《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》智慧教學(xué)模式的構(gòu)建與研究

李陽娟

莆田學(xué)院工程實(shí)訓(xùn)中心，福建 莆田 351100

智慧教育是指利用互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)來提高教育質(zhì)量，維護(hù)教育公平，這是一種打破傳統(tǒng)的創(chuàng)新型教育模式［1］。智慧教育利用了互聯(lián)網(wǎng)上豐富的教育資源和資源共享平臺，幫助人們突破傳統(tǒng)教育的時(shí)間和空間限制，為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)與發(fā)展提供了最大的可能，是未來教育的發(fā)展趨勢。教育部發(fā)布的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》強(qiáng)調(diào)，要利用智能設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)等新興工具與技術(shù)積極開展智慧教育創(chuàng)新研究和示范，推動(dòng)現(xiàn)代教育的模式變革［2］。因此，將智慧教育理念應(yīng)用于教學(xué)活動(dòng)中，積極創(chuàng)建智慧教學(xué)環(huán)境，用更現(xiàn)代化的技術(shù)手段來提高教學(xué)效率，符合國家教育現(xiàn)代化的政策需求。

《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》是理工科專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程，對學(xué)生的科學(xué)思維、創(chuàng)新意識和實(shí)踐技能的培養(yǎng)具有重要的作用，特別是在科技發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步相適應(yīng)的綜合能力的培養(yǎng)方面有著不可替代的作用。隨著教育改革的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的弊端逐漸顯現(xiàn)，培養(yǎng)出的學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力差且創(chuàng)新能力不足。因此，為了改善教學(xué)現(xiàn)狀，我們將智慧教育理念引入教學(xué)活動(dòng)中，構(gòu)建《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》創(chuàng)新教學(xué)模式，對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有重要的意義。

一、《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》的現(xiàn)狀與不足

（一）重視度不夠，設(shè)備陳舊老化

《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》是傳統(tǒng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，不具備學(xué)科優(yōu)勢，并且很多普通本科高校未開設(shè)物理專業(yè)，導(dǎo)致了在學(xué)校層面的重視程度不夠、投入的經(jīng)費(fèi)有限、實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊老化和課程學(xué)時(shí)縮減等情況［3］。對于學(xué)生而言，由于物理實(shí)驗(yàn)課程并非自己的專業(yè)課程，思想上不夠重視，在學(xué)習(xí)上持有應(yīng)付態(tài)度，沒有認(rèn)真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)及完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。這樣的現(xiàn)狀嚴(yán)重影響了《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程的教學(xué)效果。

《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程包含力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和近代物理學(xué)等方向的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，課程內(nèi)容覆蓋面廣但又相對獨(dú)立，各方向的儀器設(shè)備基本不能共用，有限的經(jīng)費(fèi)投入無法滿足儀器更新?lián)Q代的需求，儀器設(shè)備陳舊及配套數(shù)不足已成為大多數(shù)高校物理實(shí)驗(yàn)室的常態(tài)。

（二）課程設(shè)置落后，上課形式單一

傳統(tǒng)的《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》教學(xué)過程通常是學(xué)生課前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)課上教師講解并演示實(shí)驗(yàn)操作，最后由學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)和記錄數(shù)據(jù)。這樣的教學(xué)模式過于單一，依靠教師的單向灌輸知識會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生依賴性和枯燥感，學(xué)生被動(dòng)接受知識不愿動(dòng)腦思考。另外，由于課堂講解的時(shí)間較多，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)間則相對緊張，缺少了師生之間的交流互動(dòng)和知識反饋。

《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》不僅包含很多物理學(xué)的知識點(diǎn)，比較抽象難以理解，還需要較強(qiáng)的動(dòng)手實(shí)踐能力。實(shí)際中學(xué)生的基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐能力差異大，在傳統(tǒng)的教學(xué)授課中學(xué)生的差異性被忽視，無法培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，不能滿足不同層次學(xué)生的個(gè)性化需求。

二、基于智慧教育的教學(xué)改革與實(shí)踐

（一）線上線下相結(jié)合的智慧教學(xué)模式

線上教學(xué)主要針對理論課程，對于實(shí)驗(yàn)課程來說，需要鍛煉學(xué)生的實(shí)際操作能力，難以完全依靠線上教學(xué)模式，只適用一定比例的線上課程和線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的線上線下混合教學(xué)模式。因此，利用線上課堂的有利條件，構(gòu)建了《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，探索出線上微課學(xué)習(xí)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作相結(jié)合的智慧教學(xué)模式。即通過線上自主學(xué)習(xí)、課堂重點(diǎn)難點(diǎn)講解、實(shí)驗(yàn)操作和問題討論等方式引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考和分析問題的能力［4-5］。

