虛實(shí)結(jié)合的三維一體《大學(xué)物理》教學(xué)模式的實(shí)踐和探索*

高國軍 劉小妹 王 芳 周青春 戴 俊

(江蘇科技大學(xué)理學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

1 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各高校都積極投入大學(xué)物理線上課程的建設(shè)，中國大學(xué)慕課可用資源豐富多彩，應(yīng)有盡有．學(xué)生可根據(jù)需要和喜好，自由選擇．但是目前的課程資源是不是夠完善了呢？對于學(xué)生知識框架的建立和能力培養(yǎng)是不是完全足夠了呢？調(diào)查后不難發(fā)現(xiàn)，大學(xué)物理線上課程一般都存在理論與實(shí)驗(yàn)脫鉤的問題，理論課堂中極少引入實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對理論知識點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)歸納產(chǎn)生過程缺少體驗(yàn)感．因此，如何合理恰當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)引入到大學(xué)物理課程教學(xué)中來是值得我們關(guān)注的一大重要問題．

另一方面，各高校為了讓眾多學(xué)生在課堂外能夠接觸物理實(shí)驗(yàn)，開始投入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)線上課程的建設(shè)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前提前了解熟悉各類實(shí)驗(yàn)儀器、操作方式及物理原理，這類課程的建立主要致力于解決中國學(xué)生實(shí)踐能力缺乏的現(xiàn)狀．近年來，為了加強(qiáng)對學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，以及引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入前沿科學(xué)研究及大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生，投入建設(shè)和應(yīng)用．在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以提供全新的開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的平臺和模式，突破實(shí)驗(yàn)課堂的課時和空間限制，將重要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)元素都在在線開放課程中呈現(xiàn)給學(xué)生．但當(dāng)前國內(nèi)在線開放大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)及在線虛擬實(shí)驗(yàn)課程相對較少．

綜觀大學(xué)物理及大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程和課程建設(shè)思路，不難發(fā)現(xiàn)，長期以來大學(xué)物理理論課程與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的獨(dú)立開課模式，無法實(shí)現(xiàn)對學(xué)生的理論與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ耐脚囵B(yǎng)訓(xùn)練[1]．學(xué)生的理論學(xué)習(xí)沒有實(shí)驗(yàn)根基浮而不實(shí)，理解不透，疏于應(yīng)用，而實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)則因理論欠缺，思考不夠[2]，創(chuàng)新和設(shè)計(jì)很難實(shí)踐．在“培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)”的教育理念大背景下，教師在幫助學(xué)生建立傳統(tǒng)知識體系的同時，如何針對學(xué)生特質(zhì)培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力[3]，已經(jīng)成為物理教學(xué)中的重要命題．大家都深刻意識到，針對全體大學(xué)生的創(chuàng)新訓(xùn)練，才是實(shí)現(xiàn)新工科及基礎(chǔ)研究珠峰計(jì)劃的重要基礎(chǔ)．基于上面的分析和思考，我們對大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和方法進(jìn)行了以下幾個方面的實(shí)踐和探索．

2 建設(shè)豐富的大學(xué)物理在線開放課程資源 將理論課程知識點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行匹配鏈接

在線開放課程模式(MOOC)已經(jīng)成為學(xué)生線下學(xué)習(xí)必不可少的有效輔助和補(bǔ)充，它的優(yōu)勢不言而喻．在線開放大學(xué)物理課程正逐步成為物理學(xué)教學(xué)的重要輔助手段，課程教學(xué)內(nèi)容的展現(xiàn)維度將會越來越豐富.江蘇科技大學(xué)正嘗試突破目前以理論知識點(diǎn)講解為主的固定思維和模式，將豐富的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)及演示實(shí)驗(yàn)引入到線上課程資源中，建立內(nèi)嵌虛擬及演示實(shí)驗(yàn)的大學(xué)物理線上課程資源，有效激發(fā)學(xué)生課堂外主動參與線上學(xué)習(xí)的熱情．

首先，我們對大學(xué)物理的整體脈絡(luò)和內(nèi)容進(jìn)行分析研究，結(jié)合相應(yīng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將各知識點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目匹配鏈接，建立線上資源與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的有效銜接，逐步建成理論知識點(diǎn)與相應(yīng)實(shí)驗(yàn)同步推進(jìn)、相輔相成的教學(xué)模式．將大學(xué)物理各個模塊與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)比對．比如力學(xué)模塊中，將“剛體的轉(zhuǎn)動慣量”知識點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)“復(fù)擺法測定金屬環(huán)的轉(zhuǎn)動慣量”“三線擺法測轉(zhuǎn)動慣量”“凱特擺測重力加速度”進(jìn)行有效銜接；熱學(xué)模塊中，將“熱敏電阻”知識點(diǎn)與“半導(dǎo)體溫度計(jì)的設(shè)計(jì)”進(jìn)行關(guān)聯(lián)；光學(xué)模塊中，將“光的干涉、衍射”知識點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)“全息照相”鏈接；電學(xué)模塊中將知識點(diǎn)“帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動”與實(shí)驗(yàn)“霍爾效應(yīng)測磁場”進(jìn)行關(guān)聯(lián)．

