疫情下大學(xué)物理實驗課程教學(xué)的變革及思考

孫艷 于丹 高源 沈洋

摘 ?要：2020年受新冠病毒肺炎疫情影響，在學(xué)生不能返校的情況下，各高校實驗教師研究大學(xué)物理實驗課程線上教學(xué)方案，充分利用信息資源，及時上線網(wǎng)絡(luò)課程和虛擬實驗、開發(fā)居家實驗，實現(xiàn)課程教學(xué)“實物+虛擬”結(jié)合、“居家實驗+線上指導(dǎo)”結(jié)合的形式，形成實驗教學(xué)新常態(tài)，引發(fā)實驗課堂教學(xué)組織和設(shè)計模式的變革。

關(guān)鍵詞：線上教學(xué);虛擬實驗;居家實驗

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）18-0131-04

Abstract： Due to COVID-19 outbreak in 2020， college students could not go back to school. The experimental teachers studied the online teaching program of college physics experiment， and made full use of information resources， online courses and simulation experiments in a timely manner， developed home-based experiments. The combination of "real object + simulation" and "home-based experiment + online instruction" is realized to form a new normal of experimental teaching. The reform of teaching organization and design mode will be initiated.

Keywords： online teaching; simulation experiment; home-based experiment

2020年初，新冠病毒肺炎疫情擾亂了原有的生活秩序，為了全力防控，堅決防止疫情在學(xué)校蔓延，國內(nèi)高校不得不推遲開學(xué)。教育部提出要利用網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)“停課不停教，停課不停學(xué)”。各校教師積極摸索利用各類網(wǎng)絡(luò)直播平臺、視頻會議軟件開展線上教學(xué)，國內(nèi)高?；緦崿F(xiàn)了按計劃開課。相比于理論課，實踐類課程需要有場地、器材支持，實現(xiàn)線上教學(xué)較為困難。大學(xué)物理實驗課程是理工科院校設(shè)置的一門必修實踐類課程，授課對象具有數(shù)量大、年級多、專業(yè)多的特點。如何實現(xiàn)實驗課程線上開設(shè)、如何將實驗場地轉(zhuǎn)換到居家環(huán)境、線上教學(xué)能否滿足教學(xué)大綱要求，這些問題都需要實驗教師逐一攻克。

一、疫情下各高校大學(xué)物理實驗開課概況

近幾年，國內(nèi)較多高校探索線上線下混合式教學(xué)，大力提倡信息化教學(xué)，倡導(dǎo)借助技術(shù)手段輔助教學(xué)。經(jīng)過近年的教育平臺建設(shè)和相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)，我國在線上教學(xué)方面具有良好的前期基礎(chǔ)，主要體現(xiàn)在平臺和軟件兩個方面。平臺方面，中國有幾大慕課平臺，最知名的有高教社中國大學(xué)MOOC和清華大學(xué)學(xué)堂在線，還有上海交通大學(xué)好大學(xué)在線、北京大學(xué)華文慕課、全國地方高校聯(lián)盟等平臺。軟件方面，目前被各高校廣泛使用的有清華大學(xué)雨課堂、超星學(xué)習通等。為做好疫情防控期間在線教學(xué)組織與管理，各高校充分利用慕課平臺、實驗資源平臺和各級各類在線課程平臺、校內(nèi)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間等，積極開展了線上授課、演示、指導(dǎo)、討論等在線教學(xué)活動，做到了“停課不停教、停課不停學(xué)”。

