“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”課程教學(xué)改革的探索

(北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京 100083)

中共中央、國務(wù)院《關(guān)于深化教育改革，全面推進素質(zhì)教育的決定》要求我國高等教育要“抓緊建立更新教學(xué)內(nèi)容機制，加強課程的綜合性和實踐性，重視實驗教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力。”“大學(xué)物理實驗”作為理工專業(yè)學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)實驗課程，它是學(xué)生掌握實驗方法和實驗技能的開端，對于激發(fā)學(xué)生想象力、創(chuàng)造力，培養(yǎng)和提高學(xué)生的科研素養(yǎng)具有重要的意義[1-3]。因此如何科學(xué)設(shè)計“大學(xué)物理實驗”課程，是高等教育改革的重要內(nèi)容之一。

2015年3月，李克強總理在第十二屆全國人民代表大會第三次會議上提出了“互聯(lián)網(wǎng)+”的行動計劃，他指出：要深入推進“互聯(lián)網(wǎng)+”教育，促進優(yōu)質(zhì)教育資源的共享利用。所謂“互聯(lián)網(wǎng)+”，就是指以互聯(lián)網(wǎng)為主的新一代信息技術(shù)(包括移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等)在傳統(tǒng)行業(yè)的擴散、應(yīng)用與深度融合的過程，也是當(dāng)前教育改革的重要研究方向。近年來，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的高等教育課程改革層出不窮，慕課、微課、翻轉(zhuǎn)課堂等新形式的教學(xué)模式在數(shù)學(xué)、物理、計算機等學(xué)科教學(xué)中均取得了較好的效果，各高校在“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”課程中也進行了積極探索，并取得了可喜的成果[4-6]。

一、“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”課程教學(xué)的特點

“大學(xué)物理實驗”課程作為本科教學(xué)的一門基礎(chǔ)實踐課程，它與“大學(xué)物理”理論課相輔相成，旨在幫助學(xué)生樹立理論聯(lián)系實際的良好思維習(xí)慣，養(yǎng)成實事求是的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、交流合作能力、觀察與反思能力。

傳統(tǒng)的“大學(xué)物理實驗”課程采取的是以教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式，教師通過理論講解、實驗演示和解答問題等形式組織學(xué)生完成物理實驗，這種教學(xué)模式存在著教學(xué)形式呆板、實驗教學(xué)資源利用率低、課程考評方式陳舊等問題。基于此，不少學(xué)者開展了“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”的新型課程研究，并取得了可喜的成果。與傳統(tǒng)“大學(xué)物理實驗”課程相比，“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”課程最大的特色在于課程與互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的有機結(jié)合。它依托于大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等先進的信息技術(shù)，結(jié)合慕課、微課、翻轉(zhuǎn)課堂等多種新型教學(xué)模式開展教學(xué)，受到廣大師生的歡迎。

“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”課程具有獨特的教學(xué)特點，它依托于一個在線的實驗管理系統(tǒng)開展教學(xué)，其在線的實驗管理系統(tǒng)包含技術(shù)支撐層、業(yè)務(wù)管理層、服務(wù)展示層和用戶訪問層4個部分。

(一)技術(shù)支撐層

技術(shù)支撐層是實驗管理系統(tǒng)的基石，它基于新一代的信息技術(shù)，在教學(xué)資源共享區(qū)域提供了一個云平臺，個人終端及公共教學(xué)媒體設(shè)備均可以通過網(wǎng)絡(luò)連接到云平臺，學(xué)生和教師通過云平臺能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)資源共享、信息管理、服務(wù)推送、實時交流等，為“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”的課程管理提供技術(shù)保障。

(二)業(yè)務(wù)管理層

業(yè)務(wù)管理層是實驗管理系統(tǒng)的核心，它具有校內(nèi)業(yè)務(wù)管理和校外業(yè)務(wù)管理兩項服務(wù)功能。其中，校外業(yè)務(wù)管理主要提供實驗室向外租借等服務(wù)；校內(nèi)業(yè)務(wù)管理主要服務(wù)于“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”課程的教學(xué)工作。筆者以北京林業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”課程管理系統(tǒng)為例，課程管理系統(tǒng)有2個入口，即學(xué)生端和教師端，見圖1。

圖1 北京林業(yè)大學(xué)“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”課程管理系統(tǒng)的登錄界面

