混合式教學(xué)在物理仿真實驗選修課中的探索與實踐

吳 杰 蔣逢春 吳明陽

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 河南·鄭州 450001）

大學(xué)物理實驗是理工科學(xué)生進(jìn)入高校后進(jìn)行的第一門實踐課程。通過對這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠熟悉基本的實驗方法，加深對基本物理思想的理解，從而提高分析解決問題和創(chuàng)新思維的能力。然而中學(xué)階段，不同地區(qū)開設(shè)實驗的多少及難易程度有很大區(qū)別，尤其是面對高考制度改革，很多考生選擇其他科目而避開較難的物理，從而造成大學(xué)新生物理及實驗基礎(chǔ)差距較大。在本科院校應(yīng)用型轉(zhuǎn)型背景下，很多學(xué)生在規(guī)定課時內(nèi)，只能被動的按照教學(xué)內(nèi)容做一遍，同時，大學(xué)物理實驗以學(xué)生獨立使用基本實驗儀器為前提，對于基礎(chǔ)較差的同學(xué)而言，很難在規(guī)定的時間內(nèi)完成實驗，更沒有機(jī)會多次反復(fù)驗證。長此以往，學(xué)生積極性下降，不能實現(xiàn)理想的教學(xué)效果，也就失去了開設(shè)物理實驗的真正意義。針對上述問題，我校近幾年開設(shè)了物理仿真實驗選修課，目前該課程結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過線上預(yù)習(xí)和操作，線下輔導(dǎo)等環(huán)節(jié)，形成了線上為主線下為輔的混合翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式，這種教學(xué)模式以學(xué)生為核心，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了選修課的教學(xué)效果。

1 仿真實驗平臺介紹

仿真實驗技術(shù)以計算機(jī)軟件和硬件為基礎(chǔ)，通過計算機(jī)系統(tǒng)，模擬實驗環(huán)境，展示儀器儀表，演示實驗現(xiàn)象，還能進(jìn)行儀器調(diào)節(jié)和連接、變量的測量及數(shù)據(jù)處理，完成實驗教學(xué)的基本任務(wù)。相對于傳統(tǒng)的實驗教學(xué)手段，仿真實驗采用信息化技術(shù)，打破時間和空間的限制，通過模擬實驗環(huán)境，獲得直觀的實驗現(xiàn)象，還可以展現(xiàn)不同視角下的儀器結(jié)構(gòu)，有利于學(xué)生對實驗儀器的掌握和實驗技能的提升。我校最早選用的是中國科技大學(xué)的大學(xué)物理仿真軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)由王曉蒲教授、霍劍青教授團(tuán)隊開發(fā)，獲得國家級教學(xué)成果獎。這套實驗系統(tǒng)包括近60個仿真實驗項目，既包括力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)中常見的基本實驗，也有核磁共振、塞曼效應(yīng)、拉曼光譜掃描隧道顯微鏡等多個近現(xiàn)代物理實驗，適用于學(xué)校理、工、農(nóng)、林、醫(yī)等各專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)，該系統(tǒng)單機(jī)版需要學(xué)生在仿真實驗室完成實驗項目。2015年我校購買了其網(wǎng)絡(luò)版的十六個實驗項目，每個項目有配套的實驗簡介、實驗內(nèi)容、實驗原理、實驗儀器、實驗指導(dǎo)等資源，學(xué)生通過管理員分配的賬號密碼登錄仿真平臺，進(jìn)行模擬實際來完成相應(yīng)的操作，該平臺支持學(xué)生隨時隨地進(jìn)行實驗操作，并記錄實驗時長，有利于老師管理。