上述大部分平臺及方法之前已用于高校的基礎(chǔ)課、專業(yè)課教學(xué)，高校依托各平臺已建成大量的理學(xué)、計算機、外語、文史等課程。實踐類課程的開展需要學(xué)生利用工具、測量儀器或外出調(diào)研形成實施方案獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，有的甚至要團隊協(xié)作完成。實踐類課程的特質(zhì)決定了課程開展不是學(xué)生坐在電腦前看直播或視頻學(xué)習能夠完成的，大學(xué)物理實驗課程的線上開課不是一件容易的事情。常規(guī)的實驗課必須在實驗室中進行，在嚴格控制環(huán)境情況下采用專用儀器獲取一定精度和數(shù)量的數(shù)據(jù)。疫情下學(xué)生宅在家，實驗教學(xué)的基本條件得不到滿足。在其他課程紛紛開課的壓力下，各校從事實驗教學(xué)的教師們意識到疫情下不能坐以待斃，必須積極開展研究，尋找開展實驗課網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的對策。在教育部高等院校大學(xué)物理實驗教學(xué)指導(dǎo)委員會推動下，國內(nèi)高校以中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、南開大學(xué)等高校為首率先提出了各校的居家物理實驗教學(xué)方案，其他高校也積極學(xué)習和跟進。疫情期間為籌備實驗課程線上教學(xué)，2020年3月至4月部分高校采用騰訊會議形式承辦了“全國高等學(xué)校物理實驗在線教學(xué)研討會”（東北大學(xué)承辦）、“湖北省實驗課程在線教學(xué)研討會”（武漢大學(xué)承辦）、“黑龍江省高等學(xué)校物理在線實驗教學(xué)研討會”（哈爾濱工業(yè)大學(xué)承辦）、“西南地區(qū)高校物理基礎(chǔ)課程線上教學(xué)交流會”（西南交通大學(xué)承辦）等會議。這些會議的召開使得實驗教師們針對線上教學(xué)、居家實驗開展廣泛交流、實現(xiàn)思想碰撞和激發(fā)，為開展線上物理實驗教學(xué)提供了思路和舉措。另外，東北大學(xué)、東北師范大學(xué)等高校緊急在中國大學(xué)MOOC平臺、超星學(xué)習通平臺上線了大學(xué)物理實驗?zāi)秸n。廣大實驗教師利用各類互動直播平臺開展實驗教學(xué)及指導(dǎo)答疑，實現(xiàn)了物理實驗課在線上順利開課[1-2]。目前，在大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會和物理實驗雜志網(wǎng)站上已公布40余項居家實驗方案，表1為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)網(wǎng)上開設(shè)的20項實驗項目[3-4]。

二、疫情下實驗課程組織形式

作者對復(fù)旦大學(xué)、東北大學(xué)、東南大學(xué)等15所高校的線上實驗教學(xué)案例進行分析?？傮w上各高校依據(jù)自身實際情況將“網(wǎng)絡(luò)課程”“在線直播”“居家實驗”“虛擬仿真”四種形式相互組合開展教學(xué)。具體措施如下：

1. 網(wǎng)絡(luò)課程。線上課程包括MOOC平臺中已有網(wǎng)絡(luò)課，也有學(xué)校自建網(wǎng)絡(luò)課。例如，在中國大學(xué)MOOC平臺上國防科技大學(xué)大學(xué)物理實驗課程同時面對本校學(xué)生和校外學(xué)生開放，主要用于學(xué)生課前自主學(xué)習、課上實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂、課后提交作業(yè)、問題討論。在成績組成和評定方式上，校內(nèi)與校外學(xué)生有所區(qū)分。

2. 在線直播。實驗教師利用釘釘、Zoom、騰訊會議、企業(yè)微信、微信群、QQ群等互動直播平臺開展教學(xué)。直播課主要用于講授實驗緒論課、誤差理論和數(shù)據(jù)處理方法、實驗課之前的理論及實驗進行中的指導(dǎo)答疑。為貼近學(xué)生網(wǎng)絡(luò)習慣，部分教師在較受學(xué)生喜歡的嗶哩嗶哩直播平臺直播授課，通過彈幕與學(xué)生交流，學(xué)生對實驗課興趣迅速增加[5]。

3. 居家實驗。依據(jù)課程學(xué)習目標要求，實驗教師開發(fā)居家實驗項目，經(jīng)過討論、預(yù)先測試確保方案可行，再發(fā)布給學(xué)生并附上一定提示和指導(dǎo)資料。居家實驗項目能夠?qū)崿F(xiàn)具有三個特點。一是完成實驗的材料容易獲得，來源于日常用品[6]。例如，固體表面的浸潤實驗用到口罩;衍射實驗用到了激光筆、頭發(fā)絲、光盤;三線擺測物體轉(zhuǎn)動慣量實驗可以利用家里的蒸鍋等等。二是實驗裝置需要學(xué)生根據(jù)各自家里現(xiàn)有條件自行搭建。例如，有的學(xué)生搭建光路用到方木條，蛇擺的設(shè)計借用家里的晾衣桿。這些裝置的搭建都需要學(xué)生有前期規(guī)劃、較強的耐心和解決問題的分析能力。三是測量及分析數(shù)據(jù)工具易得。居家實驗測量工具主要借助于家用電子稱、手機Phyphox（物理手機工坊）app、Tracker（視頻追蹤）等軟件實現(xiàn)，如圖1、圖2所示，學(xué)生在實驗前要熟悉或?qū)W習相關(guān)軟件的使用[7-8]。

