基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的大學(xué)物理實驗教學(xué)改革與實踐

劉子龍,石 迪,李 雪,侯曉楠

(中國石油大學(xué)(北京)理學(xué)院 油氣光學(xué)與探測北京市重點實驗室,北京 102249)

2022年底,國家衛(wèi)生健康委通告新冠病毒由“乙類甲管”變成“乙類乙管”[1],大學(xué)物理實驗線上課堂將重新轉(zhuǎn)變?yōu)榫€下授課,而線上課堂的優(yōu)勢依然值得我們借鑒與思考[2-3],有助于開發(fā)“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)物理實驗線上教學(xué)新模式。

線上教學(xué)模式對大學(xué)物理實驗課程來說不僅是一種機遇,也是一種挑戰(zhàn)。在互聯(lián)網(wǎng)時代背景下,要充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的優(yōu)勢,有效提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。這不僅要求教師要科學(xué)地設(shè)計大學(xué)物理實驗課程,還要提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性,強化實驗課的教學(xué)成效。但是由于新冠疫情不斷反復(fù),線下教學(xué)模式變得越來越不穩(wěn)定,同時也暴露出頗多的問題,導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效率普遍偏低[4]。探索互聯(lián)網(wǎng)線上教學(xué)新模式不但可以達到“停課不停教,停課不停學(xué)”的教學(xué)目的,而且可以有效地提高教學(xué)效果,保證教學(xué)工作的順利進行。豐富多樣的線上教學(xué)手段與方式能夠發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢,將顯著地降低疫情防控對大學(xué)物理實驗教學(xué)的影響,為大學(xué)物理實驗教學(xué)改革注入新的技術(shù)、理念與活力。

1 大學(xué)物理實驗線下教學(xué)存在的問題

大學(xué)物理實驗作為本科教育的一門重要基礎(chǔ)性實驗課程,應(yīng)用性廣,知識覆蓋面大。旨在通過系統(tǒng)科學(xué)的實驗教學(xué)與培養(yǎng),鍛煉學(xué)生的科學(xué)實驗?zāi)芰?啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維,使學(xué)生學(xué)會分析與解決問題,但是傳統(tǒng)的線下教學(xué)依然存在以下問題:

1.1 實驗教學(xué)方式單一

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式主要包括教師在課堂上講解實驗原理、講述實驗步驟和實驗儀器設(shè)備使用方法等。目前許多大學(xué)物理實驗課教學(xué)均采取傳統(tǒng)的課堂模式,但由于高校的課程安排比較多,導(dǎo)致大學(xué)物理實驗課時偏少。在有限的時間內(nèi),教師們會采用“填塞式”教學(xué)模式來傳遞課堂知識,使得學(xué)生自主意識較低,很難圍繞實驗的創(chuàng)新性展開深入探討。此外,高校物理實驗教學(xué)中存在著“以教師為主”的問題[5]。在教學(xué)實踐中,存在照搬課本內(nèi)容,師生互動交流少等問題,很難激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維[6]。因此,這種單一的實驗教學(xué)方式對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才有很大的不利作用。

1.2 教學(xué)資源利用率低

盡管高校擁有大量的教學(xué)資源,但是不同高校的教學(xué)水平與實驗室資源存在著一定差距,其中一些高校存在實驗器材短缺、儀器老化等問題。這些問題使得線下實驗教學(xué)資源不能充分利用,各高校資源難以進行有效的整合與共享,造成了實驗室軟硬件資源與教師資源的重復(fù)與浪費。這對學(xué)生進行復(fù)雜的物理實驗,提升動手操作能力是非常不利的。

1.3 考評模式不全面

當(dāng)前,我國大多數(shù)高校對大學(xué)物理實驗的考評仍是傳統(tǒng)的模式,即根據(jù)學(xué)生每次實驗所提交的實驗報告進行綜合評定。但是部分學(xué)生對待實驗報告并不用心,而老師往往會根據(jù)學(xué)生提交的實驗報告來判定他們的成績。這種評價方法既不能真實地反映學(xué)生的實際操作水平,又不能充分反映學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)與創(chuàng)新精神[7]。

