大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)改革與實(shí)踐
——以國(guó)防科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例

歐陽(yáng)建明 彭 剛 羅 劍 鄭浩斌

(國(guó)防科技大學(xué)文理學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

1 引言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是理工科本科生的一門必修基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，也是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開端，對(duì)學(xué)生大學(xué)階段實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有重要作用.課程以物理實(shí)驗(yàn)為載體，通過課程的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，使學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的基本方法，鍛煉基本實(shí)驗(yàn)技能，掌握基本物理量的測(cè)量以及基本儀器的使用，熟練使用基本數(shù)據(jù)處理方法，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及將來(lái)的崗位任職打下良好的實(shí)踐基礎(chǔ).

與理論課程不同，實(shí)驗(yàn)課程受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地開放、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)人員等的諸多限制，實(shí)驗(yàn)室輪流開課，學(xué)生大都只有一次接觸實(shí)驗(yàn)儀器的機(jī)會(huì)，造成學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理理解不透，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象了解不深，往往學(xué)了就忘.隨著信息化技術(shù)在教育領(lǐng)域的深度應(yīng)用，以MOOC、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為代表的在線開放課程和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目正在迅猛發(fā)展，實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)手段、教學(xué)方法、教學(xué)思維、教學(xué)評(píng)價(jià)等諸多方面也需要跟上信息化浪潮的步伐，借助優(yōu)質(zhì)信息化資源，開展在線實(shí)驗(yàn)教學(xué).

理論課程混合式教學(xué)已有相對(duì)成熟的方式[1].實(shí)驗(yàn)課程由于自身?xiàng)l件的限制，混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以按照混合式理論教學(xué)的模式開展.理論課程混合式教學(xué)一般以線上為主，或線上線下并重的形式.實(shí)驗(yàn)課程注重的是實(shí)踐能力的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)課程，特別是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程還是需要以線下實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主，線上教學(xué)為輔.SPOC是理論課程混合式教學(xué)采用的比較廣泛的形式[2]，對(duì)實(shí)驗(yàn)課程而言，SPOC只能在小范圍內(nèi)進(jìn)行，而對(duì)于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)這種大規(guī)模開設(shè)的公共基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)而言，由于教師數(shù)量等的限制，難以進(jìn)行大范圍的推廣.國(guó)防科技大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、MOOC和實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，構(gòu)建了線上線下混合式大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，并進(jìn)行了混合式考核方式探索.

2 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)線上線下混合式教學(xué)的基礎(chǔ)

基于現(xiàn)代信息化技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)，國(guó)防科技大學(xué)建設(shè)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，該中心在2014年獲批為全國(guó)首批100所虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心之一，可以提供50余個(gè)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步融入大規(guī)模在線開放教育技術(shù)，滿足學(xué)生多樣化的學(xué)習(xí)方式和課堂多樣化的教學(xué)模式要求，結(jié)合遠(yuǎn)程教學(xué)需求，2015年開始建設(shè)了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)MOOC，該課程包含虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、自主實(shí)驗(yàn)?zāi)K、遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K、思想實(shí)驗(yàn)?zāi)K以及演示實(shí)驗(yàn)?zāi)K的五大實(shí)驗(yàn)內(nèi)容模塊.課程于2017年春在中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)作為全國(guó)首門實(shí)驗(yàn)類MOOC上線[3].且2018年先后被認(rèn)定為湖南省和國(guó)家精品在線開放課程.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以及MOOC構(gòu)成了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)的線上基礎(chǔ).

國(guó)防科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室具有良好的線下教學(xué)基礎(chǔ)條件，2011年獲評(píng)湖南省普通高校實(shí)踐教學(xué)示范中心.在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過“十二五”“十三五”重點(diǎn)建設(shè)，物理實(shí)驗(yàn)中心通過重組、升級(jí)、新建等方式，建設(shè)了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室、技術(shù)物理實(shí)驗(yàn)室、近代物理實(shí)驗(yàn)室.其中大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室以學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)踐能力培養(yǎng)為主要目標(biāo)，包含基本實(shí)驗(yàn)知識(shí)、基本方法與技能、典型物理量測(cè)量等方面的訓(xùn)練，開設(shè)了涵蓋經(jīng)典物理、現(xiàn)代物理及典型應(yīng)用的30余個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，形成模塊化、系列化的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系，構(gòu)成了混合式教學(xué)的線下基礎(chǔ).