2 課程內(nèi)容和授課模式

物理仿真實驗課面向全校理工科學(xué)生選修，以大一學(xué)生為主，每學(xué)年的春季學(xué)期開課，共30學(xué)時，授課15周，涵蓋力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)等多個實驗項目。由于設(shè)置課程的初衷是為了讓學(xué)生掌握基本儀器的使用，培養(yǎng)基本的實驗操作技能，同時還要兼顧實驗知識性和時代性，因此每學(xué)期我們精選六個涉及基本儀器較多、原理相對簡單易懂、易于操作的實驗項目，例如：（1）力學(xué)實驗選用“利用單擺測重力加速度”，涉及游標(biāo)卡尺、螺旋測微器、直尺以及秒表的使用；（2）熱學(xué)實驗中選用“導(dǎo)熱系數(shù)的測量”，雖然步驟稍復(fù)雜，但是讓學(xué)生了解到基礎(chǔ)實驗也能有大作用，可以激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣；（3）光學(xué)實驗中選用“干涉法測微小量”，了解利用干涉原理測量長度的基本原理；（4）電磁學(xué)實驗中選用“多用電表的設(shè)計”，讓學(xué)生接觸到高精度的電流表和電壓表以及讀數(shù)方式，并了解這些電表的級別與精度的關(guān)系；（5）近代物理實驗選用“邁克耳孫干涉儀”，從引力波的證實引出該實驗，讓學(xué)生了解到經(jīng)典實驗在目前也有大作用。

在課程學(xué)習(xí)中，既要讓學(xué)生對實驗有總體了解，又要讓他們的注意力集中到實驗內(nèi)容上。因此在準(zhǔn)備的資料中，先介紹實驗背景，由抽象到具體，使學(xué)生不僅了解物理實驗的基本思想，并且通過仿真實驗的操作和數(shù)據(jù)記錄、進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)據(jù)處理并得出具體的正確結(jié)果，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們獲取知識的方式更加快捷、準(zhǔn)確。目前教育部和各省份已推出大批的高校精品在線課程，因此在高等教育中引入信息技術(shù)已經(jīng)勢不可擋，同時也促進(jìn)教師的角色從傳道受業(yè)解惑者轉(zhuǎn)變成知識引領(lǐng)者。本課程依托河南省精品在線課程-大學(xué)物理實驗及仿真，利用線上資源和仿真平臺引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，同時結(jié)合線下輔導(dǎo)的混合式教學(xué)模式，以提高學(xué)生科學(xué)探究能力和創(chuàng)新能力。具體安排如下：課程第一周教師進(jìn)行面授課程，講解課程的意義、授課模式、使用平臺介紹以及學(xué)習(xí)要求，讓學(xué)生了解掌握該課程的學(xué)習(xí)方法。其余周次每周發(fā)布公告，明確本周學(xué)習(xí)內(nèi)容，并在課表時間進(jìn)行實驗的理論學(xué)習(xí)和演示的在線直播和個別輔導(dǎo)答疑。學(xué)生在第二周通過線上資源及仿真平臺完成學(xué)習(xí)內(nèi)容并提交作業(yè)。

每個實驗項目分為理論學(xué)習(xí)2學(xué)時和在線操作2學(xué)時，為了充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，每個實驗項目完成之后，教師在平臺公告或者QQ群眾公布完成任務(wù)較好的前十名學(xué)生。同時針對學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中反饋的問題，任課老師及時反饋，每學(xué)期對自測題和討論主題等模塊進(jìn)行更新。

3 考核方式

本課程考核重點在于檢查學(xué)生是否掌握儀器的使用方法、是否深刻理解實驗內(nèi)容、是否能夠熟練操作實驗內(nèi)容以及是否能夠完整的進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，考核學(xué)生對每一個實驗項目的領(lǐng)悟、理解程度，因此本課程進(jìn)行的是過程性考核。這樣有助于有計劃的課程學(xué)習(xí)，而且在學(xué)習(xí)過程中看到過程和成績之間的聯(lián)系更有助于完成課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)。每一個實驗項目考核成績?yōu)?5分，由三部分構(gòu)成：預(yù)習(xí)與自測題4分，實驗作業(yè)8分，主題討論3分，六個實驗項目共計90分；課程結(jié)束任選一個實驗項目按照論文發(fā)表的格式撰寫一篇完整的實驗報告（大作業(yè)），分值為10分；滿分為100分。其中：

（1）預(yù)習(xí)和自測題：每個實驗項目都有對應(yīng)的課件和視頻資料，學(xué)生可以在規(guī)定或者其它時間進(jìn)行實驗預(yù)習(xí)，然后在線自測，根據(jù)瀏覽時長和答題情況給出成績。

