大數(shù)據(jù)背景下的大學(xué)物理實驗教學(xué)改革

馬寧生，呂 軍，方 愷

(同濟(jì)大學(xué) 物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

大數(shù)據(jù)背景下的大學(xué)物理實驗教學(xué)改革

馬寧生，呂 軍，方 愷

(同濟(jì)大學(xué) 物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

在教育領(lǐng)域中的大數(shù)據(jù)研究正是當(dāng)前教育應(yīng)該積極面對的新課題. 由學(xué)生以不同方式學(xué)習(xí)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，比如移動學(xué)習(xí)和泛在學(xué)習(xí)， 通過挖掘這些大數(shù)據(jù)能有效地促進(jìn)教學(xué)和學(xué)習(xí). 物理實驗應(yīng)該對學(xué)習(xí)的過程和實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、儲存和使用，在教育大數(shù)據(jù)的背景下，結(jié)合物理實驗教學(xué)的特點，本文分析了國內(nèi)外目前對移動學(xué)習(xí)、泛在學(xué)習(xí)和教育大數(shù)據(jù)的研究成果. 具體分析和介紹了教育大數(shù)據(jù)的作用、數(shù)據(jù)挖掘的方法、教學(xué)改革的內(nèi)容與方法和評價的內(nèi)容和方法.

大數(shù)據(jù)；數(shù)字化教學(xué)；大學(xué)物理實驗；微課程；增強現(xiàn)實技術(shù)；移動學(xué)習(xí)；泛在學(xué)習(xí)

1 教育大數(shù)據(jù)促進(jìn)個性化的自適應(yīng)學(xué)習(xí)

中國教育和科研網(wǎng)的推出是中國高校信息化建設(shè)的開始[1]，中國高校的信息化之路經(jīng)歷了25年. 隨著教育信息化的深入，教育類型和生成的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了預(yù)期的教育信息化，教育已經(jīng)進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時代. 如何挖掘和使用這些積累的數(shù)據(jù)是我們應(yīng)該面對的一個重要課題. 2015年2月中國教育部辦公廳發(fā)布的“2015年教育信息化的重點” 指出：促進(jìn)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序，監(jiān)控、評估、預(yù)測、預(yù)警是提供科學(xué)決策和宏觀管理的基礎(chǔ). 研究和制定有關(guān)教育數(shù)據(jù)管理和使用辦法，規(guī)范規(guī)劃、獲取、分享和使用教育數(shù)據(jù)[2]. 教育大數(shù)據(jù)已成為教育信息化的一個重要組成部分，教育大數(shù)據(jù)將滲透到所有的教育方面. 教育大數(shù)據(jù)的意義不僅僅是對教育管理和決策的幫助，更重要的是促進(jìn)教學(xué)和學(xué)習(xí). 2012年10月美國教育部發(fā)布“通過數(shù)據(jù)挖掘和學(xué)習(xí)分析加強教學(xué)和學(xué)習(xí)—— 簡單的一個問題”指出：通過教育數(shù)據(jù)挖掘、學(xué)習(xí)分析和可視化數(shù)據(jù)分析提高個性化的自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，實現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)[3].

大學(xué)物理實驗不僅是本科學(xué)生在科學(xué)和工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是實驗知識、培養(yǎng)操作技能和提高整體質(zhì)量的重要課程，同時也是實驗技能訓(xùn)練的開始. 現(xiàn)代教育理論提倡以學(xué)生為中心，強調(diào)學(xué)生的主體性，滿足學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)，這就要求教師改變傳統(tǒng)的課程組織和教學(xué)模式. 在符合現(xiàn)代教育理念的要求和實現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)中，教育大數(shù)據(jù)具有不可替代的優(yōu)勢，所以如何挖掘教育大數(shù)據(jù)將成為現(xiàn)代教育的重要技術(shù)基礎(chǔ).

2 大學(xué)物理實驗課程的數(shù)字化

大學(xué)物理實驗課程的數(shù)字化建設(shè)應(yīng)該滿足學(xué)生的個性化的自適應(yīng)學(xué)習(xí)，提供數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和學(xué)習(xí)分析[4]. 它應(yīng)該體現(xiàn)在幾個方面：學(xué)生的基本信息數(shù)字化、學(xué)習(xí)內(nèi)容和過程的數(shù)字化和實驗報告的數(shù)字化. 通過建設(shè)數(shù)字化的大學(xué)物理實驗，使每個學(xué)生都可以從中獲得有效數(shù)據(jù). 這些數(shù)據(jù)可用于建立數(shù)學(xué)模型，通過對數(shù)學(xué)模型和每個學(xué)生的數(shù)據(jù)比對，可以預(yù)測和評估學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展和學(xué)習(xí)效果.

