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(shí)驗信息化教學(xué)體系的具體路徑，打造大學(xué)物理實(shí)驗線上線下、虛實(shí)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(shí)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(shí)驗課程是高等工科院校對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)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(shí)驗方法和實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)驗課程時間安排、實(shí)驗場所、實(shí)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(shí)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(shí)驗信息化教學(xué)體系的構(gòu)建與實(shí)踐，打造線上線下、虛實(shí)結(jié)合的多元混合式大學(xué)物理實(shí)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(shí)驗信息化教學(xué)體系的構(gòu)建

（一）大學(xué)物理實(shí)驗在線課程

大學(xué)物理實(shí)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(shí)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(shí)驗15次課。理論課按知識點(diǎn)制作了PPT，錄制了相應(yīng)的講課視頻，教學(xué)實(shí)驗制作了PPT、實(shí)驗原理講課視頻、實(shí)驗儀器介紹視頻、實(shí)驗操作視頻，如圖2所示。

PPT和講課視頻中融入實(shí)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(shí)“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(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)。

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(shí)驗項目的電子教材、實(shí)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(diǎn)，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(diǎn)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(shí)驗報告、進(jìn)行成績導(dǎo)出和統(tǒng)計。

（二）虛擬仿真實(shí)驗平臺

物理實(shí)驗教學(xué)離不開具體實(shí)驗儀器操作。常規(guī)實(shí)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(shí)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(shí)驗，尤其是一些高?；虿豢芍貜?fù)的實(shí)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(shí)驗平臺，將所開發(fā)的仿真實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)驗資源、實(shí)驗操作評價、實(shí)驗數(shù)據(jù)管理、實(shí)驗情況統(tǒng)計）、下載升級（系統(tǒng)版本升級）、仿真實(shí)驗（在線仿真實(shí)驗、在線互動討論等），將真實(shí)實(shí)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(shí)操作，掌握相關(guān)儀器的結(jié)構(gòu)、使用方法，觀察實(shí)驗現(xiàn)象并測量實(shí)驗數(shù)據(jù)，完成相關(guān)實(shí)驗操作內(nèi)容。每個仿真實(shí)驗的功能菜單如圖3所示。

正常情況下，虛擬仿真實(shí)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(shí)驗儀器、實(shí)驗操作、實(shí)驗現(xiàn)象等的理解，鍛煉學(xué)生操作和實(shí)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(shí)驗平臺和在線課程相結(jié)合，構(gòu)成完整的實(shí)驗教學(xué)閉環(huán)，進(jìn)行全課程的線上教學(xué)。隨著實(shí)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(shí)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(shí)結(jié)合的多元混合式大學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)新模式奠定基礎(chǔ)[9-11]。

（三）信息化教學(xué)評價

實(shí)驗教學(xué)活動是綜合性強(qiáng)的復(fù)雜活動。傳統(tǒng)實(shí)驗評價注重到課率、實(shí)驗報告評價等，而信息化教學(xué)能實(shí)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(diǎn)，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(shí)驗系統(tǒng)也可以自動記錄評價學(xué)生的實(shí)驗過程。以“快速電子動量與動能相對論關(guān)系仿真實(shí)驗”為例，系統(tǒng)自動考查實(shí)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(shí)驗學(xué)習(xí)、操作過程作為重要因素納入評價體系，實(shí)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(shí)驗報告，指導(dǎo)教師根據(jù)實(shí)驗報告中的實(shí)驗原理、測量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗結(jié)果分析等給出報告成績。

基于信息化教學(xué)特點(diǎn)的綜合評價體系如下：單個實(shí)驗滿分100分，評價由簽到、預(yù)習(xí)、課堂活動、實(shí)驗操作、實(shí)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(shí)驗，把所有實(shí)驗成績加起來取平均值，即得到大學(xué)物理實(shí)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(shí)驗操作過程、實(shí)驗報告等因素，實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)過程的綜合評價。

二、大學(xué)物理實(shí)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(yùn)用大學(xué)物理實(shí)驗信息化教學(xué)體系，將在線課程和遠(yuǎn)程仿真實(shí)驗相結(jié)合，實(shí)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(shí)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(shí)驗“近代物理實(shí)驗”的第三個實(shí)驗即“快速電子動量與動能相對論關(guān)系實(shí)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(shí)驗原理教學(xué)視頻、實(shí)驗儀器介紹視頻、實(shí)驗操作引導(dǎo)視頻等）進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。在學(xué)生對實(shí)驗有了大致了解后，教師利用在線課程PPT， 運(yùn)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(diǎn)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(shí)驗演示的時候，可以在虛擬仿真實(shí)驗平臺演示實(shí)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(shí)驗操作使用的在線課程和仿真實(shí)驗平臺都支持互動討論，仿真實(shí)驗平臺會就學(xué)生的操作過程自動給出客觀評價。實(shí)驗報告在在線課程中提交，一個實(shí)驗的成績由簽到、預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)、操作過程和實(shí)驗報告評分綜合得出，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗考核的過程性評價。在線課程和仿真實(shí)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(diǎn)登錄學(xué)習(xí)。圖4總結(jié)了信息化教學(xué)實(shí)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(shí)驗信息化教學(xué)體系完成了居家期間物理實(shí)驗的學(xué)習(xí)。教師利用“問題探究—實(shí)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(shí)驗在線課程和大學(xué)物理仿真實(shí)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(shí)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(shí)驗信息化教學(xué)體系在正常情況下，可作為實(shí)驗前在線預(yù)習(xí)、實(shí)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(shí)結(jié)合的多元混合式大學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)新模式。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：周侯辰］