現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術在大學物理實驗教學中的應用研究

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摘要：本論文方案以MOOCs教學模式、VR虛擬現(xiàn)實技術為代表的現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術與傳統(tǒng)教學相融合，實現(xiàn)了一種新的教學模式，突破傳統(tǒng)的學生物理實驗的培養(yǎng)模式與方法，促進物理實驗教學的重心轉移，收到了良好效果，從而充分發(fā)揮了物理實驗的教學意義。

關鍵詞：大學物理實驗課程；互聯(lián)網(wǎng)；教學改革；創(chuàng)新能力培養(yǎng)

一、大學物理實驗教學存在的問題

從本質上來講，物理學是一門實驗科學。作為科學實驗的先驅，物理實驗所反應出的問題，也是很多科學實驗能反應的共性問題。作為一門基礎性實驗課程，大學物理實驗由于其實驗原理、操作、結果討論的多樣性，在培養(yǎng)學生的科研能力，面對問題找到方法解決以及勤奮的精神具有突出作用，這也是其他課程所不具備的。在大多數(shù)的中國高校中，大學物理都是在低年級階段必修的最重要的基礎課程。而物理學中的很多定理、公式，則需要大學物理實驗來將理論與實際結合起來。在完成實驗課程的過程中，學生得到的科研能力以及意志品質的培養(yǎng)對其成長有很大作用?？茖W技術的發(fā)展以及社會對創(chuàng)新型人才的大量需求，要求大學物理實驗教學也要與時俱進地改革創(chuàng)新。

面對時代與社會的需要，近年來，很多高校針對大學物理實驗課程進行了全方位、多方面、多視角的改革。然而，由于主觀及客觀多方面原因，現(xiàn)在各高校所進行的大學物理實驗教學無論從課程設置、教學模式以及很多方面還存在一定問題，帶來的最顯著影響就是制約了大學物理實驗，這門本應在培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力方面表現(xiàn)突出的課程發(fā)揮重要作用。經(jīng)過作者對幾所不同層次高校物理課程設置的調查，一般大學物理實驗課程的教學主要集中在以下步驟：課前預習、實驗報告、具體操作、數(shù)據(jù)處理、評分成績。而其中的問題也主要表現(xiàn)在：從實驗教學內容上看，相對較落后，早已跟不上科學高速發(fā)展的今天的要求；而從實驗教學手段來說，形式相對單一、現(xiàn)代化教學技術應用不足，很多儀器及課件都購買于上世紀80年代。以上這些具體的問題，也直接反映出了大學物理教學方案及內容設置的問題，作為整體課程來說基礎性實驗題目過多，這類實驗大多是一些驗證性工作，而與物理學專業(yè)相關的比較偏于應用性的實驗以及創(chuàng)新性實驗和研究性實驗不足，而這類實驗往往非常有利于激發(fā)學生的創(chuàng)新意識。由于現(xiàn)在學生大多數(shù)已成長在互聯(lián)網(wǎng)時代，對于他們學習興趣的激發(fā)，依靠過去的實驗內容、實驗儀器及教學模式難度很大，與實際更為貼合的創(chuàng)新性實驗題目的缺失也是一個很大的問題。學生本應該是教學的主體，整個教育工作應該圍繞學生展開，但現(xiàn)在教學工作中，整個教學過程基本以教師為主，學生反倒處于被動的從屬地位，只能在教師的指導下，完成實驗，按部就班地依照實驗步驟，盲目地操作，因此在教學工作中始終缺乏獨立思考的空間，更無法與教師完成必要的互動及展開相關學術交流。物理學教育作為培養(yǎng)學生科研能力、創(chuàng)新能力的主要方式，因為以上缺失，在功能及作用上大打折扣，學生更在整個實驗過程中產(chǎn)生依賴性、懶惰型、盲目性。實驗課程結束后，學生成績考核方式有待商榷。以核物理實驗為例，由于每個實驗項目人數(shù)較多（15～20人），其中多數(shù)題目4人為一組進行實驗，在實驗課程中教師無法了解每位學生的實驗操作情況，因此，實驗數(shù)據(jù)、實驗報告便成了成績評定的重要參考，這種方式往往不是客觀評定學生在實驗過程中表現(xiàn)優(yōu)劣的好方法。