2.1 學(xué)生基本信息的數(shù)字化

學(xué)生的基本信息可以用來分析學(xué)生特點，包括智力和非智力因素. 智力因素指個體認(rèn)知發(fā)展的一般特征如知識水平、認(rèn)知特點、認(rèn)知結(jié)構(gòu)等，非智力因素指興趣、動機(jī)、情感、態(tài)度、焦慮、意志、人格和文化和宗教背景[5]. 通過學(xué)生的在線學(xué)習(xí)平臺上注冊、問卷和前測試，可以獲得基本信息. 信息采集是數(shù)字化的先決條件，數(shù)字化的關(guān)鍵是使用教育學(xué)和心理學(xué)的基本原理以及數(shù)據(jù)挖掘工具對每個學(xué)生建立了基本模型. 學(xué)生利用模型在選擇物理實驗、預(yù)測知識和心理困難時獲得幫助.

2.2 實驗學(xué)習(xí)內(nèi)容和過程的數(shù)字化

學(xué)生的基本信息可以幫助教師了解學(xué)生在實驗前的基本情況，但它不完全預(yù)測會發(fā)生的具體學(xué)習(xí)過程. 實驗學(xué)習(xí)過程的生成、學(xué)生的智力和非智力因素是不斷變化的. 因此根據(jù)學(xué)習(xí)過程中生成的數(shù)據(jù)， 數(shù)字化模型應(yīng)該是不斷調(diào)整. 要獲得這些數(shù)據(jù)，學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)內(nèi)容和過程必須數(shù)字化.

實驗內(nèi)容的數(shù)字化要求教師在電子學(xué)習(xí)平臺提供豐富的學(xué)習(xí)資源，如微講座、虛擬實驗等. 這些資源用在不同的實驗學(xué)習(xí)階段將拓寬學(xué)生的選擇. 同時，學(xué)生學(xué)習(xí)過程的細(xì)節(jié)，如學(xué)習(xí)的時間、鼠標(biāo)點擊的數(shù)量、評論的內(nèi)容和錯誤的類型，將記錄在電子學(xué)習(xí)平臺上，實驗的數(shù)字化學(xué)習(xí)過程不僅要記錄過程，還與數(shù)字化建設(shè)的實驗儀器有關(guān). 實驗儀器的數(shù)字化顯示實驗結(jié)果和記錄學(xué)生的操作的過程，它的重要意義在于學(xué)生能夠分析自己實驗過程中的優(yōu)點和缺點，記錄完整的實驗操作過程對教師全面分析學(xué)生是至關(guān)重要的.

2.3 數(shù)字化的實驗報告

實驗報告是大學(xué)物理實驗教學(xué)中的重要組成部分. 提高學(xué)生的實驗報告質(zhì)量，建立科學(xué)的評分機(jī)制，將有效地促進(jìn)高校物理實驗教學(xué)的改革[6]. 傳統(tǒng)的實驗報告有一定的缺點，如內(nèi)容和形式的更新速度緩慢，不同專業(yè)背景的學(xué)生要求相同的實驗報告格式. 而數(shù)字化的實驗報告具有以下優(yōu)點:

1)教師可以根據(jù)不同學(xué)生的學(xué)科特點和每個學(xué)生的能力，推動個性化實驗報告.

2)由于數(shù)字化實驗報告記錄了操作過程和實驗數(shù)據(jù)，它反映了學(xué)生的真實實驗過程.

3) 教師很容易糾正數(shù)字化的實驗報告，在數(shù)字實驗報告中的一些問題也可以通過系統(tǒng)的固定答案加以糾正.

4)數(shù)字化的實驗報告可以方便地保存和分析評價學(xué)生客觀物理實驗，建立數(shù)學(xué)模型.

3 物理實驗教學(xué)改革

使用教育大數(shù)據(jù)的目標(biāo)在于大學(xué)物理實驗教學(xué)的數(shù)字化，而更重要的意義是深化大學(xué)物理實驗改革. 這就需在改革的背景下，教師研究如何在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)模式中使用大數(shù)據(jù).