其中學(xué)生端的業(yè)務(wù)管理層主要包含4個功能模塊，即查看預(yù)習(xí)、查看必做實驗、查看選做實驗和查詢成績。學(xué)生通過業(yè)務(wù)管理層可以實現(xiàn)實驗預(yù)習(xí)(在線答題和成績查詢)、實驗操作(數(shù)據(jù)錄入和成績查詢)及個人信息查詢等功能，見圖2。

圖2 北京林業(yè)大學(xué)“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”課程管理系統(tǒng)學(xué)生端界面

教師端的業(yè)務(wù)管理層主要包含6個模塊，即實驗管理、題庫管理、課室管理、課程管理、成績管理和預(yù)習(xí)管理，如圖3所示。教師通過業(yè)務(wù)管理層主要實現(xiàn)添加班級及學(xué)生、安排實驗時間、管理學(xué)生成績等功能。

圖3 北京林業(yè)大學(xué)“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”課程管理系統(tǒng)教師端界面

(三)服務(wù)推送層

服務(wù)推送層是連接云平臺與個人智能終端的橋梁，它將云平臺共享資源以統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)入口和展示界面推送到教師或者學(xué)生的終端，在滿足教師和學(xué)生日常教學(xué)及管理工作的前提下，隨著智能終端的升級而與時俱進，為大家提供良好的用戶體驗。

(四)用戶訪問層

用戶訪問層是用戶使用實驗管理系統(tǒng)的接口。它基于校園有線/無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能終端，為大家提供方便快捷的訪問渠道。教師和學(xué)生可以通過教師多媒體、個人電腦、手機、pad等多種可聯(lián)網(wǎng)的智能終端獲取服務(wù)，師生可以隨時隨地交流，學(xué)生可以隨時隨地學(xué)習(xí)。

二、“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”課程教學(xué)存在的問題

“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，具有教學(xué)模式靈活多變、教學(xué)資源利用率高、學(xué)生管理及考評方式新穎、探究空間廣闊等諸多優(yōu)勢，但在教學(xué)實踐過程中，仍存在一些值得注意的問題。

(一)缺少人工處理實驗數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)

筆者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前一些高校在開展“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”課程教學(xué)時，將實驗數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)簡化，學(xué)生做完實驗獲取原始數(shù)據(jù)之后，不需要自己再進行計算，只需要登錄大學(xué)物理實驗云平臺，將原始實驗數(shù)據(jù)上傳，即可得到實驗結(jié)果及誤差，并以此得到實驗的成績。

雖然數(shù)據(jù)處理算法提高了實驗數(shù)據(jù)處理的效率，減輕了教師評定學(xué)生實驗得分的工作量，但也存在著弊端。因為“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”課程設(shè)立的初衷不僅在于提高學(xué)生的動手能力、實踐能力，促進其將物理理論與生產(chǎn)實際聯(lián)系在一起，而且還要培養(yǎng)學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)的處理能力，使其從中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，并掌握基本的數(shù)據(jù)處理方法。因此，缺少了對實驗數(shù)據(jù)的人工處理環(huán)節(jié)不利于學(xué)生綜合能力的提高。

(二)缺少實驗報告撰寫環(huán)節(jié)

部分高校在開展“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生物理實驗”課程教學(xué)時，將實驗的預(yù)習(xí)、數(shù)據(jù)處理、實驗結(jié)論、實驗反思等所有環(huán)節(jié)模塊化，通過云平臺推送的題庫對學(xué)生進行考察，不需要學(xué)生再撰寫完整的實驗報告。

雖然此舉能夠?qū)⒄n堂“移動”起來，學(xué)生可以隨時隨地在線完成實驗報告，并及時與教師進行交流，但是“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”課程還要求培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維與科研寫作能力。模塊化完成實驗報告雖能夠給師生帶來便利，但它弱化了學(xué)生對實驗的整體把控和梳理實驗脈絡(luò)的能力。同時，學(xué)生自始至終都沒有自主完成一篇完整的實驗報告，對學(xué)生科研寫作能力的培養(yǎng)也會大打折扣。

(三)實驗成績僅由預(yù)習(xí)效果和實驗數(shù)據(jù)決定

一些高校在開展“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生物理實驗”課程教學(xué)時，將學(xué)生實驗成績的評定交由系統(tǒng)完成，即實驗成績僅由預(yù)習(xí)效果和實驗數(shù)據(jù)決定。

雖然此舉能夠保證學(xué)生的實驗成績不會帶有教師的主觀因素，但該考評方式過于看重客觀數(shù)據(jù)，而沒有為學(xué)生留下自由發(fā)揮的空間，學(xué)生只要按要求完成預(yù)習(xí)及實驗便可以拿到高分，缺少了對實驗進行深入反思與總結(jié)的過程，因此降低了學(xué)生探究科學(xué)的積極性。

