“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”虛實(shí)混合式教學(xué)探索與實(shí)踐

朱飛 劉立娟 劉枝朋 張守超

摘?要：虛擬仿真與網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展引起了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的變革，虛實(shí)結(jié)合的混合式教學(xué)逐漸成為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新形態(tài)。在總結(jié)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)課堂利弊基礎(chǔ)上，引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合教學(xué)體系，思考仿真實(shí)驗(yàn)使用方式；建設(shè)線上課程促進(jìn)自主學(xué)習(xí)，將線上與線下實(shí)驗(yàn)相結(jié)合；總結(jié)了線上課程加仿真實(shí)驗(yàn)輔助的混合式教學(xué)模式，課程考核也隨之變得多元化和過(guò)程化。通過(guò)實(shí)踐，該模式有利于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐創(chuàng)新能力，提升了“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課的教學(xué)質(zhì)量和教師的業(yè)務(wù)能力。

關(guān)鍵詞：虛實(shí)結(jié)合；仿真實(shí)驗(yàn)；線上線下混合式教學(xué)；大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”作為理工科學(xué)生最為基礎(chǔ)的必修實(shí)驗(yàn)課程，是對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和自主探究精神的重要陣地。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在諸多弊端［1］，比如，教學(xué)形式單一，預(yù)習(xí)形式化，達(dá)不到預(yù)習(xí)效果；考核形式單一化，缺乏過(guò)程性考核；學(xué)生學(xué)習(xí)被動(dòng)；實(shí)驗(yàn)受到時(shí)空、設(shè)備等多因素限制，多數(shù)學(xué)生不能隨時(shí)隨地實(shí)驗(yàn)。隨著高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)發(fā)展，線上教學(xué)逐步引入實(shí)驗(yàn)課程，線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)逐漸成為高校教學(xué)的新形態(tài)［2-3］，改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

教育部發(fā)布的《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見(jiàn)》［4］（教高〔2018〕2號(hào)）中第七條指出，重塑教育教學(xué)形態(tài)，推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，共享優(yōu)質(zhì)教育資源。大力推進(jìn)慕課和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平。隨著教育信息化的深入，仿真實(shí)驗(yàn)得到應(yīng)用，以MOOC、SPOC、自建網(wǎng)課為代表的在線課程興起［5］，而建設(shè)在線課程、引進(jìn)線上教學(xué)、開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)［5］、開(kāi)設(shè)翻轉(zhuǎn)課堂［6］、線上線下相結(jié)合［7-8］的教學(xué)模式成為天津城建大學(xué)開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主動(dòng)選擇，借此介紹虛實(shí)結(jié)合的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，以供參考。

1 虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建及教學(xué)思考

1.1 仿真實(shí)驗(yàn)與線下實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、自動(dòng)控制等技術(shù)，以數(shù)字化和高度仿真的虛擬模型構(gòu)建而成的。學(xué)生可在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)操作，完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，達(dá)到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境同樣的效果。我校采用的是科大奧銳科技有限公司虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺(tái)，包含力學(xué)、熱學(xué)、

光學(xué)、電磁學(xué)、近代物理共50個(gè)仿真項(xiàng)目，見(jiàn)圖1。仿真實(shí)驗(yàn)與我校大部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容重合度較高，仿真儀器效果逼真，功能滿足使用要求。仿真實(shí)驗(yàn)與線下實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驘o(wú)縫銜接，先仿真再線下實(shí)操，突破了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空束縛。基于此，虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系得以建立。

引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，學(xué)生只要擁有網(wǎng)絡(luò)和電腦，便能隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)操作。對(duì)于有危險(xiǎn)性的項(xiàng)目和沒(méi)有條件開(kāi)設(shè)的項(xiàng)目可以采用仿真實(shí)驗(yàn)代替，仿真實(shí)驗(yàn)有維護(hù)方便、節(jié)約資源、使用效果好等特點(diǎn)。

1.2 虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)思考

如何有效使用仿真實(shí)驗(yàn)促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，是教學(xué)中必須思考的問(wèn)題，概括為以下四種：

第一種是用于課前實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)擴(kuò)展。課堂進(jìn)行線下實(shí)驗(yàn)操作，仿真實(shí)驗(yàn)加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解和操作訓(xùn)練，既節(jié)省時(shí)間，又提高課堂效率。

第二種是按照虛實(shí)結(jié)合項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)。從中選出16個(gè)項(xiàng)目作為虛實(shí)結(jié)合項(xiàng)目，進(jìn)行虛實(shí)互補(bǔ)教學(xué)，如表1所示。

第三種是虛擬項(xiàng)目作為實(shí)際項(xiàng)目補(bǔ)充教學(xué)。我校的《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》和《近代物理實(shí)驗(yàn)》共開(kāi)設(shè)55個(gè)項(xiàng)目，部分項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)儀器臺(tái)套少或沒(méi)有，或者相對(duì)危險(xiǎn)，從中優(yōu)選8個(gè)仿真項(xiàng)目補(bǔ)充教學(xué)，見(jiàn)表1。采用線上直播進(jìn)行指導(dǎo)，隨后開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室翻轉(zhuǎn)教學(xué)，此種情況對(duì)師生的要求較高。

