤;三線擺測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)可以利用家里的蒸鍋等等。二是實(shí)驗(yàn)裝置需要學(xué)生根據(jù)各自家里現(xiàn)有條件自行搭建。例如，有的學(xué)生搭建光路用到方木條，蛇擺的設(shè)計(jì)借用家里的晾衣桿。這些裝置的搭建都需要學(xué)生有前期規(guī)劃、較強(qiáng)的耐心和解決問(wèn)題的分析能力。三是測(cè)量及分析數(shù)據(jù)工具易得。居家實(shí)驗(yàn)測(cè)量工具主要借助于家用電子稱、手機(jī)Phyphox（物理手機(jī)工坊）app、Tracker（視頻追蹤）等軟件實(shí)現(xiàn)，如圖1、圖2所示，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前要熟悉或?qū)W習(xí)相關(guān)軟件的使用[7-8]。

4. 虛擬仿真。在上述形式基礎(chǔ)上各校還結(jié)合虛擬仿真項(xiàng)目開展在線實(shí)驗(yàn)，有效地彌補(bǔ)了居家實(shí)驗(yàn)儀器精度差、測(cè)量干擾性大等問(wèn)題[9]?，F(xiàn)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包括軟件公司聯(lián)合高校開發(fā)仿真軟件、國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、手機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)APP等，如圖3所示。

三、疫情下實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)

疫情下各校物理實(shí)驗(yàn)課線上開課，受條件限制課程各方面與以往有較大變動(dòng)，主要包括以下三個(gè)方面：

（一）目標(biāo)與計(jì)劃的調(diào)整

原實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)注重于實(shí)驗(yàn)規(guī)范、調(diào)整測(cè)量精度，實(shí)驗(yàn)方案具有統(tǒng)一性，采用專用教學(xué)儀器實(shí)現(xiàn)，結(jié)果誤差較小。但居家情況下實(shí)驗(yàn)受條件限制，均是就地取材、自主搭建，部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無(wú)法實(shí)現(xiàn)，同時(shí)精度不足導(dǎo)致測(cè)量誤差較大。針對(duì)于居家實(shí)驗(yàn)，設(shè)置課程階段性目標(biāo)主要偏重開闊學(xué)生思維、培訓(xùn)動(dòng)手實(shí)踐能力、提高分析解決問(wèn)題的能力。有的實(shí)驗(yàn)僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)并觀測(cè)現(xiàn)象，對(duì)數(shù)據(jù)精度和誤差分析方面不做過(guò)多要求。

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在不同高校、對(duì)不同專業(yè)的教學(xué)水平有所區(qū)別，需考慮各校的師生、學(xué)科差異，在線教學(xué)需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)、綜合考慮，保證教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。在大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)專項(xiàng)委員會(huì)及國(guó)家級(jí)示范中心聯(lián)席會(huì)物理學(xué)科組的共同努力下，設(shè)計(jì)并推出64學(xué)時(shí)的線上物理實(shí)驗(yàn)方案。該方案由緒論、DIY實(shí)驗(yàn)、探究性實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、自定趣味性實(shí)驗(yàn)幾部分組成。由于各校教學(xué)目標(biāo)不同，各?？筛鶕?jù)自己的實(shí)際情況，優(yōu)化組合方案，完成本校的疫情防控期間的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。表2為64學(xué)時(shí)線上教學(xué)方案[10]。

（二）教與學(xué)的變化

在常規(guī)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，教師在課上講解實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注實(shí)驗(yàn)方法、步驟，強(qiáng)調(diào)操作的安全性和規(guī)范性。而居家實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)范圍非常廣泛，包括實(shí)驗(yàn)方案分析、材料選擇和加工、問(wèn)題現(xiàn)象分析、裝置改進(jìn)等。學(xué)生不再是按部就班地完成任務(wù)，需要不斷嘗試、改進(jìn)，在一次次失敗中探索前行。教師和學(xué)生都會(huì)遇到前所未有、意想不到的問(wèn)題，需要通過(guò)共同討論分析完成。在這個(gè)過(guò)程中，教師深刻體會(huì)到教學(xué)相長(zhǎng)，學(xué)生也體會(huì)到實(shí)驗(yàn)成功的喜悅，認(rèn)識(shí)到物理實(shí)驗(yàn)課程對(duì)自身實(shí)踐能力、科學(xué)素養(yǎng)的提升作用，認(rèn)同課程價(jià)值。

（三）測(cè)量、分析手段的變化

常規(guī)下實(shí)驗(yàn)課測(cè)量采用示波器、萬(wàn)用表、檢流計(jì)等專用測(cè)量?jī)x器獲得精度較高的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而居家實(shí)驗(yàn)，大多數(shù)情況下要采用一些新的軟件，例如實(shí)驗(yàn)中需要拍攝圖像、視頻或聲音，然后利用分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，還有利用手機(jī)內(nèi)置傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)。這就需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前安裝軟件，自學(xué)并快速掌握軟件使用。這種方式鍛煉了學(xué)生信息收集能力和自主學(xué)習(xí)能力，得到與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)不一樣的體驗(yàn)。