3.1 教學(xué)內(nèi)容

大學(xué)物理實驗通常是圍繞特定的實驗，教學(xué)內(nèi)容基于物理實驗教材和實驗操作的指導(dǎo). 在大數(shù)據(jù)時代，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該以內(nèi)容的數(shù)字化來適應(yīng)學(xué)生的個性化學(xué)習(xí). 首先，提供豐富的數(shù)字化教學(xué)資源. 學(xué)習(xí)類型可以分為3個類別：視覺學(xué)習(xí)者、聽覺學(xué)習(xí)者和觸覺學(xué)習(xí)者. 提供豐富的學(xué)習(xí)資源可以滿足不同類型的學(xué)生，使他們可以根據(jù)自己的需要選擇合適的教學(xué)資源. 所以電子學(xué)習(xí)平臺應(yīng)提供視頻、音頻和虛擬實驗，這些資源可以用于學(xué)生的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí). 其次，提供關(guān)于數(shù)字實驗儀器操作的教學(xué)內(nèi)容. 許多傳統(tǒng)物理實驗儀器是非數(shù)字化的，盡管通過一些手段使之?dāng)?shù)字化，但數(shù)字化水平無法滿足大數(shù)據(jù)的要求. 當(dāng)實驗儀器數(shù)字化后，實驗操作步驟可能會改變. 因此，針對新的實驗方法和儀器要重新設(shè)計教學(xué)內(nèi)容. 多樣化和數(shù)字化教學(xué)內(nèi)容對打破以學(xué)科為中心和建立以學(xué)生為中心的教學(xué)有著重要的意義.

3.2 教學(xué)方法

大學(xué)物理實驗教學(xué)一般分為2個階段：理論教學(xué)和實驗操作指導(dǎo). 微課程能夠有效地提高知識的傳播效率，但不能滿足個性化的需求. 在實驗操作的指導(dǎo)過程中，主要采用示范法和有限的個別咨詢法，這些教學(xué)方法可以幫助學(xué)生完成實驗操作，但不利于學(xué)生理解和構(gòu)建實驗知識. 同時，實驗理論教學(xué)有時與實驗操作分開，所以當(dāng)學(xué)生做實驗時，他們可能不記得實驗的理論.

基于教育大數(shù)據(jù)上的大學(xué)物理實驗教學(xué)能夠改變這種教學(xué)方法. 首先，教師根據(jù)來自于學(xué)生基本信息的大數(shù)據(jù)分析安排實驗計劃. 根據(jù)實驗和學(xué)生的特點，教師下達(dá)具有多種教學(xué)方法的實驗教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生將完全接受或部分接受教學(xué)內(nèi)容. 其次，實驗電子學(xué)習(xí)平臺提供豐富的數(shù)字化教學(xué)資源，學(xué)生可以利用課外時間學(xué)習(xí)實驗理論，而理論學(xué)習(xí)可以重復(fù)，不受時間和空間的限制. 如果學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到問題，他們可以直接檢索和提問，這些問題和答案將被記錄在數(shù)據(jù)庫中，方便其他學(xué)生進(jìn)行檢索. 在特定的實驗中，學(xué)生可以分為不同組進(jìn)行實驗操作，同一組的學(xué)生可能有相似的知識水平、能力和問題. 通過教育大數(shù)據(jù)分析，教師能夠更有針對性地指導(dǎo)學(xué)生實驗操作并促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建自己的理解.

3.3 探索新的教學(xué)模式

在教育大數(shù)據(jù)時代，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上將發(fā)生一些根本性的變化. 為了充分發(fā)揮這些變化的優(yōu)勢，教師要為每個特定的物理實驗探索新的教學(xué)模式. 這些新的教學(xué)模式應(yīng)該充分發(fā)揮數(shù)據(jù)挖掘和學(xué)習(xí)的功能分析.

首先，通過數(shù)據(jù)挖掘，了解學(xué)生的基本情況后，可以給學(xué)生安排個性化實驗項目.

其次， 通過學(xué)習(xí)分析，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和行為，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)中的困難，有針對性地指導(dǎo)使學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí).

第三，學(xué)生使用電子學(xué)習(xí)平臺上豐富的教學(xué)資源學(xué)習(xí)實驗理論和理解實驗操作的步驟. 教師根據(jù)電子學(xué)習(xí)平臺反映的情況組織課堂教學(xué).