第四種是利用仿真平臺(tái)提供的儀器和平臺(tái)接口，結(jié)合本校實(shí)際重新開(kāi)發(fā)仿真項(xiàng)目，設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)行設(shè)計(jì)性仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

如何有效利用仿真實(shí)驗(yàn)促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還需要多實(shí)踐，創(chuàng)新仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中有效應(yīng)用，做好虛實(shí)有效結(jié)合，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提升。

2 建設(shè)在線課程，開(kāi)展直播教學(xué)

2.1 超星平臺(tái)在線課程建設(shè)探索

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的選取和教學(xué)資源的建設(shè)是開(kāi)展混合式教學(xué)的基礎(chǔ)，超星學(xué)習(xí)平臺(tái)是我校綜合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)。在平臺(tái)上，按照建課、信息導(dǎo)入、發(fā)布通知、課前自主預(yù)習(xí)、線上直播、上課簽到、課堂互動(dòng)、實(shí)驗(yàn)（線上仿真或線下實(shí)驗(yàn)）、答疑與作業(yè)，開(kāi)展線上線下相結(jié)合的教學(xué)新形式，完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)。我校的“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)A（1）”2020年被評(píng)為校級(jí)一流線上線下混合課程，每年春季開(kāi)課，已在線開(kāi)課三個(gè)學(xué)期，累計(jì)選課3000多人，累計(jì)學(xué)習(xí)次數(shù)達(dá)到302萬(wàn)次。線上課程一個(gè)實(shí)驗(yàn)一個(gè)章節(jié)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)包括：預(yù)習(xí)要求、指導(dǎo)書(shū)、課件、視頻、仿真教學(xué)、預(yù)習(xí)測(cè)試等內(nèi)容，課程部分目錄見(jiàn)圖2。

2.2 開(kāi)展直播教學(xué)

伴隨高速網(wǎng)絡(luò)的普及，直播引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將線上直播與線下實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合。直播教學(xué)是線上線下混合式實(shí)驗(yàn)課堂一部分，學(xué)生在課前完成線上課程的自主學(xué)習(xí)之后，教師采用騰訊會(huì)議或超星直播軟件，進(jìn)行直播教學(xué)，講解實(shí)驗(yàn)原理；利用仿真儀器或真實(shí)儀器介紹儀器結(jié)構(gòu)，演示實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行課堂討論互動(dòng)；然后學(xué)生根據(jù)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。線上仿真實(shí)驗(yàn)，直播互動(dòng)答疑，教師遠(yuǎn)程指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)；線下實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)時(shí)，師生面對(duì)面交流、現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。直播結(jié)束后，將自動(dòng)錄制的教學(xué)視頻放入超星自建課程，供學(xué)生回放學(xué)習(xí)，直播視頻回放在一定程度上延展了教學(xué)的時(shí)間和空間，能給學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)預(yù)留充分的條件，提高了實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果。

3 虛實(shí)結(jié)合的混合式教學(xué)模式與課程考核

3.1 虛實(shí)結(jié)合的混合式教學(xué)模式

混合式的教學(xué)要求充分利用線上和線下資源，對(duì)教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)教師的教學(xué)要求和駕馭課堂能力比較高。課堂從教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，采用引導(dǎo)啟發(fā)式的線上線下相結(jié)合的授課方式，提出預(yù)習(xí)任務(wù)，課前設(shè)計(jì)好問(wèn)題，小組交流互動(dòng)，總結(jié)展示。新模式下課堂分為課前線上自主學(xué)習(xí)、課內(nèi)自主實(shí)驗(yàn)、課后完成報(bào)告及考核三部分，教學(xué)模式流程見(jiàn)圖3。

課前：預(yù)習(xí)是實(shí)驗(yàn)課重要一環(huán)，充分的預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇椭鷮W(xué)生在課堂上從容完成實(shí)驗(yàn)。預(yù)習(xí)網(wǎng)絡(luò)化，過(guò)程留痕。超星平臺(tái)具備課程任務(wù)點(diǎn)及課堂活動(dòng)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)記錄與統(tǒng)計(jì)功能，為學(xué)生的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)提供了數(shù)據(jù)支持。因此，在真正進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前，學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)通課程的指導(dǎo)書(shū)、課件、視頻、擴(kuò)展資料、預(yù)習(xí)測(cè)試題等完成實(shí)驗(yàn)自主學(xué)習(xí)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)、熟悉儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，教師課前完成預(yù)習(xí)檢查，預(yù)習(xí)合格的學(xué)生方能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)。預(yù)習(xí)中遇到問(wèn)題，在學(xué)習(xí)通留言，教師及時(shí)答疑，對(duì)于共性和重難點(diǎn)問(wèn)題，課堂統(tǒng)一解答。該過(guò)程以學(xué)生自學(xué)為主，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，要求教師課前一周及時(shí)查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)結(jié)果，督促完成預(yù)習(xí)，預(yù)習(xí)成績(jī)（包括學(xué)習(xí)通綜合+仿真）占比30%。