三、“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”課程教學(xué)改革的措施

(一)強化學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)進行人工處理的環(huán)節(jié)

在物理實驗中，原始實驗數(shù)據(jù)的處理主要包含兩部分：一是推導(dǎo)間接物理量，二是計算實驗誤差(不確定度)。通過對實驗數(shù)據(jù)的人工處理，既可以讓學(xué)生更深層次地理解和掌握實驗原理，又可以促使學(xué)生掌握基本的數(shù)據(jù)處理方法，如作圖法、最小二乘法、逐差法等。在教學(xué)實踐中，筆者探索了實驗數(shù)據(jù)人工處理的方法，并結(jié)合具體的實驗進行闡述。

在“不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測定”實驗中，學(xué)生通過實驗操作獲取如下3個表格的原始實驗數(shù)據(jù)。其中表1為加熱待測樣品時ε-t數(shù)據(jù)記錄表，ε1代表在加熱筒厚底側(cè)面小孔內(nèi)測得的電壓值，ε2代表在銅盤側(cè)面小孔內(nèi)測得的電壓值，單位為mV，每隔4分鐘便記錄一次這2個物理量的值，共記錄56分鐘。表2為移去待測樣品后ε-t數(shù)據(jù)記錄表，其中ε為銅盤自然冷卻時盤側(cè)面小孔內(nèi)測得的電壓值，單位mV，每隔30秒記錄一次該物理量的值，共記錄420秒。表3為銅盤和橡膠相關(guān)物理量的測量值表，包含了銅盤直徑、厚度和質(zhì)量以及橡膠的直徑和厚度，通過取平均值的方法來提高測量精確度。

在實驗教學(xué)中，筆者要求學(xué)生將上述表格記錄在實驗報告紙上，并在課堂上完成實驗數(shù)據(jù)的處理，其中包含：(1)基于表2，通過作圖法或線性回歸法計算表1穩(wěn)態(tài)時刻對應(yīng)的直線斜率；(2)將切線斜率數(shù)值帶入導(dǎo)熱系數(shù)計算公式，求出導(dǎo)熱系數(shù)λ的值。之后，要求學(xué)生上交紙質(zhì)版原始實驗數(shù)據(jù)、處理過程及計算結(jié)果，由任課教師給出意見和建議，若實驗數(shù)據(jù)不理想，則要求學(xué)生分析原因，必要時重做實驗。實驗報告經(jīng)任課教師審閱通過后，學(xué)生登錄實驗系統(tǒng)，在課堂上將實驗所得的原始數(shù)據(jù)和計算結(jié)果上傳至云端，系統(tǒng)會根據(jù)實驗結(jié)果誤差給出實驗得分。

表1 加熱待測樣品時的ε-t數(shù)據(jù)記錄表

表2 移去待測樣品后的ε-t數(shù)據(jù)記錄表

表3 銅盤和橡膠相關(guān)物理量的測量值

(二)強化實驗報告撰寫環(huán)節(jié)

傳統(tǒng)的“大學(xué)物理實驗”課程教學(xué)要求每組學(xué)生上交紙質(zhì)實驗報告，學(xué)生任務(wù)繁重，且存在相互抄襲的現(xiàn)象。若每組實驗均不寫實驗報告，對學(xué)生科研寫作能力的培養(yǎng)會打折扣?；诖?，筆者設(shè)計了實驗報告撰寫方案，即以在線撰寫模塊化實驗報告為主，提交完整紙質(zhì)版實驗報告為輔，具體做法可以用一個示例說明。例如，若某班的大學(xué)物理實驗共分為14小組，其中必做實驗12組，選做實驗2組，則要求2組選做實驗均上交完整的紙質(zhì)版實驗報告，內(nèi)容包含實驗?zāi)康?、實驗儀器、實驗原理、實驗方法及步驟、實驗數(shù)據(jù)處理、結(jié)論和實驗結(jié)果反思等部分。對于必做的12組實驗，為每個實驗設(shè)計相應(yīng)的電子版實驗報告，報告的每個部分不再局限于單一形式，而是融合了選擇題、簡答題、填空題、判斷題等多種形式。其中實驗數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)按照上章節(jié)所述方案在課堂上完成，實驗結(jié)論和實驗結(jié)果反思可設(shè)置為簡答題形式，其他實驗報告部分可根據(jù)實驗自身的特點設(shè)置相應(yīng)的形式，也可以同時含多種形式。通過這種方式，既能夠鍛煉學(xué)生的科研論文寫作能力，又可以隨時隨地地在線完成實驗報告，同時減輕了師生的任務(wù)量。