最后，用教育大數(shù)據(jù)來記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，獲得學(xué)生的形成性評價，幫助學(xué)生提高實驗學(xué)習(xí)技能. 各種教學(xué)模式基于具體的教學(xué)背景和教育價值，教學(xué)模式的有效實施會受到許多因素的制約，如教學(xué)環(huán)境和教學(xué)目標(biāo).

4 學(xué)習(xí)物理實驗方法的改革

大學(xué)物理實驗改革的重點是建立以學(xué)生為中心的教學(xué)模式. 因此，大學(xué)物理實驗改革應(yīng)滿足學(xué)生的個性化實驗學(xué)習(xí)需要，應(yīng)將信息技術(shù)引入到實驗學(xué)習(xí)過程中，并幫助學(xué)生構(gòu)建大學(xué)物理實驗的認(rèn)知. 信息技術(shù)的快速發(fā)展使得移動學(xué)習(xí)和泛在學(xué)習(xí)成為可能，使非正式學(xué)習(xí)進(jìn)入現(xiàn)實生活. 大學(xué)物理實驗改革應(yīng)借鑒這些學(xué)習(xí)方法.

4.1 個性化的物理實驗

個性化學(xué)習(xí)強調(diào)學(xué)習(xí)過程應(yīng)該符合學(xué)生的個性和發(fā)展?jié)摿?，采取適當(dāng)?shù)氖侄?、方法、?nèi)容和評價， 自由、和諧地促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展. 結(jié)合教育學(xué)和心理學(xué)，針對學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，教育大數(shù)據(jù)可以建立數(shù)學(xué)化模型用于分析學(xué)生的個性和發(fā)展?jié)摿? 與此同時，這些數(shù)學(xué)化模型與數(shù)據(jù)將變得更加富有變化，學(xué)生可以選擇不同的數(shù)學(xué)化模型進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而完成個性化學(xué)習(xí).

個性化包括實驗項目和實驗內(nèi)容. 實驗項目主要指系統(tǒng)可以把適當(dāng)?shù)膶嶒烅椖拷o與學(xué)生，學(xué)生可以修改項目. 通過這種方式，兼顧了教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生的實際需求. 實驗內(nèi)容主要是指通過使用大數(shù)據(jù)分析實驗項目、進(jìn)展和認(rèn)知特點，然后根據(jù)分析結(jié)果為學(xué)生提供實驗學(xué)習(xí)內(nèi)容. 必要時，教師還可以組織學(xué)生進(jìn)行面對面的輔導(dǎo). 個性化實驗內(nèi)容還可以包括預(yù)測學(xué)生的學(xué)習(xí)潛力.

4.2 物理實驗中的混合式學(xué)習(xí)

Singh & Reed提出，混合學(xué)習(xí)是“在合適的時間內(nèi)，利用合適的學(xué)習(xí)技術(shù)通過合適的學(xué)習(xí)方式，以合適的傳遞方式使合適的學(xué)習(xí)者獲得最佳的學(xué)習(xí)效果”. 傳統(tǒng)的物理實驗學(xué)習(xí)主要是基于物理實驗教材和課堂教學(xué). 以這種方式學(xué)習(xí)，效率相對較低，不能滿足所有學(xué)生的需求. 針對物理實驗的混合學(xué)習(xí)涉及到許多方面：

1)課本學(xué)習(xí)和多媒體學(xué)習(xí)資源的混合.

2)正式的課堂學(xué)習(xí)和非正式泛在學(xué)習(xí)的混合.

3)線下交流和在線交流的混合. 這種混合不是隨意和混亂的，它應(yīng)該滿足上述5個“合適”.

物理實驗教材仍然是主要的學(xué)習(xí)資源，它擁有完整的知識和邏輯系統(tǒng)，可以幫助學(xué)生構(gòu)建學(xué)科. 多媒體資源具有豐富的表達(dá)形式，有利于學(xué)生理解專業(yè)知識. 物理實驗的理論可以用泛在學(xué)習(xí)方式完成. 在實驗中學(xué)習(xí)過程包括儀器和人之間的互動和人際互動. 在線交流是真實交流的擴(kuò)展，它可以擴(kuò)大交流的時間和空間并在必要時使學(xué)生獲得幫助. 泛在學(xué)習(xí)和在線通訊產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，通過分析這些數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)下一輪的實驗學(xué)習(xí)，可以安排課堂學(xué)習(xí)和線下溝通.