課內(nèi)：課堂依然是實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要陣地。采用線上直播或線下課堂相結(jié)合的形式。教師根據(jù)預(yù)習(xí)反饋情況，決定實(shí)驗(yàn)原理是否需要補(bǔ)充講解，設(shè)計(jì)問(wèn)題，學(xué)生分組討論，然后介紹儀器和實(shí)驗(yàn)要求，做到因材施教。有了前期的預(yù)習(xí)和仿真模擬，學(xué)生通過(guò)自主操作和測(cè)量，完成實(shí)驗(yàn)思想和方法的內(nèi)化，記錄數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)。該過(guò)程主要考查實(shí)驗(yàn)操作能力，操作成績(jī)占比為40%

課后：完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和報(bào)告，學(xué)生將報(bào)告提交到學(xué)習(xí)通作業(yè)，教師在規(guī)定時(shí)間完成批閱，結(jié)果及時(shí)反饋給學(xué)生。期末參加線上考試，報(bào)告與期末成績(jī)占比為30%。

最后通過(guò)興趣選拔，篩選部分學(xué)生進(jìn)入物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，參加創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽，儀器改進(jìn)制作、講課比賽、物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽、大創(chuàng)項(xiàng)目等，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

3.2 新模式下的課程考核

教學(xué)模式的變革伴隨著課程考核方式的改變，我?！拔锢韺?shí)驗(yàn)”課采用將百分制平均成績(jī)轉(zhuǎn)化為等級(jí)成績(jī)的考查方式，完成考核。課程成績(jī)包括學(xué)習(xí)通綜合成績(jī)、實(shí)驗(yàn)平均成績(jī)、期末考核成績(jī)?nèi)糠郑幢壤铣?。學(xué)習(xí)通課程統(tǒng)計(jì)功能可記錄每人學(xué)習(xí)過(guò)程，任務(wù)點(diǎn)完成情況，預(yù)習(xí)測(cè)試結(jié)果；仿真系統(tǒng)能記錄仿真實(shí)驗(yàn)情況和成績(jī)；期末線上考核在學(xué)習(xí)通考試功能中完成，客觀題為主，開(kāi)卷形式，在設(shè)定的時(shí)間段自主完成，主要用于檢查實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果。預(yù)習(xí)與期末考核是實(shí)驗(yàn)課的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，共占比40%左右，實(shí)驗(yàn)操作和報(bào)告占比60%。由于引入線上課程和仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)課考核包括預(yù)習(xí)、操作、報(bào)告、期末考試等所有要素，更注重過(guò)程性考核，多元化評(píng)價(jià)。對(duì)于參加創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)比賽的學(xué)生，課程根據(jù)表現(xiàn)給予加分或提高等級(jí)成績(jī)，鼓勵(lì)學(xué)生參加創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

4 教學(xué)總結(jié)與結(jié)語(yǔ)

“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”是仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和虛擬教學(xué)資源建設(shè)中必須遵循的原則［9］，也逐漸成為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的共識(shí)。按照該原則，虛擬項(xiàng)目補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)缺乏教學(xué)項(xiàng)目或者虛實(shí)項(xiàng)目結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。虛實(shí)融合，線上線下結(jié)合的混合式教學(xué)模式比之前增加了線上課程和仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。實(shí)踐表明，這種全新的教學(xué)模式能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，能夠幫助學(xué)生深入理解實(shí)驗(yàn)原理，牢固掌握所學(xué)知識(shí)，增加課堂實(shí)驗(yàn)實(shí)效，加強(qiáng)課內(nèi)外的師生互動(dòng)，增進(jìn)師生感情，提升學(xué)生自學(xué)能力和創(chuàng)新能力。同時(shí)改變傳統(tǒng)考核方式，增加課程考核的多元化、標(biāo)準(zhǔn)化和過(guò)程性，提升綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，提高了教學(xué)效果，為今后“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)改革提供了參考經(jīng)驗(yàn)。

通過(guò)我校的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)課程還有待改進(jìn)，線上課程需要繼續(xù)優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，完善教學(xué)資源，重構(gòu)建學(xué)設(shè)計(jì)，融入課程思政，提高教學(xué)互動(dòng)性；線下課堂需提高課程的高階性和挑戰(zhàn)度，增加課程吸引力和實(shí)用性，引進(jìn)新技術(shù)，與時(shí)俱進(jìn)，進(jìn)一步提升教師的業(yè)務(wù)能力。

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基金項(xiàng)目：天津城建大學(xué)教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（JG-YBZ-1949）；天津城建大學(xué)教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（JG-YB-22130）；天津市科技特派員項(xiàng)目（20YDTPJC01540）

作者簡(jiǎn)介：朱飛（1983—?），男，江蘇徐州人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：大學(xué)物理理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。