例如，在“分光計的調(diào)節(jié)與使用”實驗中，實驗數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)按照上述方案在課堂上完成，實驗?zāi)康目梢栽O(shè)置為填空題，比如“學(xué)習(xí)用兩種方法測量三棱鏡的頂角”等。實驗儀器、實驗原理和實驗方法及步驟(部分內(nèi)容)可以設(shè)置為選擇題和判斷題。實驗方法及步驟(部分內(nèi)容)、實驗結(jié)論和實驗思考可以設(shè)置為簡答題，例如“分光計的調(diào)節(jié)包含哪些基本步驟”“在調(diào)整望遠鏡時為什么要將平面鏡放置在垂直于平臺兩螺釘連線的位置”“什么叫視差，怎樣判斷有無視差存在，本實驗中進行哪幾部調(diào)節(jié)時要消除視差、如何消除”等。這些內(nèi)容學(xué)生均通過實驗系統(tǒng)完成，教師需要審閱的工作也通過云平臺完成，最終的實驗報告成績由系統(tǒng)統(tǒng)計得出并發(fā)布到學(xué)生端和教師端。

(三)改革實驗成績評定方法

傳統(tǒng)的課程考核僅由預(yù)習(xí)效果和實驗數(shù)據(jù)決定，而筆者認(rèn)為最佳的實驗成績評定方案應(yīng)是系統(tǒng)評分與教師評分相結(jié)合。因此，在教學(xué)實踐中，筆者探索了對實驗課程進行科學(xué)考核的方法。

首先，學(xué)生的必做實驗成績包含實驗預(yù)習(xí)、實驗得分和在線完成的實驗報告3部分內(nèi)容，這3部分評分比例可設(shè)置為2∶5∶3。學(xué)生在線作答預(yù)習(xí)題，系統(tǒng)直接給出預(yù)習(xí)成績；學(xué)生完成實驗，得到實驗數(shù)據(jù)并處理之后，經(jīng)教師審閱通過后，將原始實驗數(shù)據(jù)及處理結(jié)果上傳至云端，系統(tǒng)依據(jù)實驗數(shù)據(jù)誤差給出實驗得分；對于在線完成的實驗報告，客觀題系統(tǒng)可以直接打分，主觀題則由教師在線評閱給分。選做實驗成績由紙質(zhì)版實驗報告決定，由教師評閱打分后上傳至系統(tǒng)。必做實驗與選做實驗的成績比例可按照具體課程安排設(shè)置(例如大學(xué)物理實驗A可按照7∶3設(shè)置)。最終，學(xué)生的成績由系統(tǒng)計算并繪制成相應(yīng)的圖表，并生成學(xué)生成績單和相關(guān)分析報告，供師生查閱。

四、“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”課程教學(xué)改革的成效

(一)提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性

教學(xué)實踐表明，“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”課程改革后，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性明顯提高，學(xué)生對實驗的預(yù)習(xí)更充分，師生互動交流頻繁。尤其是在實驗過程中，學(xué)生的懷疑、批判和探究意識增強，對實驗的觀察和操作過程更加嚴(yán)謹(jǐn)，數(shù)據(jù)處理更加高效，實驗報告整體質(zhì)量有所提高。

(二)提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果

教學(xué)實踐表明，學(xué)生能夠在實驗報告中對實驗過程及結(jié)果進行反思，并能總結(jié)個人的心得體會，實驗報告的撰寫質(zhì)量有明顯提高，實驗綜合成績也有明顯提高。

“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”課程是新一代信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，與傳統(tǒng)“大學(xué)物理實驗”課程相比，它具有教學(xué)方式靈活多樣、師生交流實時便捷、實驗資源利用率高、可探究空間廣闊等諸多優(yōu)勢，因此，越來越多的高校開始應(yīng)用。然而，“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)物理實驗”課程還在發(fā)展期，還有很多改革措施有待深入研究。筆者未來還將結(jié)合教學(xué)實踐深入研究“慕課”等教學(xué)模式與傳統(tǒng)“大學(xué)物理實驗”課程的最佳結(jié)合方法，將互聯(lián)網(wǎng)深度融合到教學(xué)實踐中，使高等教育與現(xiàn)代科技發(fā)展“無縫對接”，進而開拓學(xué)生視野，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，以適應(yīng)新時代對創(chuàng)新人才的需求。