4. 虛擬仿真。在上述形式基礎(chǔ)上各校還結(jié)合虛擬仿真項目開展在線實驗，有效地彌補了居家實驗儀器精度差、測量干擾性大等問題[9]。現(xiàn)有虛擬仿真實驗包括軟件公司聯(lián)合高校開發(fā)仿真軟件、國家虛擬仿真實驗平臺、手機虛擬實驗APP等，如圖3所示。

三、疫情下實驗課程特點

疫情下各校物理實驗課線上開課，受條件限制課程各方面與以往有較大變動，主要包括以下三個方面：

（一）目標與計劃的調(diào)整

原實驗課程目標注重于實驗規(guī)范、調(diào)整測量精度，實驗方案具有統(tǒng)一性，采用專用教學(xué)儀器實現(xiàn)，結(jié)果誤差較小。但居家情況下實驗受條件限制，均是就地取材、自主搭建，部分實驗內(nèi)容無法實現(xiàn)，同時精度不足導(dǎo)致測量誤差較大。針對于居家實驗，設(shè)置課程階段性目標主要偏重開闊學(xué)生思維、培訓(xùn)動手實踐能力、提高分析解決問題的能力。有的實驗僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)并觀測現(xiàn)象，對數(shù)據(jù)精度和誤差分析方面不做過多要求。

物理實驗教學(xué)在不同高校、對不同專業(yè)的教學(xué)水平有所區(qū)別，需考慮各校的師生、學(xué)科差異，在線教學(xué)需要系統(tǒng)設(shè)計、綜合考慮，保證教學(xué)目標的達成。在大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會大學(xué)物理實驗專項委員會及國家級示范中心聯(lián)席會物理學(xué)科組的共同努力下，設(shè)計并推出64學(xué)時的線上物理實驗方案。該方案由緒論、DIY實驗、探究性實驗、虛擬仿真實驗、自定趣味性實驗幾部分組成。由于各校教學(xué)目標不同，各?？筛鶕?jù)自己的實際情況，優(yōu)化組合方案，完成本校的疫情防控期間的實驗教學(xué)。表2為64學(xué)時線上教學(xué)方案[10]。

（二）教與學(xué)的變化

在常規(guī)實驗課教學(xué)中，教師在課上講解實驗主要關(guān)注實驗方法、步驟，強調(diào)操作的安全性和規(guī)范性。而居家實驗，實驗教師的指導(dǎo)范圍非常廣泛，包括實驗方案分析、材料選擇和加工、問題現(xiàn)象分析、裝置改進等。學(xué)生不再是按部就班地完成任務(wù)，需要不斷嘗試、改進，在一次次失敗中探索前行。教師和學(xué)生都會遇到前所未有、意想不到的問題，需要通過共同討論分析完成。在這個過程中，教師深刻體會到教學(xué)相長，學(xué)生也體會到實驗成功的喜悅，認識到物理實驗課程對自身實踐能力、科學(xué)素養(yǎng)的提升作用，認同課程價值。

（三）測量、分析手段的變化

常規(guī)下實驗課測量采用示波器、萬用表、檢流計等專用測量儀器獲得精度較高的實驗數(shù)據(jù)。而居家實驗，大多數(shù)情況下要采用一些新的軟件，例如實驗中需要拍攝圖像、視頻或聲音，然后利用分析軟件對數(shù)據(jù)進行提取，還有利用手機內(nèi)置傳感器測量數(shù)據(jù)。這就需要學(xué)生在實驗前安裝軟件，自學(xué)并快速掌握軟件使用。這種方式鍛煉了學(xué)生信息收集能力和自主學(xué)習能力，得到與實驗室實驗不一樣的體驗。