5 物理實驗評價方法改革

教學(xué)評價是大學(xué)物理實驗教學(xué)的重要環(huán)節(jié). 總結(jié)性評價可用于檢查學(xué)生的實際能力，診斷性評價和形成性評價可以用來發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的問題并反饋給教師. 評價是教與學(xué)過程中的基本內(nèi)容，各種評價并非彼此排斥，它們是相互聯(lián)系和相互滲透的. 這是因為任何一種工作都是連續(xù)的，階段的劃分也是相對的. 無論是形成性評價或是終結(jié)性評價都帶有診斷的性質(zhì). 在實際的實驗教學(xué)中，對物理實驗教學(xué)評價包括實驗預(yù)習(xí)、觀察學(xué)生的實驗操作過程和實驗練習(xí). 這種評估過程是粗糙的，效果有限. 教育的大數(shù)據(jù)可改變這一狀況，它能完整地記錄學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)過程，可以了解學(xué)生的更多細(xì)節(jié)，通過分析整個物理實驗學(xué)習(xí)過程，可以客觀地反映學(xué)生的實際水平.

5.1 總結(jié)性評價

總結(jié)性評價一般是在教學(xué)活動告一段落后，為了解教學(xué)活動的最終效果而進(jìn)行的評價. 其目的是檢驗學(xué)生的學(xué)業(yè)是否最終達(dá)到了該學(xué)科的教學(xué)目標(biāo)[6]. 總結(jié)性評價重視結(jié)果，借以對被評價者做出全面鑒定，區(qū)分出等級并對整個教學(xué)活動的效果做出評定.

總結(jié)性評價是以預(yù)先設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)為基準(zhǔn)，對評價對象達(dá)成目標(biāo)的程度，即教學(xué)效果做出評價. 總結(jié)性評價注重考察學(xué)生掌握某門學(xué)科的整體程度，概括水平較高、測驗內(nèi)容范圍較廣，常在學(xué)期中或?qū)W期末進(jìn)行，次數(shù)較少[7]. 由于實驗課程是由大量的單獨實驗構(gòu)成，學(xué)習(xí)平臺所獲得的實驗前測、中測和后測的信息是構(gòu)成教育大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，方便為每個學(xué)生進(jìn)行總結(jié)性評價.

5.2 診斷性評價

診斷性評價是指在教學(xué)活動開始后對評價對象的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備程度做出鑒定，以便采取相應(yīng)措施使教學(xué)計劃順利、有效實施而進(jìn)行的測定性評價. 評價的目的是設(shè)計出可以滿足不同起點水平和不同學(xué)習(xí)風(fēng)格的學(xué)生所需的教學(xué)方案，并分別將學(xué)生置于最有益的教學(xué)程序中.

通過前測，教育大數(shù)據(jù)可以幫助學(xué)生獲得診斷性評價，引導(dǎo)學(xué)生選擇合適的實驗. 在預(yù)習(xí)過程中，系統(tǒng)記錄了學(xué)生的學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)情況. 學(xué)生在物理實驗操作過程中，數(shù)字化實驗儀器記錄了學(xué)生的實驗過程和實驗數(shù)據(jù). 實驗結(jié)束后，為了鞏固實驗，學(xué)生獲得由大數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供的實驗報告. 在教育大數(shù)據(jù)的背景下，整個物理實驗學(xué)習(xí)過程是自我量化的過程. 通過收集信息，使用嚴(yán)格的和詳細(xì)的邏輯推理，大數(shù)據(jù)客觀地展示了學(xué)生的完整圖像. 通過診斷性評價完成學(xué)生的學(xué)習(xí)過程評價.

5.3 個性化的評價

由于學(xué)生有不同的知識背景、實驗要求及問題，這些因素就要求我們對不同的學(xué)生采取不同的評價方法. 大學(xué)物理實驗課程有許多特定的物理實驗，所以同樣的評價標(biāo)準(zhǔn)不能對所有學(xué)生的物理實驗評價. 基于背景和學(xué)習(xí)資源的評價，不僅能區(qū)分學(xué)生在特定實驗中的認(rèn)知能力，也能幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并且獲得提高.

