后疫情時(shí)代物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的實(shí)踐與探索

謝美秋，王海云，李興鰲

(南京郵電大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 210023)

核心素養(yǎng)作為新世紀(jì)培養(yǎng)人才價(jià)值的集中體現(xiàn)，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為國家科學(xué)事業(yè)的繼承和人類社會(huì)的健康發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。中國教育學(xué)家林崇德教授曾指出，世界教育界關(guān)注的焦點(diǎn)之一是學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)[1]。因此，要想在當(dāng)今全球人才競爭中占據(jù)優(yōu)勢，其根本在于發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。為了培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，我國教育部正在優(yōu)化基于各學(xué)科核心素養(yǎng)的課程與教學(xué)改革。南京郵電大學(xué)作為一所以“電子科學(xué)與技術(shù)”為一流學(xué)科的雙一流建設(shè)高校，理工科專業(yè)的學(xué)生居多，而大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是理工科專業(yè)學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)課程。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程在培養(yǎng)學(xué)生牢固樹立正確的價(jià)值觀、世界觀，提高學(xué)生提出問題、分析問題以及解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索科學(xué)和創(chuàng)新的精神等方面具有無可取代的作用，為大學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)、科研和工作打下堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)[2]。那么，如何將物理學(xué)科核心素養(yǎng)融入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中成為各大高校實(shí)驗(yàn)教師必須思考的問題。

2020年初，由于新冠疫情的突如其來，全國各高等大學(xué)紛紛開展線上教學(xué)。雖然目前疫情在各省市仍有散點(diǎn)式出現(xiàn)，但是全球新冠疫情形勢具有逐漸向好趨勢。歷時(shí)兩年多的線上授課經(jīng)驗(yàn)，后疫情時(shí)代將衍生出高校教學(xué)的新模式和新方向[3]。物理作為一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，其中的各種理論建立和規(guī)律發(fā)現(xiàn)均需實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。而實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證在人類發(fā)展史上靠的是儀器的操作。因此，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程作為高校理工科專業(yè)必修基礎(chǔ)課程，具有與其他理論課程不同的特點(diǎn)[4]。那么，后疫情時(shí)代中大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是否只采用線下或者線上線下混合模式，如何銜接傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)授課與現(xiàn)有線上授課，虛實(shí)結(jié)合，并充分優(yōu)化培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的能力呢？

1 傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)大學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的短板

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是指學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識過程中逐漸形成適合自身終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力[5]。是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的具有物理學(xué)科性質(zhì)的品質(zhì)。物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四部分[6]，如圖1?；谖锢韺W(xué)科的自身特征，物理教學(xué)需在“實(shí)驗(yàn)探究”的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)知識學(xué)習(xí)過程中構(gòu)建“物理觀念”、發(fā)展“科學(xué)思維”和形成“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”[7]。

圖1 物理學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)容

疫情發(fā)生前，絕大多數(shù)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式。主要以教師講解實(shí)驗(yàn)原理和演示操作實(shí)驗(yàn)儀器等環(huán)節(jié)；學(xué)生課前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、課中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和課后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。直接結(jié)果就是教師講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容像“流水線”，缺少激情。而學(xué)生對于預(yù)習(xí)只顧抄書本，流于表面，對即將學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容并沒有真正的理解并融會(huì)貫通，因此，在物理學(xué)科核心素養(yǎng)中物理觀念的起跑線就已經(jīng)輸?shù)?；在上課期間，學(xué)生專注于完成實(shí)驗(yàn)操作，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根本不注意老師的實(shí)驗(yàn)原理講解和注意事項(xiàng)提醒，直接影響就是失誤的操作可能導(dǎo)致儀器的損壞(比如雙臂電橋中檢流計(jì)的使用)，更甚者影響健康(比如邁克爾遜干涉儀，He-Ne激光不能對著人眼)，根本達(dá)不到理解并掌握當(dāng)前實(shí)驗(yàn)的物理觀念這一環(huán)節(jié)，進(jìn)而何談科學(xué)探究、科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等的培養(yǎng)；課后學(xué)生敷衍地處理數(shù)據(jù)甚至抄襲作業(yè)，影響課程的總成績。最終，基于傳統(tǒng)授課方式的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，完全起不到培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的作用。

2 物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的探討和舉措

針對傳統(tǒng)教學(xué)物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的問題，提出基于后疫情時(shí)代學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的措施，如圖2所示。