（2）實驗作業(yè)：由于理工學(xué)生課程繁多，為了充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺，要求學(xué)生對操作的關(guān)鍵步驟和數(shù)據(jù)記錄頁面截屏，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和實驗分析，然后把這份文檔上傳至平臺的對應(yīng)作業(yè)欄目，通過教師批改和學(xué)生互評方式給出最終作業(yè)成績。

（3）主題討論：為了促進(jìn)學(xué)生的積極性，每一個實驗項目都有對應(yīng)的主題討論，學(xué)生進(jìn)行有效參與。所謂有效參與是指：對主題發(fā)表自己的認(rèn)識和體會，以及上傳搜集的資料等，而不是簡單的復(fù)制粘貼。

（4）大作業(yè)：該作業(yè)在所有實驗項目操作完成之后進(jìn)行，要求能體現(xiàn)出對學(xué)習(xí)內(nèi)容理解的深度和廣度，并在在規(guī)定時間內(nèi)提交到課程大作業(yè)上。另外為了提高以后的教學(xué)效果和水平，要求學(xué)生在實驗報告后面寫出實驗體會，對該課程的教學(xué)方法、教學(xué)效果、學(xué)習(xí)目標(biāo)等進(jìn)行評價和反饋。

4 經(jīng)驗和總結(jié)

物理仿真實驗作為選修課，經(jīng)過多年的探索，形成了利用在線課程、線上為主線下為輔的混合式教學(xué)模式，為學(xué)生提供了自主學(xué)習(xí)的平臺，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實驗的不足，但同時也存在一些問題，下面分別進(jìn)行闡述。

（1）解決了因?qū)W生物理實驗基礎(chǔ)參差不齊所導(dǎo)致的教學(xué)困擾。問卷調(diào)查顯示，相當(dāng)一部分同學(xué)的選課原因是因為中學(xué)沒有很好的開設(shè)相關(guān)實驗課或者認(rèn)為自己動手能力差。從每年報名選修課的學(xué)生年級分布看，85%以上是大一新生。很多學(xué)生認(rèn)為，這個課程為他們提供了自主學(xué)習(xí)的平臺，線上為主的教學(xué)模式可以讓他們根據(jù)自己的實際情況安排實驗進(jìn)度，使他們有充足的時間對實驗現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行分析，能夠激發(fā)主動學(xué)習(xí)的積極性，有利于實驗儀器的掌握和實驗技能的提升。目前這門課程的教學(xué)思路與方法得到了學(xué)生的認(rèn)可和好評，選修人數(shù)每年均達(dá)到最多容納人數(shù)。

（2）為實踐課程作為選修課以及遠(yuǎn)程開課提供了渠道。特別是今年疫情期間，學(xué)生遠(yuǎn)離學(xué)校，不能正常進(jìn)入實驗室進(jìn)行實踐課程。但是線上為主的混合式教學(xué)模式不受時間空間的限制，只需一臺聯(lián)網(wǎng)電腦，隨時隨地可以利用線上資源進(jìn)行實驗預(yù)習(xí)、在線操作和完成作業(yè)，老師也可以通過布置簽到和批改作業(yè)起到督促作用，很好的保障了物理實驗的學(xué)習(xí)效果，目前該課程不僅在我校正常進(jìn)行，其他高校也在利用我校課程正常開展物理實驗的教學(xué)工作，積極響應(yīng)了教育部“停課不停學(xué)”的號召。

（3）物理仿真實驗作為作為一門線上線下結(jié)合的公共選修課程，當(dāng)前還存在一些需要解決的問題。比如不能實現(xiàn)全員通過，因為該課程考核重在過程，所以少數(shù)學(xué)生難以按照要求堅持下去，從而導(dǎo)致課程不及格人數(shù)要比其它門次偏高；另外部分作業(yè)采取同學(xué)間互評方式，有時存在打分不客觀等問題。如何更好的發(fā)揮選修課大學(xué)物理仿真實驗的優(yōu)勢，達(dá)到最佳的教學(xué)效果，還需要在實踐中不斷地探索完善。