大學(xué)物理課程學(xué)習(xí)中引入在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)感，建立知識點(diǎn)的根基和脈絡(luò)，實(shí)踐物理知識的立體化深度理解，具有與課內(nèi)實(shí)驗(yàn)相同的教學(xué)效果．通過建立理論課堂與實(shí)驗(yàn)課堂的有機(jī)關(guān)聯(lián)，加深對物理理論概念、原理的理解掌握．舉例來說，針對剛體力學(xué)部分“轉(zhuǎn)動慣量”理論知識點(diǎn)，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)“凱特擺測量重力加速度”(圖1)可以強(qiáng)化學(xué)生對轉(zhuǎn)動慣量及轉(zhuǎn)動定律的理解，讓學(xué)生體會轉(zhuǎn)動慣量如何改變擺的周期，增強(qiáng)理論教學(xué)效果，同時培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力．其次，對于大型實(shí)驗(yàn)裝置，難以在普通實(shí)驗(yàn)室開展運(yùn)行的這些實(shí)驗(yàn)，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生近距離了解最新的物理實(shí)驗(yàn)科學(xué)前沿進(jìn)展，拓展學(xué)生視野．

圖1 MOOC大學(xué)物理剛體力學(xué)部分4.5節(jié)教學(xué)視頻截圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制作線下課堂虛擬實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 實(shí)現(xiàn)線上線下混合式教學(xué)過程中課堂實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)

雖然線上課程資源豐富多彩，但目前來說線下課堂仍是學(xué)生學(xué)習(xí)的主戰(zhàn)場，學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效率和效果是決定素質(zhì)培養(yǎng)的關(guān)鍵因素．調(diào)查顯示，很多學(xué)生對于大學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)都處于霧里看花的學(xué)習(xí)狀態(tài)，遇到問題似是而非，似懂非懂．最根本的原因是學(xué)生對于知識點(diǎn)的理解還處于感性階段，沒有實(shí)現(xiàn)感性到理性的邏輯升華．為增強(qiáng)學(xué)生對物理知識從感性認(rèn)知到理性分析的邏輯歸納能力，突破理論課與實(shí)驗(yàn)課的界限[4]，江蘇科技大學(xué)嘗試建成演示實(shí)驗(yàn)與理論課相融合的互動翻轉(zhuǎn)大學(xué)物理教學(xué)模式．

首先，進(jìn)行大學(xué)物理內(nèi)容和框架的整理和分析，以知識規(guī)律的最初發(fā)現(xiàn)過程開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；或者以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，尋找能演示知識規(guī)律的課堂手段．然后，依據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，逐步開設(shè)和建立一整套課堂演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，提高授課吸引力[5]．同時，提供對應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的在線交互教學(xué)資源，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)體會真實(shí)實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)環(huán)境，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生對物理知識點(diǎn)的立體化深度理解．比如講解駐波知識點(diǎn)時，用電動牙刷結(jié)合繩子演示駐波的形成過程，然后給學(xué)生播放昆特管中聲駐波演示視頻，讓學(xué)生體會豐富多彩的三維駐波．再比如講解振動的簡振模式時，現(xiàn)場邀請學(xué)生表演吉他、笛子等樂器，帶領(lǐng)學(xué)生關(guān)注樂器發(fā)聲原理，聲臨其境感受物理知識的奇妙性．

另外，為提高教學(xué)效果，我們結(jié)合課堂演示實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)有效互動和翻轉(zhuǎn)．舉例來說，在剛體轉(zhuǎn)動慣量的知識點(diǎn)教學(xué)中，通過兩個學(xué)生參與度高的實(shí)例來進(jìn)行加強(qiáng)鞏固．

第一個實(shí)例：如何判斷雞蛋的生熟？給學(xué)生隨機(jī)分發(fā)生、熟雞蛋，讓同學(xué)們通過本節(jié)知識點(diǎn)去區(qū)分，動手操作后分組討論，給出理論解釋．

第二個實(shí)例：用一根手指頂起細(xì)桿，桿子的長度對保持平衡的影響．學(xué)生分組討論，實(shí)際操作(圖2)給出何種桿子更容易保持平衡的方法，分組討論為何高空鋼絲雜技運(yùn)動員需手持長桿(如圖3中教學(xué)視頻重點(diǎn)舉例插圖)．通過這種以學(xué)生為主體的課堂教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)了師生互動、加強(qiáng)了學(xué)生間的有效溝通，使得課堂教學(xué)變得有趣且高效．