在教育大數(shù)據(jù)的背景下可以進(jìn)行個性化評價. 電子學(xué)習(xí)平臺可以用來記錄每個學(xué)生的多種信息，包括學(xué)生的背景信息、實驗要求、實驗操作過程和實驗學(xué)習(xí)過程. 這些信息構(gòu)成的教育大數(shù)據(jù)可以作為我們對不同的學(xué)生制定出不同的評估內(nèi)容，學(xué)生能及時獲得反饋，這種反饋不僅僅是簡單的正確與錯誤，而是為每一個學(xué)生制定下一個學(xué)習(xí)計劃和提供建議.

6 大學(xué)物理實驗課程的數(shù)字化建設(shè)

大學(xué)物理實驗課程的數(shù)字化建設(shè)是一項長期的、繁瑣的建設(shè)，包括大量的教學(xué)資源建設(shè)，還要利用現(xiàn)代信息技術(shù)整合各種用途的操作平臺和信息平臺，完成確定的教學(xué)目標(biāo). 在長期的探索和研究中，逐步進(jìn)行以下幾個方面的數(shù)字化建設(shè).

6.1 數(shù)字化的教材建設(shè)

在專業(yè)光學(xué)實驗中，學(xué)習(xí)者可通過掃描教材中的二維碼即可在手機(jī)上展示該實驗的實驗內(nèi)容、實驗方法和視頻影像. 它將改變現(xiàn)有的物理實驗教學(xué)模式和學(xué)習(xí)方法，為物理實驗的教學(xué)改革提供了有效途徑.

6.2 物理實驗微課建設(shè)

逐步開發(fā)了與實驗課程配套的6門實驗微課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)，包括“普通物理實驗”、“物理現(xiàn)象探索”、“近代物理實驗”、“光電信息實驗”、“聲學(xué)實驗”、“固體物理實驗”. 該系統(tǒng)運用智能手機(jī)第三方應(yīng)用程序(Web App)實現(xiàn)教育信息化的教學(xué)理念[7]. 在“普通物理實驗”的微課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)中進(jìn)行了移動學(xué)習(xí)(M-learning)教學(xué)平臺的開發(fā)，學(xué)生注冊后可進(jìn)行實驗的在線測試(圖1)和學(xué)習(xí)(圖2)，測試后的結(jié)果在學(xué)生答題提交之后反饋給學(xué)生并獲得實驗預(yù)習(xí)分?jǐn)?shù)，在教師端可查看學(xué)生的答題情況、學(xué)生筆記中的各類問題和學(xué)生觀看微課程的統(tǒng)計信息. 通過后臺的數(shù)據(jù)分析，教師能夠更有針對性地指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行物理實驗.

圖1 實驗微課程測試系統(tǒng)

圖2 實驗微課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)

6.3 虛擬實驗的建設(shè)

利用增強現(xiàn)實技術(shù)(Augmented Reality，AR)指把原本在現(xiàn)實世界的一定范圍內(nèi)很難體驗到的信息,通過模擬仿真后再疊加到現(xiàn)實世界被人類感官所感知,從而達(dá)到真實世界和虛擬世界的融合. 隨著智能手機(jī)設(shè)備的硬件和計算能力增強,增強現(xiàn)實技術(shù)能夠在移動設(shè)備端實現(xiàn),為物理虛擬實驗的實現(xiàn)方式提供新的機(jī)遇(見圖3)[8].

圖3 AR虛擬實驗

6.4 網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實驗的建設(shè)

以網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)為基礎(chǔ)的實用型平臺建設(shè)為學(xué)生營造真實、有趣的實驗學(xué)習(xí)環(huán)境，同時為實驗設(shè)備的共享提供了新途徑，能夠最大限度地實現(xiàn)實驗室開放，學(xué)生可以在任何地點、任何時間進(jìn)行物理實驗活動，同時提供了一種全新的教學(xué)方法和學(xué)習(xí)途徑，既豐富了實驗課程內(nèi)容又具備很強的實用價值，這不僅是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的拓展，同時也是對物理實驗教學(xué)模式改革進(jìn)行有益的探索. 近年來我們已研制了熱聲效應(yīng)、金屬絲楊氏模量測量、交流放大電路測試等遠(yuǎn)程實驗，部分內(nèi)容已在教學(xué)中試運行[9].