綜合來說，從內容、方式、評定來著手對傳統(tǒng)教學模式來進行改革，借以提高大學物理實驗教學質量，從而完成對學生的學習積極性的激發(fā)及創(chuàng)造性的培養(yǎng)，是目前新時期高校物理實驗教學面臨的新問題。

二、大學物理實驗教學改革方案

該方案將以MOOCs教學模式、VR虛擬現(xiàn)實技術為代表的現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術與傳統(tǒng)教學相融合，實現(xiàn)了一種新的教學模式，即“教學視頻.自主學習.教師面授”。MOOCs，英文全稱為Massive Open On.line Course，可解釋為大規(guī)模開放在線課程，最初為一種簡單的教育資源的開放形式，逐漸發(fā)展為面對社會的一種免費的、開放式的網(wǎng)絡課程。近兩年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術及移動終端的普及，在以年輕人為主體的高校中，受到廣泛的關注與普及。MOOCs是對傳統(tǒng)高等教育的一次挑戰(zhàn)，但也是對教育模式注入一種新的思維，這是高等教育模式的一種進步與完善，作為高等教育改革發(fā)展的前沿與先鋒，學習從被動枯燥的行為變成自發(fā)行動，并充滿了個性化，在教育資源傳播方面的扁平化傳播也是高等教育面臨新的問題。通過VR技術，虛擬物理實驗得以實現(xiàn)，在虛擬環(huán)境下，為了解決現(xiàn)實實驗教學中難以解決的問題，通過現(xiàn)代技術，模擬物理實驗場景，并充分發(fā)揮VR技術在物理實驗教學中體現(xiàn)出的優(yōu)勢。但是現(xiàn)今，VR技術還只能比較淺層地應用于教育領域，正因如此，更為深入研究VR技術與大學物理實驗結合的新教學模式具有很大的研究價值與廣泛的研究意義。

吉林大學核物理實驗室涵蓋了核譜學、核探測器、核電子學、核技術應用、低本底測量、氡氣測量、相對論效應實驗平臺、蒙特卡洛模擬、工業(yè)CT、穆斯堡爾譜、中子技術等實驗平臺等儀器設備。目前，任課教師在在校碩士研究生的配合下，已完成了康普頓散射等5個本科生核物理實驗、y射線吸收等6個碩士研究生核物理實驗的操作視頻錄制及后期制作。

基于現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術教學模型有如下特點。

在課堂時間之前，學生自主學習、通過觀看實驗理論知識講解與實驗演示視頻，利用相對“碎片化”的時間完成預習，進而觀看實驗原理和操作部分的視頻。教師與學生進行師生交流與生生交流均可通過網(wǎng)絡平臺完成，這是通過知識傳授的新方式，對學生的自主學習能力最大化地培養(yǎng)與激發(fā)。

課堂時間內，老師只進行簡短的實驗原理講解以及操作部分的演示，大部分時間進行答疑解惑，這種“一對一”的指導，本質是對學生完成實驗的一種協(xié)助，是對學生面對問題解決問題的能力的培養(yǎng)。同學與老師探討互動，深化對物理原理、實驗設計方法等內容的理解，從而完成知識的內化過程。由于課堂時間的限制，原本屬于教師講授的時間減少，而教師與學生交流時間大大增加。作為基本教學內容，由傳統(tǒng)模式下的課堂教學變成課前預習交流，課堂上，更多的時間與精力來進行師生就物理問題的探討，這種模式更有利于學生對知識的理解。