四、實驗教學(xué)發(fā)展的思考

教育部高教司司長吳巖指出：“我們在也不可能、也不應(yīng)該退回到疫情發(fā)生之前的教與學(xué)狀態(tài)，因為融合了‘互聯(lián)網(wǎng)+‘智能+技術(shù)的在線教學(xué)已成為中國高等教育和世界高等教育的重要發(fā)展方向?！贝舜涡鹿诜窝滓咔榘盐锢韺嶒炚n程推上了線上教學(xué)的浪潮，教師與學(xué)生都感受到線上教學(xué)對實驗課程的沖擊。廣大物理實驗教師同時也在思考學(xué)生返校后會給未來實驗課程帶來哪些轉(zhuǎn)變。作者總結(jié)有三點轉(zhuǎn)變。

（一）線上線下混合式教學(xué)常規(guī)化

學(xué)生返校后，物理實驗課程教與學(xué)的模式均會發(fā)生變革。此次疫情促使各校著手建設(shè)與課程匹配的信息資源，并依據(jù)課程推進同步推出相應(yīng)資源?；ヂ?lián)網(wǎng)上物理實驗MOOC、網(wǎng)絡(luò)課程數(shù)量顯著增加。資源的建設(shè)為以后開展混合式教學(xué)提供支撐，經(jīng)過疫情教學(xué)的鍛煉教師們具有掌控各類互動平臺的豐富經(jīng)驗，學(xué)生也樂于和習慣在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下學(xué)習和開展討論。因此，物理實驗課程具備了混合式教學(xué)的資源和人員基礎(chǔ)，混合式教學(xué)也會成為實驗課程的教學(xué)常態(tài)模式。

（二）課程內(nèi)容得以拓展

疫情期間，廣大實驗教師開發(fā)的實驗項目是思想相互激發(fā)的成果，讓物理實驗線上教學(xué)由不可能變成了可能，更是一筆指導(dǎo)實驗教學(xué)的寶貴財富。這些實驗方案經(jīng)過整理或加工，可設(shè)置為實操預(yù)習內(nèi)容，可融入課堂教學(xué)作為引入或演示，也可以作為課后應(yīng)用拓展或進一步開發(fā)成自主探究實驗。例如，在《光柵衍射》實驗中，課前設(shè)計讓學(xué)生尋找生活中常見物品實現(xiàn)衍射現(xiàn)象，課上可通過現(xiàn)象觀測和分析實現(xiàn)對原理深入理解，課后利用激光筆、光盤、手機等物品測量其細微結(jié)構(gòu)參數(shù)。這些居家實驗方案讓實驗教師意識到部分實驗課程內(nèi)容可挪到實驗室外，全部由學(xué)生自主完成，物理實驗可以如此緊密地貼近生活實際，讓學(xué)生體會到學(xué)以致用的成就感。

（三）課堂教學(xué)組織和設(shè)計模式變革

大學(xué)物理實驗線上教學(xué)讓實驗教師看到實驗教學(xué)多種可能性，也認識到學(xué)生的潛在能力。相比之下原實驗課堂教學(xué)顯得程式化較為嚴重、學(xué)生能力被低估。實驗教師在線上方案啟示下可利用形式豐富的資源和手段，更大膽顛覆原課堂組織和設(shè)計模式。在教學(xué)中遵循以學(xué)生為中心的原則，給學(xué)生最大的自主性，調(diào)動學(xué)生主動性，實現(xiàn)知識的自我構(gòu)建和能力的生成，從而推進實驗課程的課堂革命。

五、結(jié)束語

疫情為大學(xué)物理實驗教學(xué)帶來了挑戰(zhàn)與機遇。實驗教師應(yīng)順勢而上、趁勢而為，積極思考、大膽探索開發(fā)出大量居家實驗，實現(xiàn)實驗課線上開課。物理實驗課程在疫情之下形成了一種“新常態(tài)”的教學(xué)，必將影響未來物理實驗教學(xué)改革和發(fā)展之路，促進實驗教學(xué)模式的變革。

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