因此,基于目前線下教學(xué)存在的問題,有必要轉(zhuǎn)變教學(xué)模式,結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)物理實驗線上教學(xué)模式,不斷優(yōu)化教學(xué)方法,實現(xiàn)教育資源的集中統(tǒng)一,讓大學(xué)物理實驗教學(xué)更加便利高效。

2 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的大學(xué)物理實驗教學(xué)

2.1 “互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)物理實驗教學(xué)理念

“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的快速發(fā)展給傳統(tǒng)課堂帶來了巨大挑戰(zhàn)與機遇,傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式已無法適應(yīng)當(dāng)下的時代需求。在教育部提出“大力推動網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間建設(shè)”的背景下,新一輪全國高等教育教學(xué)改革正在穩(wěn)步推進。一方面,以“網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間”為核心的“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)物理實驗等課程將成為大學(xué)物理實驗課堂教學(xué)的發(fā)展方向。另一方面,新課標(biāo)也提出了“鼓勵利用互聯(lián)網(wǎng)開展教學(xué)活動”“互聯(lián)網(wǎng)+”教學(xué)的新理念,這將使我國傳統(tǒng)高校大學(xué)物理實驗課程更加豐富多彩。

“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)物理實驗課堂以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ),由線上講課平臺和虛擬仿真實驗平臺搭建而成,學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)線上課堂獲得不同高校的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源,學(xué)習(xí)專業(yè)的理論知識,培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灢僮髂芰??！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”大學(xué)物理實驗課堂作為一種全新的教學(xué)方式,在滿足學(xué)生學(xué)習(xí)需求、提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率的同時更注重學(xué)生能力的培養(yǎng)。為此,可以充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)在教學(xué)過程中的優(yōu)勢,結(jié)合大學(xué)物理教學(xué)目標(biāo)和自身特點制定出符合本學(xué)科特點的改革方案。一方面,實現(xiàn)在線資源整合,利用多樣化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),為不同課程授課教師提供個性化、專業(yè)化、網(wǎng)絡(luò)化的教學(xué)服務(wù)。另一方面,探索新課改模式下創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式,充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)在大學(xué)物理課堂實踐和教學(xué)中所起到的支撐作用,將課堂還給學(xué)生,使學(xué)生真正成為課堂的主人[8]。

此外,學(xué)生在“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)物理實驗課堂學(xué)習(xí)過程中,不僅可以學(xué)到大學(xué)物理實驗的理論知識,而且可以在虛擬仿真平臺不斷地探索試驗實驗方法[9],讓學(xué)生在掌握扎實專業(yè)知識的同時培養(yǎng)自己的動手實踐能力,將學(xué)生從應(yīng)試型人才轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袑嵺`、思辨、創(chuàng)造能力的復(fù)合型人才,不斷適應(yīng)社會對各種類型的人才的要求。

2.2 “互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)物理實驗教學(xué)優(yōu)勢

(1)學(xué)習(xí)時間、空間靈活,便于自主學(xué)習(xí)[10]。通過線上教學(xué),學(xué)生可以在任意時間和地點學(xué)習(xí),還可以通過對話框打字向老師提問,不受時間空間的束縛。同時線上課程一般提供錄播,學(xué)生可以對知識點進行多次學(xué)習(xí),加深記憶。

(2)課程資源豐富,教育資源平衡。即使是一些教育水平落后的地區(qū)也可以享受一線的教育資源,掌握先進的實驗,增長知識,更好地闊寬視野。

(3)容易監(jiān)測學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課中表現(xiàn)、課后作業(yè)情況?，F(xiàn)在的學(xué)習(xí)軟件一般都有考勤簽到打分系統(tǒng),還可以對學(xué)生的作業(yè)進行批改審閱,大大減少了老師的工作量,同時也提高了老師檢測學(xué)習(xí)情況的效率,從而根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)狀況及時給學(xué)生制定學(xué)習(xí)策略。