課后，網(wǎng)絡平臺也會提供一些有關實驗的相關知識點的視頻供學生觀看，完成知識的進一步深化，課堂最后，教師也會預留一些難度更深的問題，有興趣的同學研究后，可以通過互聯(lián)網(wǎng)方式進行交流與分享。課后的進一步深化對增強學生興趣及鍛煉學生獨立思考能力發(fā)揮了很大作用。這種新的物理實驗教學改革方案在核物理實驗室所承擔的教學課程上進行了試驗，從學科推廣、教學效果、成績反饋等方面，均收到很好的回應。

考慮到學生對知識點的接受，所制作的教學視頻時間一般控制在3～5min，以短且包含內容精簡為特點，每一個知識點都有相對應的一段教學視頻，為了便于學生有選擇地觀看和重復觀看，對視頻題目、內容進行了重點標注。由于物理學科的特殊性，需要理論聯(lián)系實際結合現(xiàn)象。因此，所制作的教學視頻不但是一種難得的學習資源，也可以有效加深學生對問題的理解。教師在視頻拍攝、制作過程中要本著創(chuàng)新性、教育性、客觀性、完整性、可看性的原則。此外，視頻制作的核心也是為課程以下特點服務：學生為教學工作的中心；實驗設計注重物理內容的表達，過程盡量規(guī)范化；實驗設計時，盡量將原理知識進行切分，做到一個視頻配合講解一個知識點；盡量使用啟發(fā)性語言，少做結論性驗證。下面以康普頓散射實驗為例，詳述視頻制作內容以及制作重點，見表1。

康普頓散射實驗目的是學會康普頓散射效應的測量技術與驗證康普頓散射的能量和微分截面隨散射角變化關系。首先，將教學內容分成實驗原理與應用、實驗儀器介紹、實驗操作步驟三大部分。由于教學側重不同，每段視頻制作時的著手點也不同。如在“實驗儀器介紹”的視頻中，先對設備進行全景展示，然后對開關、調節(jié)旋鈕等細節(jié)特寫處理，便于學生更好地了解儀器情況，關注相關操作的問題。

在視頻課程中，還可以引入VR虛擬現(xiàn)實技術，其在物理實驗教學中有顯著優(yōu)勢，集中體現(xiàn)在以下幾方面。①自主性學習：儀器設備可選擇種類更多。②綠色性學習：幾乎不消耗實驗材料，不產(chǎn)生污染、浪費。③科學性學習：通過現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術輔助，使得實驗結果更為直觀準確。④高效性學習：不需要長時間等待實驗結果，大大提高實驗效率。由于核物理實驗的特殊性，放射源的監(jiān)管及輻射安全的防護更是重中之重。虛擬現(xiàn)實技術的應用的優(yōu)勢直觀體現(xiàn)在以下方面。①還原物理實體：有一些抽象概念可以直觀顯現(xiàn)出來。②還原實驗現(xiàn)象：將實驗現(xiàn)象進行深度加工，如通過對速度、深度、色彩等加強，使實驗現(xiàn)象更加明晰。③還原理論建立：由于物理學科原理、理論較多，可通過新的模式將理論知識聯(lián)系到實驗當中。

在課堂上，教師肩負著對學生學習欲望的調動、知識習得的引導及品質精神的磨煉的任務?？偟膩碚f，學生是學習的主體，教師是教學過程的服務者。實驗的思路設計，具體操作，遇到困難解決問題產(chǎn)生的思考，學習思路的開拓，都需要學生自主自立完成，教師更多起到保障安全及引導的作用。實驗完成后，教師所做的總結也不可唯結果論。而實驗后討論環(huán)節(jié)，更使學生對實驗原理、實驗方法、實驗步驟、結果分析及一些與物理實驗題目相關的歷史背景、知識發(fā)展體系、知識當代意義和與現(xiàn)代科學技術結合的應用有更深的體會與進一步的感知。