圖2 物理實(shí)驗(yàn)混合授課融入物理學(xué)科核心素養(yǎng)元素的流程圖

2.1 改革和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教師授課模式

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)授課模式以教師講解為主體，學(xué)生只是被動(dòng)接受教師提出的物理量概念、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和機(jī)械操作實(shí)驗(yàn)儀器。因此，學(xué)生并沒有發(fā)揮主觀能動(dòng)性，沒有探索精神，何談培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。為了改變這種現(xiàn)狀，南京郵電大學(xué)實(shí)驗(yàn)教師申請了南京郵電大學(xué)《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》在線開放課程建設(shè)，于2018年獲批為江蘇省首批精品課程。并在當(dāng)年9月正式在中國大學(xué)MOOC平臺(tái)上同步進(jìn)行該學(xué)期的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，該課程涵蓋了實(shí)驗(yàn)原理講解、儀器使用(比如螺旋測微器、游標(biāo)卡尺等)、實(shí)驗(yàn)操作視頻等。但疫情爆發(fā)前，學(xué)生僅靠其應(yīng)付教師的預(yù)習(xí)，并沒有達(dá)到真正物盡其用的目的。疫情爆發(fā)后，各大高校積極響應(yīng)“停課不停教，停課不停學(xué)”的號召，開啟了線上授課模式。而大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)需培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能，故具有與其他理論課程不同的特征。因此，實(shí)驗(yàn)課是否純粹靠線上授課，如何開展等問題給高校教師引來了新難題和新挑戰(zhàn)。南京郵電大學(xué)實(shí)驗(yàn)教師采用集體備課的方式，及時(shí)更新并利用中國大學(xué)MOOC上面資源。同時(shí)積極創(chuàng)建QQ和微信群提前將預(yù)習(xí)內(nèi)容分享到群里，增加問題環(huán)節(jié)，讓學(xué)生帶著問題去預(yù)習(xí)。

實(shí)驗(yàn)原理部分的講解部分控制在10分鐘以內(nèi)，這不僅提高學(xué)生預(yù)習(xí)的目的性，也節(jié)約了教師上課的時(shí)間。同時(shí)還可以設(shè)置相應(yīng)的題目，讓學(xué)生重視預(yù)習(xí)，真正的對物理概念有所理解，不容易蒙混過關(guān)，這正符合物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的物理觀念和科學(xué)思維兩要素。實(shí)驗(yàn)儀器操作視頻不僅在學(xué)生預(yù)習(xí)部分讓學(xué)生看到實(shí)物不再只靠想象和書本的靜圖，而且可以更直觀地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生有繼續(xù)學(xué)習(xí)、探索的欲望。從而可以進(jìn)一步思考實(shí)驗(yàn)完成后的后續(xù)問題，比如惠斯通電橋?qū)嶒?yàn)，比率臂如何選取才能保證測量有較高的準(zhǔn)確度？激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的潛能，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究、科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任方面的素養(yǎng)，為大學(xué)生物理競賽做準(zhǔn)備，甚至為后面參與科研項(xiàng)目打下基礎(chǔ)。

2.2 線上線下混合教學(xué)相結(jié)合

課前預(yù)習(xí)、課后回顧乃至期末考前復(fù)習(xí)，學(xué)生均可以通過中國大學(xué)MOOC——南京郵電大學(xué)《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》同步觀看實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作視頻和做題。然而，在熟悉實(shí)驗(yàn)儀器及儀器構(gòu)造，乃至實(shí)驗(yàn)操作部分，僅靠簡單的觀看很難達(dá)到共鳴，更遑論發(fā)現(xiàn)問題和發(fā)散思維，不利于培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。所以，線上操作部分，學(xué)生可以通過虛擬仿真3D實(shí)驗(yàn)來更加深刻體會(huì)實(shí)驗(yàn)的原理和內(nèi)容。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生在預(yù)習(xí)的時(shí)候自己操作，當(dāng)中遇到問題可以在QQ和微信群里面求助教師，教師可以根據(jù)問題，及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生找出問題答案，從而解決了學(xué)生遇到問題不能得到及時(shí)解決的困境和挫折，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。線下上課時(shí)學(xué)生根據(jù)線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作不僅可以高效完成實(shí)驗(yàn)，而且有充足的時(shí)間讓有發(fā)散思維和對虛擬操作有疑問的學(xué)生，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。學(xué)生依據(jù)真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境，利用已有的事實(shí)經(jīng)驗(yàn)可以更深入地構(gòu)建物理知識之間、物理與其他學(xué)科之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，理解實(shí)驗(yàn)工作原理，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更有甚者學(xué)生根據(jù)發(fā)現(xiàn)的新問題，增添創(chuàng)新元素，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生對物理知識的深度理解，訓(xùn)練學(xué)生分析問題的思維能力以及合理猜測，從而培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案的探究能力[8]。這均為后續(xù)物理競賽中提供題材，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了核心素養(yǎng)的要求。