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的思考

教育部高教司司長(zhǎng)吳巖指出：“我們?cè)谝膊豢赡堋⒁膊粦?yīng)該退回到疫情發(fā)生之前的教與學(xué)狀態(tài)，因?yàn)槿诤狭恕ヂ?lián)網(wǎng)+‘智能+技術(shù)的在線教學(xué)已成為中國(guó)高等教育和世界高等教育的重要發(fā)展方向。”此次新冠肺炎疫情把物理實(shí)驗(yàn)課程推上了線上教學(xué)的浪潮，教師與學(xué)生都感受到線上教學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的沖擊。廣大物理實(shí)驗(yàn)教師同時(shí)也在思考學(xué)生返校后會(huì)給未來(lái)實(shí)驗(yàn)課程帶來(lái)哪些轉(zhuǎn)變。作者總結(jié)有三點(diǎn)轉(zhuǎn)變。

（一）線上線下混合式教學(xué)常規(guī)化

學(xué)生返校后，物理實(shí)驗(yàn)課程教與學(xué)的模式均會(huì)發(fā)生變革。此次疫情促使各校著手建設(shè)與課程匹配的信息資源，并依據(jù)課程推進(jìn)同步推出相應(yīng)資源?；ヂ?lián)網(wǎng)上物理實(shí)驗(yàn)MOOC、網(wǎng)絡(luò)課程數(shù)量顯著增加。資源的建設(shè)為以后開展混合式教學(xué)提供支撐，經(jīng)過(guò)疫情教學(xué)的鍛煉教師們具有掌控各類互動(dòng)平臺(tái)的豐富經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生也樂(lè)于和習(xí)慣在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下學(xué)習(xí)和開展討論。因此，物理實(shí)驗(yàn)課程具備了混合式教學(xué)的資源和人員基礎(chǔ)，混合式教學(xué)也會(huì)成為實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)常態(tài)模式。

（二）課程內(nèi)容得以拓展

疫情期間，廣大實(shí)驗(yàn)教師開發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是思想相互激發(fā)的成果，讓物理實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)由不可能變成了可能，更是一筆指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的寶貴財(cái)富。這些實(shí)驗(yàn)方案經(jīng)過(guò)整理或加工，可設(shè)置為實(shí)操預(yù)習(xí)內(nèi)容，可融入課堂教學(xué)作為引入或演示，也可以作為課后應(yīng)用拓展或進(jìn)一步開發(fā)成自主探究實(shí)驗(yàn)。例如，在《光柵衍射》實(shí)驗(yàn)中，課前設(shè)計(jì)讓學(xué)生尋找生活中常見(jiàn)物品實(shí)現(xiàn)衍射現(xiàn)象，課上可通過(guò)現(xiàn)象觀測(cè)和分析實(shí)現(xiàn)對(duì)原理深入理解，課后利用激光筆、光盤、手機(jī)等物品測(cè)量其細(xì)微結(jié)構(gòu)參數(shù)。這些居家實(shí)驗(yàn)方案讓實(shí)驗(yàn)教師意識(shí)到部分實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容可挪到實(shí)驗(yàn)室外，全部由學(xué)生自主完成，物理實(shí)驗(yàn)可以如此緊密地貼近生活實(shí)際，讓學(xué)生體會(huì)到學(xué)以致用的成就感。

（三）課堂教學(xué)組織和設(shè)計(jì)模式變革

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)讓實(shí)驗(yàn)教師看到實(shí)驗(yàn)教學(xué)多種可能性，也認(rèn)識(shí)到學(xué)生的潛在能力。相比之下原實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)顯得程式化較為嚴(yán)重、學(xué)生能力被低估。實(shí)驗(yàn)教師在線上方案啟示下可利用形式豐富的資源和手段，更大膽顛覆原課堂組織和設(shè)計(jì)模式。在教學(xué)中遵循以學(xué)生為中心的原則，給學(xué)生最大的自主性，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的自我構(gòu)建和能力的生成，從而推進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程的課堂革命。

五、結(jié)束語(yǔ)

疫情為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了挑戰(zhàn)與機(jī)遇。實(shí)驗(yàn)教師應(yīng)順勢(shì)而上、趁勢(shì)而為，積極思考、大膽探索開發(fā)出大量居家實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課線上開課。物理實(shí)驗(yàn)課程在疫情之下形成了一種“新常態(tài)”的教學(xué)，必將影響未來(lái)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和發(fā)展之路，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的變革。

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