課后，是學生處理實驗數(shù)據(jù)、整理實驗報告的過程。而課上留下的思考問題學生可以獨立完成，也可以通過平臺交流完成。并且利用網(wǎng)絡平臺尋找需要解決相同問題的學生，組成群組，共同討論，從而收到更好的學習效果。通過這種交流方式，學生可以彼此交換想法，物理學科知識的理解本就不是單方面的，這對學生思維的拓展以及自主學習積極性的調動都有很大幫助。

三、大學物理實驗教學改革效果與意義

基于現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術的新的大學物理教學模式是“教學視頻.自主學習.教師面授”方法的應用，得到了教師和學生們的歡迎，也顯著提高了課堂教學效率。大學物理實驗的這種教學模式在激發(fā)學生的自主性和創(chuàng)新性上顯得更加合理。改革收到了如下效果。①學生創(chuàng)新能力有了顯著提高，實驗課程后，所收到反饋的問題有很多創(chuàng)新的思維。②新教學模式下，“教與學”的關系發(fā)生顯著變化，學生變被動學習為主動學習，成為課堂上的絕對“主角”。③課程評價體系隨之改變，考核方法更趨于多元化。我們希望考核標準能真實反應學生的水平，又可以有效地調動學生學習的自主性。建立合理有效的考核辦法，對實驗教學有很積極的推動作用。④通過互聯(lián)網(wǎng)平臺的互動交流，加深了師生之間及生生之間想法的分享，也是對原本枯燥學習氛圍的有效改善。

傳統(tǒng)教學模式由于課堂時間有限制，而實驗題目較多，調節(jié)儀器、測量數(shù)據(jù)成了學生的主要任務，大把精力消耗在收集實驗數(shù)據(jù)上，而對于實驗原理、實驗設計等知識的思考卻有很大欠缺，更不要說學習的自主性與創(chuàng)新性。新的教學模式的引入，有利于學生對實驗內容與實驗儀器內部結構、工作原理的了解，也有利于對儀器設備的保護、減少實驗誤差、縮短課內實驗時間。在2個學期內分別對2個年級，約60名同學在不同教學模式下的實驗主要情況進行對比（見表2）。

從表2可明顯看出，基于互聯(lián)網(wǎng)技術的新的教學模式的引入，不僅減少了課內教師的講授時間，也提高了學生實驗數(shù)據(jù)的準確率，使得課堂時間得到最大限度的有效利用。課上完成基本教學后，教師根據(jù)相關知識點設計一些具有更大深度廣度的思考問題，使學生的學習過程一直延續(xù)到課下，變被動灌輸為主動引導。鼓勵與培養(yǎng)學生課后查閱文獻資料、分析問題的能力，同時也會促使一部分學生自發(fā)地再次進入物理實驗室進行有研究目的的實驗探索。

科學技術蓬勃發(fā)展及社會對創(chuàng)新型人才的迫切需求是當今時代的主題，國家大力提倡和實施素質教育，大學物理實驗教學應該在該過程中起到更為重要的作用。要努力順應時代發(fā)展，把培養(yǎng)高素質人才作為目標來打造大學物理實驗課程，而從課程設置而言大學物理要反映物理學科研究對象的本質，緊隨時代發(fā)展步伐，教學手段應改變傳統(tǒng)的單一教學模式，借助互聯(lián)網(wǎng)技術。大學物理實驗的教學改革是一項長期而艱巨，但卻極有現(xiàn)實意義的任務。虛擬現(xiàn)實VR技術在物理教學的應用也是響應了我國對于深化高校教育領域綜合改革的號召，在建設“雙一流”高校的大背景下，保持一流物理學科高質量教學的傳統(tǒng)優(yōu)勢，更要進一步突破傳統(tǒng)的對學生在物理實驗方面的培養(yǎng)模式與方法，從而促進物理實驗教學的重心轉移，即從在安全實驗操作下的學習模式轉移至培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神與實踐能力的學習模式，從而更為充分地發(fā)揮物理實驗的教學意義。