基于CBE的普通物理實驗教學(xué)改革探索

余楚迎

（韓山師范學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院 廣東 潮州 521041）

以云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等為代表的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使得理工科課程的學(xué)習(xí)方式、教學(xué)方式、評價方式等均發(fā)生很大的變化，呈現(xiàn)了多樣性、交互性等新特點。自2017年起，教育部積極推進新工科建設(shè)，在此背景下，社會對高校培養(yǎng)具有較強創(chuàng)新意識和實踐能力的應(yīng)用型人才提出了更高的要求[1]。物理學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的中心學(xué)科之一，可以劃分為理論物理和實驗物理，兩者同等重要[2]。物理實驗是理工科學(xué)生的必修專業(yè)課程，是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際能力、實踐動手能力的重要環(huán)節(jié)。

信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得物理理論課程的教學(xué)模式得到較快的發(fā)展，如MOOC教學(xué)[3]、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)[4]等。然而，物理實驗課程教學(xué)中存在的一些問題制約了學(xué)生科學(xué)實驗實踐能力的培養(yǎng)和科學(xué)素質(zhì)的養(yǎng)成，如[5]：①有限的實驗儀器、實驗時間和實驗場地等教學(xué)資源與學(xué)生日益增長的學(xué)習(xí)需求之間的矛盾，如動手操作的預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)因各種限制因素而無法在實驗室開展等；②科學(xué)技術(shù)和知識的飛速發(fā)展使得過去傳統(tǒng)的思維方法與學(xué)習(xí)方式不斷受到?jīng)_擊，如傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，學(xué)生依然習(xí)慣于被動式地接受知識灌輸，在實驗中缺乏獨立思考，過于依賴課本和教師，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力；③以 “實驗報告的標準答案” 作為單一的評價方法不夠客觀，不利于實際問題解決能力的培養(yǎng)等。有鑒于此，本文結(jié)合Moodle（Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment，模塊化面向?qū)ο蟮膭討B(tài)學(xué)習(xí)環(huán)境）平臺[6]與線上實驗仿真系統(tǒng)[7]，基于CBE（Competence Based Education）[8]理念探索 “能力導(dǎo)向、多維融合、綜合評價” 的普通物理實驗教學(xué)模式，具體思路如圖1所示。

圖1 基于CBE理念的普通物理實驗教學(xué)改革思路

1 相關(guān)理論與技術(shù)

1.1 CBE理論[8]

CBE是一種以能力培養(yǎng)為基礎(chǔ)的課程教學(xué)模式，它強調(diào)以培養(yǎng)學(xué)習(xí)者能力為出發(fā)點。CBE理念中，要求改變以教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式，并以能力為框架，以學(xué)生為主體，充分發(fā)揮學(xué)生的主動性進行自主學(xué)習(xí)，同時老師的角色則轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的管理員、促進者而不再是知識的傳授者和灌輸者。此外，CBE要求課程還應(yīng)具有多樣化的教學(xué)方式，以最大限度地滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

1.2 Moodle平臺[6]

隨著遠程教育的快速發(fā)展，在線學(xué)習(xí)平臺已成為網(wǎng)絡(luò)課程開展教與學(xué)活動的主要場所。Moodle是基于社會建構(gòu)主義教學(xué)理論的源代碼開源課程管理平臺，任何人都能根據(jù)需求開發(fā)、設(shè)計和管理自身的網(wǎng)絡(luò)課程，支持學(xué)習(xí)者的自主學(xué)習(xí)，目前已廣泛應(yīng)用于教育領(lǐng)域。因此，本研究將利用Moodle平臺的功能為學(xué)生構(gòu)建一個關(guān)于 “普通物理實驗” 課程的有效的自主學(xué)習(xí)環(huán)境。

1.3 線上實驗仿真系統(tǒng)

由于能有效彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，實驗仿真系統(tǒng)在實驗教學(xué)中越來越受到關(guān)注。通過仿真系統(tǒng)能讓尚未進行實驗的同學(xué)能在直觀上先了解和認識實驗環(huán)境和所用儀器的原理，熟悉儀器的功能和使用方法。此外，還可以通過讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中自行設(shè)計實驗方案、模擬真實的實驗過程，培養(yǎng)他們的設(shè)計能力及提高實驗水平。本研究通過構(gòu)建 “普通物理實驗” 線上實驗仿真系統(tǒng)進行實驗教學(xué)改革，以提升學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力。