教師利用教學(xué)軟件提前制作好微課視頻，其中包含詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)原理，儀器介紹和實(shí)驗(yàn)操作演示。學(xué)生可以通過視頻提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，遇到重點(diǎn)難點(diǎn)可以反復(fù)播放視頻學(xué)習(xí)，加深印象，課后還可以參考視頻進(jìn)行鞏固復(fù)習(xí)和完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，帶著問題來上實(shí)驗(yàn)課，在課堂上教師可以參考學(xué)生的問題有的放矢，著重強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)和難點(diǎn)。同時(shí)，數(shù)字化的教學(xué)軟件還可以實(shí)時(shí)記錄每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，通過平臺的個(gè)性化評價(jià)對每位學(xué)生進(jìn)行精確的分析，然后通過課堂教學(xué)上的師生互動(dòng)進(jìn)行查缺補(bǔ)漏。

我們在進(jìn)行線上線下混合教學(xué)的過程中，由于減少了實(shí)驗(yàn)原理和儀器介紹等部分的課堂教學(xué)，在一定程度上促使學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前自主預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)。教師在實(shí)驗(yàn)課堂上只強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，以及解決實(shí)驗(yàn)過程中的問題，這樣增加了學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)和思考的時(shí)間，提高了教學(xué)效果。因此，在《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》教學(xué)中合理地應(yīng)用微課和智能教學(xué)軟件，實(shí)現(xiàn)注重個(gè)性和差異的智慧教學(xué)模式，有助于培養(yǎng)具有自主學(xué)習(xí)能力的創(chuàng)新型人才。

（二）虛實(shí)結(jié)合的智慧教學(xué)模式

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)綜合應(yīng)用了虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)、多媒體及人工智能等技術(shù)建立一種虛擬逼真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，學(xué)生可以從中感受到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場景，并從虛擬的實(shí)驗(yàn)中獲取知識和技能［6］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對儀器、環(huán)境和地點(diǎn)的限制，增加了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，提高了教學(xué)效率，并對學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)有著重要的作用。教育部提出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置，以“虛實(shí)結(jié)合，相互補(bǔ)充，能實(shí)不虛”為基本原則［7］。因此，我們以該原則為導(dǎo)向創(chuàng)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)在教學(xué)過程中相融合，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式符合智慧教育的理念，也是未來實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要研究方向。

對于理論教學(xué)來說，物理學(xué)原理比較抽象復(fù)雜，利用虛擬仿真技術(shù)可以將抽象的原理通過動(dòng)畫等方式直觀地展現(xiàn)出來，有助于學(xué)生理解物理實(shí)驗(yàn)原理、步驟及注意事項(xiàng)等，提升學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力。對于實(shí)驗(yàn)教學(xué)來說，可利用虛擬仿真技術(shù)建設(shè)成本較高、操作復(fù)雜或危險(xiǎn)性較高的物理實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)復(fù)雜精密的實(shí)驗(yàn)儀器，根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容大膽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、模擬調(diào)試和方案驗(yàn)證等，避免了真實(shí)實(shí)驗(yàn)中高危試劑或高壓等因素對人身的傷害，同時(shí)也避免了實(shí)驗(yàn)儀器的損壞。

虛擬仿真系統(tǒng)中有實(shí)驗(yàn)原理、內(nèi)容和操作演示，能夠滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)需求，學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)際情況自主靈活地選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間和地點(diǎn)，多次反復(fù)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)的評價(jià)功能，不僅能及時(shí)提示學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的危險(xiǎn)性或錯(cuò)誤性的操作，還能在學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)之后實(shí)時(shí)的對操作過程、測量的數(shù)據(jù)和求解的結(jié)果進(jìn)行評分。學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)過程中能及時(shí)獲得成果評價(jià)并進(jìn)行改進(jìn)，這種反復(fù)的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練過程不僅鍛煉了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，還加深了對實(shí)驗(yàn)原理的掌握與應(yīng)用。我們在實(shí)際教學(xué)中可以開設(shè)部分實(shí)物實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)一些常用的測量工具和經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，再利用虛擬仿真系統(tǒng)開設(shè)一些綜合性設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，作為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之外的補(bǔ)充和提高，實(shí)行“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)—綜合實(shí)驗(yàn)—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”的分階段式教學(xué)，讓學(xué)生由易到難循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí)，能更好地提高學(xué)生的實(shí)踐技能，提升教學(xué)效果，有助于培養(yǎng)學(xué)生自主探索和創(chuàng)新思維的能力。