圖2 大學(xué)物理剛體力學(xué)部分課堂實(shí)錄

圖3 MOOC大學(xué)物理剛體力學(xué)部分課堂翻轉(zhuǎn)演示實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)合線上課程資源及虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的便利性 圍繞我校各主要理工科專業(yè) 設(shè)計(jì)凸顯船舶海洋特色的物理創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目

在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的大環(huán)境中，大學(xué)物理課程也正積極關(guān)注大學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，為適應(yīng)新形勢，培養(yǎng)新型人才，江蘇科技大學(xué)嘗試建設(shè)有學(xué)校自身特色的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新訓(xùn)練體系，項(xiàng)目內(nèi)容貫穿力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)多個物理板塊，實(shí)現(xiàn)物理課程學(xué)習(xí)中全過程進(jìn)行學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；實(shí)現(xiàn)物理課程中嵌入學(xué)校特色和專業(yè)特色，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣．創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目具體實(shí)踐步驟如下：大學(xué)物理課程團(tuán)隊(duì)從我校各海洋特色專業(yè)中的實(shí)際物理問題出發(fā)，結(jié)合近幾年的物理實(shí)驗(yàn)競賽項(xiàng)目和內(nèi)容(國際青年物理學(xué)家競賽IYPT)，設(shè)計(jì)創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，構(gòu)思了一套融入我校海洋特色的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系，比如以項(xiàng)目“設(shè)計(jì)一艘只因內(nèi)部部件的周期性機(jī)械運(yùn)動而移動的船，并且它只通過堅(jiān)硬的船體與環(huán)境(空氣、水)相互作用產(chǎn)生移動．優(yōu)化你所建的船的參數(shù)以達(dá)到最大速度．”為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)思；利用在線課程面向全體學(xué)生進(jìn)行開放，學(xué)期初，發(fā)布針對各知識板塊的創(chuàng)新訓(xùn)練題目，學(xué)生自由分組(3～5人一組)；在對應(yīng)板塊授課結(jié)束時，各組完成并提交設(shè)計(jì)方案，利用在線學(xué)習(xí)反饋板塊測評學(xué)生解決問題的科學(xué)性，然后安排討論課分析各方案的優(yōu)缺點(diǎn)、可行性，評選出前10名優(yōu)秀方案；在此基礎(chǔ)上，依托國家級和江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃進(jìn)行，遴選高水平學(xué)生進(jìn)一步開展高階科學(xué)創(chuàng)新訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)科學(xué)研究整體能力的開發(fā)．通過創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目的有機(jī)融合，逐步實(shí)踐立體化的、培養(yǎng)創(chuàng)新能力的特色性行業(yè)院校物理課程全新教學(xué)模式．

創(chuàng)新能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)，在線課程中設(shè)置創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，在給學(xué)生提供創(chuàng)新問題描述的基礎(chǔ)上，同時為學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)，輔助學(xué)生理解創(chuàng)新訓(xùn)練題目的物理實(shí)質(zhì)(圖4)．線下課堂實(shí)驗(yàn)演示，進(jìn)行原理分析，邀請同學(xué)翻轉(zhuǎn)式教學(xué)，分享各小組創(chuàng)新訓(xùn)練題目的報告匯報，通過活躍的課堂討論形式，強(qiáng)化學(xué)生對物理知識的理解及對創(chuàng)新能力潛移默化的培養(yǎng)[6]．

圖4 MOOC大學(xué)物理剛體力學(xué)部分4.6節(jié)教學(xué)視頻截圖

5 結(jié)論

本文從江蘇科技大學(xué)大學(xué)物理教學(xué)實(shí)際出發(fā)，針對大學(xué)物理課程資源建設(shè)中缺乏實(shí)驗(yàn)元素及創(chuàng)新互動元素的實(shí)際，探索和建立內(nèi)嵌虛擬仿真及演示實(shí)驗(yàn)、融入學(xué)校船舶海洋專業(yè)特色、創(chuàng)新元素豐富的大學(xué)物理線上開放課程．利用線上課程資源，實(shí)踐線上線下混合式教學(xué)，與此同時，豐富線下課堂教學(xué)，建立一套課堂演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，提高授課吸引力，并通過貫穿全課程的系統(tǒng)物理創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目，建立觀察—實(shí)驗(yàn)—記錄—總結(jié)—?dú)w納的物理規(guī)律生成路徑，融入討論式、翻轉(zhuǎn)式教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)及實(shí)踐創(chuàng)新能力．最終建立“線上線下課程資源建設(shè)+虛實(shí)結(jié)合課堂實(shí)驗(yàn)+創(chuàng)新訓(xùn)練”三維一體全方位課程及教學(xué)體系(圖5)，致力于學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)．

圖5 大學(xué)物理課程教學(xué)思路