2 基于CBE的普通物理實驗教學(xué)與實踐

為補充和完善傳統(tǒng)普通物理實體實驗教學(xué)的不足，研究確定依托學(xué)校的智慧校園，基于Moodle平臺與線上實驗仿真系統(tǒng)，構(gòu)建普通物理實驗自主學(xué)習(xí)環(huán)境，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合線下實踐實驗培養(yǎng)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)、實踐和創(chuàng)新能力。

2.1 構(gòu)建基于Moodle與線上實驗平臺的自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)

傳統(tǒng)實驗教學(xué)主要包括預(yù)習(xí)、操作和報告三個環(huán)節(jié)。然而實踐發(fā)現(xiàn)，在真正實驗前，由于學(xué)生未做過真正的實驗或見過具體的實驗儀器，同時缺乏習(xí)題的練習(xí)與復(fù)習(xí)，因此即使進行了預(yù)習(xí)，大部分學(xué)生仍然難以對實驗的整體環(huán)境、實驗儀器的原理等建立起直觀認識，導(dǎo)致很多學(xué)生在真正實驗操作時存在盲目操作和走過場等現(xiàn)象，實驗效率較低。此外，部分學(xué)生比較依賴老師及實驗時較少思考，使得學(xué)習(xí)效果不明顯且缺乏創(chuàng)新性。為提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實踐能力，實驗教學(xué)團隊經(jīng)過調(diào)研和可行性研究后，基于CBE教育理念，提出結(jié)合Moodle與線上仿真實驗平臺構(gòu)建自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實驗預(yù)習(xí)、仿真實驗、作業(yè)發(fā)布、學(xué)習(xí)評價等功能。

2.1.1 線上仿真實驗平臺建設(shè)

根據(jù)實際情況，學(xué)院采用向企業(yè)購買實驗庫的方式建設(shè)線上實驗仿真平臺。該仿真教學(xué)平臺架設(shè)在我校智慧校園的云平臺系統(tǒng)上，學(xué)生可隨時進行線上仿真實驗。

根據(jù)教學(xué)大綱及不同專業(yè)的需求，所購置的仿真實驗平臺包括力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和電磁學(xué)5類實驗項目。仿真平臺中的每一個實驗項目都提供了實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗儀器、實驗指導(dǎo)、在線演示、仿真實驗?zāi)K。其中，學(xué)生通過實驗原理和實驗內(nèi)容模塊可以學(xué)習(xí)實驗的物理思想與方法；通過實驗儀器模塊中的儀器實物圖像及操作說明可以掌握所用實驗儀器的結(jié)構(gòu)及原理；通過實驗指導(dǎo)和在線演示模塊中的實驗操作方法介紹及操作視頻可以學(xué)習(xí)實驗技能，并增強學(xué)生對物理實驗的興趣。此外，基于仿真平臺的儀器模塊化功能，教學(xué)團隊還鼓勵學(xué)有余力的同學(xué)對所提供的儀器自行進行選擇和組合，設(shè)計用不同的方法仿真完成同一實驗?zāi)繕耍蕴岣邔嶒炘O(shè)計能力和實驗水平。

上述仿真平臺為自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)的構(gòu)建提供了有力的支撐，它既可以使學(xué)生在自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)中通過借助虛擬仿真技術(shù)進行實驗學(xué)習(xí)與操作練習(xí)，也可以讓老師將仿真實驗與線下實踐實驗進行虛實結(jié)合、相互補充，改進實驗教學(xué)模式，采用更豐富的教學(xué)手段進行教學(xué)。

2.1.2 “普通物理實驗” 自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)的構(gòu)建

雖然利用仿真實驗平臺能使實驗教學(xué)較好地突破時間和空間的限制，但由于該平臺缺少教學(xué)互動、教學(xué)資源、考核評價等功能，滿足不了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需求，也限制了教師在教學(xué)中的作用。因此，為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，教學(xué)團隊結(jié)合仿真實驗平臺與Moodle平臺設(shè)計了一個 “普通物理實驗” 的自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