6.5 實驗儀器數(shù)字化建設(shè)

針對有些實驗數(shù)據(jù)量多且無法用筆錄進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，可利用數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)，對實驗儀器進(jìn)行數(shù)字化改造，當(dāng)學(xué)生調(diào)整好儀器和選擇好參量后，學(xué)生在做實驗時所獲得的數(shù)據(jù)會即時傳到教師的監(jiān)測平臺上，教師一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤會立刻提醒學(xué)生，要求學(xué)生停止實驗重新調(diào)整實驗儀器或修正參量. 學(xué)生實驗完成后在網(wǎng)絡(luò)平臺上下載各自的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，獲得實驗結(jié)果. 教師也可以在網(wǎng)絡(luò)平臺上檢查每個學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)，通過比對可發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實驗中的各種問題. 通過多年的探索和研究，我們完成了波爾共振儀[10]、氣體比熱容比實驗儀[11]數(shù)字化實驗儀器的研制.

7 結(jié)束語

教育大數(shù)據(jù)有巨大的應(yīng)用前景，它正在改變我們的生活方式，教育大數(shù)據(jù)也將改變教育，改革必須符合現(xiàn)代教育理念，應(yīng)該及時建立大學(xué)物理實驗大數(shù)據(jù)庫、數(shù)字化實驗儀器和電子學(xué)習(xí)平臺. 在教育大數(shù)據(jù)的背景下，通過數(shù)據(jù)挖掘和分析進(jìn)行以學(xué)生為中心的教學(xué)改革.

[1] 祝智庭. 中國教育信息化十年[J]. 中國電化教育，2011(1):20-25.

[2] 2015年教育信息化工作要點[EB/OL]. http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3342/201503/184892.html. 2015-2-12

[3] U.S Department of Education. Enhancing Teaching and Learning Through Educational Data Mining and Learning Analytics: An Issue Brief[EB/OL]. http://www.ed.gov/edblogs/technology /files/2012/03/edm-la-brief.pdf. 2015-05-10.

[4] 劉軍山，邢紅宏，蘇學(xué)軍，等. 以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向改革大學(xué)物理實驗教學(xué)[J]. 實驗技術(shù)與管理,2014,31(4):189-191.

[5] 何克抗. 教育技術(shù)[M]. 北京：北京師范大學(xué)出版，2009.

[6] 管亮. 從拘一守舊走向多元創(chuàng)新——大學(xué)物理實驗報告改革研究綜述[J]. 高校實驗室工作研究,2011,3(1): 88-91.

[7] 胡中鋒. 教育評價學(xué)[M]. 北京：中國人民大學(xué)出版社，2013.

[8] 田中耕治. 教育評價[M]. 高峽，等譯. 北京：北京師范大學(xué)出版社,2011.

[9] 肖曄,馬寧生 . 遠(yuǎn)程物理實驗控制平臺的設(shè)計與開發(fā)[J]. 物理實驗,2006,26(12):20-22.

[10] 方愷,陳銘南. 智能型波爾共振儀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 實驗室研究與探索,2006,25(7):771-772.

[11] 何雨華,方愷,陳銘南,等. 智能型氣體比熱容比測定實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計[J]. 實驗室研究與探索,2008,27(11):37-40.

[責(zé)任編輯：郭 偉]

Reforming college physics experiment teaching based on educational big data

(School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

The research of big data in the field of education was a positive response to the era of big data. Mining the big data, which was produced by students who learn in ways like mobile learning (M-learning) and ubiquitous learning (U-learning), could effectively promote teaching reform. So, in physics experiment learning process, the big data about the process and results of experiment should be recorded, mined and used. To study college physics experiment instruction in the context of educational big data, the present research results about M-learning, U-learning and educational big data, combined with the characteristics of physics experiment teaching and learning were analyzed.

big data; digital teaching; college physics experiment; micro course; augmented reality technology; mobile learning; ubiquitous learning

2016-05-21；修改日期：2016-08-10

教育部高等學(xué)校教學(xué)研究項目(No.DWJZW201431hd)；2016年上海高校實驗物理教學(xué)研究會項目(No.01-201601-47)；2015-2016教育部工科大學(xué)物理教學(xué)基地項目

馬寧生(1960-)，男，湖北沔陽人，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院副教授，碩士，研究方向為教育技術(shù)學(xué).

G642.423；O4-39

B

1005-4642(2016)12-0026-05

“第9屆全國高等學(xué)校物理實驗教學(xué)研討會”論文