（三）基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的智慧教學(xué)模式

創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，為學(xué)生提供自主實(shí)踐和創(chuàng)造的空間，是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的延伸，既增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識，又提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)，有助于培養(yǎng)現(xiàn)代化的創(chuàng)新人才。我們將創(chuàng)新教育融入人才培養(yǎng)的全過程中，其成效最終反映在人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高?？蓮囊韵聨追矫孢M(jìn)行：

利用物理演示實(shí)驗(yàn)資源，面向理工科或文科學(xué)生開設(shè)自然科學(xué)與文化素養(yǎng)類課程、創(chuàng)新創(chuàng)意類課程或物理演示實(shí)驗(yàn)課程等科學(xué)通識教育課程。物理學(xué)中的很多概念和規(guī)律的發(fā)現(xiàn)都是以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，因此觀察實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)習(xí)過程中不可缺少的環(huán)節(jié)［8］。物理演示實(shí)驗(yàn)具有趣味性、探索性和科學(xué)性等優(yōu)點(diǎn)，可以形象地展示抽象的物理學(xué)理論，生動(dòng)有趣地展示生活、生產(chǎn)實(shí)際或科學(xué)研究中常見的物理現(xiàn)象。學(xué)生通過學(xué)習(xí)演示實(shí)驗(yàn)，可以增加對物理和科學(xué)知識的感性認(rèn)識，促進(jìn)對物理概念或科學(xué)知識的認(rèn)識和理解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和探索熱情。從而提高學(xué)生的綜合科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。

鼓勵(lì)學(xué)生積極參與物理或工程類相關(guān)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目或競賽，這些項(xiàng)目或競賽的選題往往來源于真實(shí)的生活或生產(chǎn)實(shí)際背景，它們通常沒有固定的答案，而是考查學(xué)生對問題的分析能力和創(chuàng)新能力，需要綜合所學(xué)的知識提出獨(dú)特的見解和解決方案。學(xué)生可以從中將抽象的理論知識與生動(dòng)有趣的實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系，并將真實(shí)的實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為物理和數(shù)學(xué)模型［9］，有助于提高學(xué)生分析解決問題的能力和創(chuàng)新能力。參與競賽不僅考驗(yàn)學(xué)生對理論知識的掌握程度，更加考驗(yàn)學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)造力。另外，在競賽過程中，學(xué)生需要互相配合處理各種難題，這有利于提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識。

針對理工科相關(guān)專業(yè)的學(xué)生開設(shè)畢業(yè)設(shè)計(jì)等創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，畢業(yè)設(shè)計(jì)要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的理論和技術(shù)知識，相對獨(dú)立地解決科學(xué)研究等實(shí)際問題，最終形成創(chuàng)新成果［10］。學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程是學(xué)習(xí)的深化和升華的重要過程，對培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)、創(chuàng)新思維和工程實(shí)踐能力等具有重要的作用。我們可以設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)仿真與模擬相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題［11］，學(xué)生在完成設(shè)計(jì)的過程中，不僅深刻掌握了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)原理與現(xiàn)象，而且通過仿真了解了不同條件下實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的演變，拓展了知識與認(rèn)知。還可以將實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備開放給進(jìn)行創(chuàng)新或科學(xué)研究的教師與學(xué)生，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開展科學(xué)研究，有助于培養(yǎng)和提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

三、結(jié)語

本文對《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》的現(xiàn)狀與不足進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)落后陳舊的實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及傳統(tǒng)的教學(xué)模式不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識。鑒于此，提出基于智慧教育的《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》教學(xué)模式，利用微課視頻及教學(xué)軟件建設(shè)在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，實(shí)現(xiàn)線上線下相結(jié)合的智慧教學(xué)模式；以“虛實(shí)結(jié)合，相互補(bǔ)充，能實(shí)不虛”為原則建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的智慧教學(xué)模式；利用物理實(shí)驗(yàn)室資源，拓展科學(xué)通識教育課程、創(chuàng)新項(xiàng)目或競賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)等創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，探索基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的智慧教學(xué)模式。這些改革措施能有效增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐能力，提高創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)。

隨著我國信息技術(shù)的飛速發(fā)展和教育改革的不斷推進(jìn)，基于現(xiàn)代信息技術(shù)的智慧教育是未來教育的發(fā)展趨勢。將智慧教育理念應(yīng)用于教學(xué)活動(dòng)中，積極創(chuàng)建智慧教學(xué)環(huán)境，用更現(xiàn)代化的技術(shù)手段來提高教學(xué)效率，改善教學(xué)效果，有助于培養(yǎng)現(xiàn)代化的創(chuàng)新型人才。