3 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)線上線下混合式教學(xué)模式探索

依托優(yōu)質(zhì)的線上與線下教學(xué)環(huán)境，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程開展了線上線下相混合，虛擬實(shí)體相結(jié)合的教學(xué)模式探索，課程在2019年獲得湖南省線上線下混合式一流本科課程認(rèn)定.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)以線下實(shí)體教學(xué)為主題，線上教學(xué)為輔助，如圖1所示.MOOC和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)這些線上教學(xué)環(huán)境主要在預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)階段發(fā)揮主導(dǎo)作用.其中MOOC可以充實(shí)實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)，為學(xué)生提供交流討論平臺(tái)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以全時(shí)域、全空域開放，并提供課前在線測(cè)試、課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí).

圖1 虛實(shí)結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

實(shí)驗(yàn)課程除了實(shí)驗(yàn)教學(xué)外還需要學(xué)生掌握基本的誤差理論、數(shù)據(jù)處理方法等理論內(nèi)容.這些內(nèi)容往往安排在實(shí)驗(yàn)開始前的緒論部分中.由于學(xué)生沒有做實(shí)驗(yàn)，對(duì)這些理論方法理解不深，了解不透，而在實(shí)驗(yàn)過程中以及實(shí)驗(yàn)后的處理實(shí)驗(yàn)報(bào)告環(huán)節(jié)則由于相關(guān)理論知識(shí)的忘卻，造成學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力的不足，這也是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中遇到的一個(gè)難點(diǎn)問題.課程在MOOC中專門開設(shè)誤差理論和數(shù)據(jù)處理方法模塊，學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)理論學(xué)習(xí)，在需要時(shí)可以及時(shí)通過MOOC回顧所學(xué)知識(shí)，現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用.同時(shí)為提高學(xué)生利用MOOC學(xué)習(xí)的能力，實(shí)驗(yàn)理論部分學(xué)習(xí)中的課后習(xí)題要求學(xué)生在MOOC平臺(tái)完成，如圖2所示.對(duì)于數(shù)據(jù)處理中遇到的問題可以在MOOC平臺(tái)隨時(shí)與教師進(jìn)行交流.

圖2 實(shí)驗(yàn)理論部分混合式教學(xué)過程

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、MOOC等信息化資源除了能為學(xué)生提供預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)手段外，也可為學(xué)生提供實(shí)體實(shí)驗(yàn)沒有的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，擴(kuò)充學(xué)生的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目表.教育部辦公廳“關(guān)于開展2015年國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知”明確要求“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能.在涉及高?；驑O端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時(shí)，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.”[4]對(duì)于物理學(xué)領(lǐng)域一些高端的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，比如掃描隧道顯微鏡，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成為一個(gè)很好的選擇，學(xué)生可以通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，了解他們本科階段難以接觸到的高端儀器原理及基本操作.

除此之外，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)還有遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)和思想實(shí)驗(yàn)兩個(gè)特色模塊.遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)就可以彌補(bǔ)線上實(shí)驗(yàn)“實(shí)”的不足，是一種“虛(擬儀器面板)——(硬件設(shè)備)實(shí)(體)——真(實(shí))實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景”的新模式.遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)利用信息化技術(shù)，通過遠(yuǎn)程訪問操控實(shí)體儀器開展的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程操作和控制實(shí)驗(yàn)儀器，完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)測(cè)量[5].針對(duì)學(xué)生科學(xué)思維能力的提高，在MOOC上定期發(fā)布思想實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.思想實(shí)驗(yàn)是基于思維的虛擬實(shí)驗(yàn)，以邏輯推演為根據(jù)，憑借實(shí)驗(yàn)者的想象力，不受實(shí)驗(yàn)物質(zhì)條件的制約，被愛因斯坦稱之為“思維的自由創(chuàng)造”，是“理智的自由發(fā)明”.在信息化教學(xué)平臺(tái)中定期發(fā)布思想實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇題目，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)方案，有效地提高了學(xué)生對(duì)物理圖像的理解和建模能力、邏輯思維能力以及實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力.

4 混合式教學(xué)實(shí)施與考核

開課前向?qū)W生發(fā)布《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)MOOC選課與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)要求》，要求學(xué)生進(jìn)行MOOC選課，完成MOOC上針對(duì)本校學(xué)生的緒論課作業(yè)，在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開展線下實(shí)驗(yàn)前需完成MOOC以及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，并在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上完成實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí).任課教師通過后臺(tái)可以掌握學(xué)生預(yù)習(xí)中的難點(diǎn)問題，并在線下教學(xué)中有所側(cè)重.學(xué)生實(shí)驗(yàn)后也可以利用MOOC和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行復(fù)習(xí).課程考核也以線上線下混合的形式進(jìn)行，包括終結(jié)性考核和形成性考核，比例為3∶7.終結(jié)性考核以線下考試的形式進(jìn)行，形成性考核包括線上的緒論作業(yè)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)以及線下的實(shí)驗(yàn)成績(jī)等部分組成.