2.3 加大教師隊(duì)伍培養(yǎng)和經(jīng)費(fèi)投入

MOOC的建設(shè)和更新、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)均需要大量優(yōu)秀教師的投入。另外，實(shí)驗(yàn)儀器的使用壽命過長導(dǎo)致儀器測量不準(zhǔn)確，誤差較大，容易打擊學(xué)生的自信心，而且不利于學(xué)生得出正確結(jié)論，從而影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)問題中的因果推理，進(jìn)而影響學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的正確描述和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確解釋。學(xué)生分析問題和解決問題的能力得不到鍛煉，最終影響了物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。因此，儀器的更新?lián)Q代，師資力量的投入迫在眉睫。雖然虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一方面可以減小儀器使用的錯(cuò)誤率，另一方面學(xué)生不再過多依賴實(shí)驗(yàn)室和真實(shí)儀器，一定程度上延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)。然而，學(xué)生新想法、新實(shí)驗(yàn)方案的驗(yàn)證需要線下操作進(jìn)行的，由于實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間的限制，勢必會(huì)扼殺學(xué)生發(fā)散思維的發(fā)展。因此，物理實(shí)驗(yàn)室可以在非課間時(shí)間給每個(gè)實(shí)驗(yàn)室配備有經(jīng)驗(yàn)有相關(guān)課題研究的研究生，讓平時(shí)實(shí)驗(yàn)未完成或者有想法繼續(xù)探索的學(xué)生繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，并可與研究生交流。不僅本科生能夠突破現(xiàn)有，將所學(xué)物理知識加以新用，使得理論知識實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)化的具體應(yīng)用與開拓發(fā)展，而且研究生同本科生的開放性討論中獲得碰撞思想，能夠在自己的課題中得到突破性進(jìn)展。

2.4 構(gòu)建多維度的成績考核機(jī)制

學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)難以得到優(yōu)質(zhì)培養(yǎng)除了教學(xué)模式單一、師資投資不夠以外，考核機(jī)制也體現(xiàn)出相對滯后的問題。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程傳統(tǒng)的考核方式主要是兩部分：平時(shí)成績和期末考試。平時(shí)由考勤、預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告構(gòu)成，其中實(shí)驗(yàn)報(bào)告是平時(shí)成績的主要來源。這種考核雖然看起來不單一，但是真正執(zhí)行起來，對學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)并無裨益。比如預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，由于課時(shí)限制，教師能在課上簡單地檢查預(yù)習(xí)報(bào)告，對于學(xué)生是否真正理解實(shí)驗(yàn)原理和概念了解甚少。因此，教師可以通過MOOC、QQ微信群、甚至在課上雨課堂、翻轉(zhuǎn)課堂等在講解原理和注意事項(xiàng)時(shí)，針對所講的內(nèi)容對學(xué)生予以提問，適當(dāng)給予平時(shí)成績的加分機(jī)制予以激勵(lì)。當(dāng)然也可以在完成實(shí)驗(yàn)也即是課后增加問題的設(shè)置和激勵(lì)政策，從而鞏固本節(jié)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。比如：學(xué)生也可以在QQ、微信群上提問問題，這樣知道問題答案的同學(xué)可以幫老師回答，實(shí)行加分激勵(lì)，讓有同樣疑問的學(xué)生看到防止重復(fù)，節(jié)約時(shí)間。課中實(shí)驗(yàn)操作部分的考核可以細(xì)分，實(shí)驗(yàn)快慢、準(zhǔn)確度、數(shù)據(jù)誤差多少等均可以作為平時(shí)考核的一部分。這樣，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)當(dāng)中出現(xiàn)的問題慢慢地會(huì)從被動(dòng)接受到主動(dòng)思考的轉(zhuǎn)變。促進(jìn)學(xué)生思考問題，發(fā)現(xiàn)問題，并最終提高解決問題的能力。另外，教師也可以讓學(xué)生從所發(fā)現(xiàn)的問題，引導(dǎo)其發(fā)現(xiàn)新問題，進(jìn)而擴(kuò)展學(xué)生的思維發(fā)散，挖掘和發(fā)展學(xué)生的科研能力。教師從新問題中挑選出操作的可行性，指導(dǎo)學(xué)生參加物理競賽。這就達(dá)到物理學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)的目的。

3 結(jié) 語

基于新冠疫情期間大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的混合授課模式的改革和探索，為培養(yǎng)后疫情時(shí)代的本科生物理學(xué)科核心素養(yǎng)提供參考和執(zhí)行思路。后疫情時(shí)代混合教學(xué)是適應(yīng)時(shí)代和本科生自身特點(diǎn)的最佳授課模式。在此模式下，大學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)需貫穿整個(gè)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的始終。學(xué)校和學(xué)院加大師資和經(jīng)費(fèi)的投入，加強(qiáng)開發(fā)虛擬仿真3D實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目支持學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)。物理實(shí)驗(yàn)教師不斷創(chuàng)新教學(xué)模式，增加考核機(jī)制的多樣性，最大可能地挖掘和培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，使學(xué)生更能適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要。