通過調(diào)研并進行需求分析后確定該系統(tǒng)包括實驗簡介、實驗預(yù)習(xí)、仿真實驗、作業(yè)發(fā)布、學(xué)習(xí)討論、學(xué)習(xí)評價等模塊。在系統(tǒng)中，可以設(shè)置管理員、教師與學(xué)生等3類角色。教學(xué)實踐過程中，將以學(xué)生自主學(xué)習(xí)、協(xié)同學(xué)習(xí)為主體，老師則作為教學(xué)的組織指導(dǎo)者和設(shè)計者，實現(xiàn)教學(xué)模式從以教師為中心向以學(xué)生為中心的轉(zhuǎn)變。

①實驗簡介模塊。該模塊首先介紹實驗項目的基本情況，然后通過超鏈接轉(zhuǎn)向仿真實驗平臺的相應(yīng)實驗原理、實驗內(nèi)容和實驗儀器模塊進行學(xué)習(xí)。結(jié)合兩個平臺，能有效避免重復(fù)建設(shè)。

②實驗預(yù)習(xí)模塊。預(yù)習(xí)是學(xué)習(xí)的一個重要環(huán)節(jié)，因此為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，教學(xué)團隊組織任課教師進行作業(yè)題庫的建設(shè)，題庫中的題型包括判斷題、單選題、多選題、操作題等。任課教師可以通過作業(yè)題庫以隨機抽題組卷或指定題目兩種方式發(fā)布預(yù)習(xí)習(xí)題，從不同角度考查學(xué)生在預(yù)習(xí)階段對實驗項目的基本概念、原理與方法、公式計算、實驗操作等的掌握情況。預(yù)習(xí)測試題以客觀題為主，并實現(xiàn)系統(tǒng)自動改卷評判學(xué)生的預(yù)習(xí)成績。

③仿真實驗?zāi)K。在該模塊中，學(xué)生首先通過超鏈接轉(zhuǎn)向仿真實驗平臺的相應(yīng)的實驗指導(dǎo)和在線演示學(xué)習(xí)實驗技能，然后進入仿真實驗?zāi)K進行虛擬仿真實驗。仿真實驗過程中，鼓勵學(xué)生在按照指定的實驗方案完成實驗內(nèi)容后，通過調(diào)整實驗參數(shù)或自行選擇虛擬儀器并設(shè)計新的實驗方案進行二次實驗，同時對前后兩組實驗結(jié)果進行對比，分析不同方案的優(yōu)勢與不足，以培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。

④作業(yè)發(fā)布模塊。該模塊由復(fù)習(xí)習(xí)題與實驗報告兩部分組成，并在實驗結(jié)束后布置。與預(yù)習(xí)習(xí)題的生成和發(fā)布相類似，復(fù)習(xí)習(xí)題同樣由任課老師通過作業(yè)庫用兩種方式生成及發(fā)布，并由系統(tǒng)自動進行批改。復(fù)習(xí)測試題側(cè)重由難題和在預(yù)習(xí)測試中錯誤率高的題目構(gòu)成，以進一步鞏固學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

實驗報告是課程的另一個重要環(huán)節(jié)，然而報告中的結(jié)果分析與討論、思考題與實驗體會等難以量化并利用系統(tǒng)進行自動批改，因此在該模塊中，以主觀題的形式發(fā)布電子化的實驗報告，學(xué)生完成實驗報告后再上傳到系統(tǒng)中，老師采用人工評閱的方式進行批改，確保批閱質(zhì)量。

⑤學(xué)習(xí)討論模塊。該模塊主要由老師利用Moodle平臺提供的討論區(qū)、投票等功能，采用分組、激勵等策略組織并指導(dǎo)學(xué)生對實驗項目進行探討交流，實現(xiàn)協(xié)作式學(xué)習(xí)。在開展討論交流的時候，教師在網(wǎng)上進行即時輔導(dǎo)，及時解答學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的問題，增強學(xué)生自主完成學(xué)習(xí)的信心，并營造良好的課程學(xué)習(xí)氛圍。同時，教師在組織線上討論學(xué)習(xí)時，可引導(dǎo)學(xué)生通過查閱科學(xué)文獻與專業(yè)書籍等拓展實驗內(nèi)容或設(shè)計應(yīng)用性實驗的實驗方案，并依托老師的科研項目引導(dǎo)學(xué)生進行科學(xué)研究，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維。例如，在完成光學(xué)基礎(chǔ)實驗后，輔導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生對后續(xù)傅里葉光學(xué)實驗進行學(xué)習(xí)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合筆者主持的廣東省自然科學(xué)基金項目向他們介紹當(dāng)前信息光學(xué)科學(xué)前沿研究內(nèi)容——光學(xué)信息安全，引領(lǐng)學(xué)生進行科研探索，并指導(dǎo)他們參加相關(guān)學(xué)科競賽等，進一步提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)。

此外，在該模塊中還通過上載文檔、視頻等電子教學(xué)資源實現(xiàn)資源共享，幫助學(xué)生進行協(xié)作學(xué)習(xí)。

⑥學(xué)習(xí)評價模塊。在該模塊中，老師從不同的角度，對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進行多元化、過程化的綜合評價，評價項目包括學(xué)生的自主預(yù)習(xí)記錄、參與線上交流學(xué)習(xí)活動的情況、預(yù)習(xí)/復(fù)習(xí)/成績、仿真實驗成績、實驗報告成績、線下實踐實驗的操作技能、應(yīng)用性實驗設(shè)計能力、科學(xué)研究能力等，而考核的形式可以是機試、筆試、操作考試、實驗設(shè)計/演示等等。上述評價項目貫穿學(xué)生整個學(xué)習(xí)過程，且各個項目賦予不同的權(quán)重，使評價更全面、科學(xué)和準確。

通過上述自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)的構(gòu)建，能有效完善普通物理實驗的預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)，改進學(xué)習(xí)效果的評價方式；同時，真實、易操作的仿真實驗提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該系統(tǒng)的應(yīng)用能從知識、技能和創(chuàng)新等多個維度培養(yǎng)學(xué)生的能力。

2.2 線下實驗教學(xué)

雖然仿真實驗?zāi)茏寣W(xué)生快速熟悉和掌握實驗內(nèi)容，但其不能完全取代實物實驗。線下實踐教學(xué)過程在學(xué)生完成預(yù)習(xí)后進行，從實踐的維度培養(yǎng)學(xué)生的動手能力及實驗技能。首先，老師根據(jù)學(xué)生在預(yù)習(xí)階段存在的問題，有針對性地對實驗項目所用儀器的注意事項、操作要領(lǐng)等進行講解，以提高實驗儀器的利用率。然后，在實驗操作階段，以學(xué)生為中心，采用啟發(fā)式教學(xué)方法，讓學(xué)生更好地理解實驗方法和掌握實驗技能。實驗過程中，根據(jù)實際情況，主要采用分組形式進行實驗，分組人數(shù)為1―2人，以確保每位同學(xué)都有實踐操作的機會。老師在此過程中主要充當(dāng)指導(dǎo)者、幫助者，并鼓勵學(xué)生提出問題，在小組之內(nèi)或之間進行思考與討論以探索解決方案，以培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作學(xué)習(xí)、團隊合作的意識。

教學(xué)實踐表明，虛實互補、線上線下結(jié)合的實驗教學(xué)模式能有效激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。

3 結(jié)語

根據(jù)普通物理實驗課程的特點，本文基于CBE理念，以培養(yǎng)能力為導(dǎo)向，探討了知識維度（線上自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)）、技能維度（仿真實驗）、實踐維度（實操實驗）、創(chuàng)新維度（應(yīng)用性實驗）等多維融合實驗教學(xué)模式。同時，針對傳統(tǒng)評價方法不夠客觀的缺點，提出多元化、過程化的綜合評價方法完善考核方式。通過新教學(xué)模式的實踐，發(fā)現(xiàn)學(xué)生能更好理解實驗課程的原理和內(nèi)容，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)主動性，提升了他們的自主學(xué)習(xí)能力、實踐能力等。下一步工作將進一步完善自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)，如實現(xiàn)實驗報告的數(shù)據(jù)處理自動批改以提升教師的工作效率等。