2.3 “互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)物理實驗教學(xué)平臺

近年來,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)線上課堂開始不斷涌現(xiàn)[11],各大院校都建立了各種線上課堂資源,包括教材資源、案例庫、試題庫、微課視頻資源等。教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和難度來選擇合適的線上課堂資源,使得“互聯(lián)網(wǎng)”線上教學(xué)更加便利。同時虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展很好的解決了線上教學(xué)無法進行實驗操作的問題,比如科大奧銳物理虛擬仿真實驗中心,如圖1所示,移動虛擬實驗Mlabs及國家虛擬實驗平臺等[12]。這些平臺的出現(xiàn)使學(xué)生可以隨時隨地熟悉實驗儀器和實驗操作流程,進行虛擬仿真模擬實驗,大大方便了學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)。對于虛擬仿真實驗平臺的使用,教師可以根據(jù)實驗教學(xué)需求,向平臺管理員申請開設(shè)虛擬教室。申請通過后,會在虛擬平臺中創(chuàng)建一個虛擬教室。學(xué)生經(jīng)授權(quán)登記成為合法學(xué)員,教師就可以在虛擬課堂中和學(xué)生進行“互動式”教學(xué),方便又快捷。

中國高校慕課平臺、騰訊課堂、云班課等一些上課軟件及一些線上虛擬仿真平臺的聯(lián)合使用,不僅可以優(yōu)化傳統(tǒng)的教學(xué)模式,為學(xué)生提供便捷的學(xué)習(xí)環(huán)境,而且還可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率,有利于大學(xué)物理實驗課堂的建設(shè)與發(fā)展。

圖1 科大奧銳物理虛擬仿真實驗中心網(wǎng)頁版界面

3 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的大學(xué)物理實驗教學(xué)實踐

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為教育領(lǐng)域不可缺少的新平臺。如何將傳統(tǒng)教學(xué)模式與高新技術(shù)結(jié)合起來,利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展好大學(xué)物理實驗課程,一直是一個困擾著部分高校物理教學(xué)工作的難題。在介紹了“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)物理實驗課程概念及傳統(tǒng)實驗課堂普遍存在的問題的基礎(chǔ)上,為有效提高大學(xué)物理實驗的教學(xué)效果、更好地提升學(xué)生的綜合能力,以下系統(tǒng)地介紹了“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)物理實驗的開展方式。

3.1 大學(xué)物理實驗理論教學(xué)

(1)實驗預(yù)習(xí)

教師可以通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源和手機終端軟件來完成教學(xué)計劃安排,幫助學(xué)生有效地進行學(xué)習(xí)效率提升。課前預(yù)習(xí)了解實驗原理及儀器的操作要領(lǐng)。讓學(xué)生在實驗課前了解實驗的原理、儀器的構(gòu)造和實驗方法,從而提高實驗預(yù)習(xí)的效果,減少實驗操作和實驗報告中的錯誤。學(xué)生可以通過中國大學(xué)慕課、騰訊課堂、云班課等線上平臺預(yù)習(xí)實驗的原理步驟[13],然后在虛擬仿真實驗平臺上進行實驗操作。

(2)實驗操作講解

實驗操作講解可以分兩部分進行:一是老師講解實驗的基本理論及數(shù)據(jù)的處理。理論部分可以通過騰訊課堂、騰訊會議、釘釘?shù)溶浖M行講解。線上教育軟件的引入,讓老師可以在任何時間地點回答學(xué)生的提問,同時線上課堂有錄播,不論是老師還是學(xué)生都將更容易地發(fā)現(xiàn)自己的不足,學(xué)習(xí)與提升將更有針對性。二是老師可以使用物理實驗室客戶端或Mlabs移動虛擬實驗軟件等實驗仿真軟件介紹實驗設(shè)備的構(gòu)造和功能,并進行實驗操作步驟和每部分原理講解。線上教育平臺與虛擬仿真軟件的聯(lián)合使用也將使學(xué)生對實驗的理解更加深刻,學(xué)習(xí)更有積極性。

(3)實驗報告撰寫

通過線上的一些教學(xué)平臺,學(xué)生可以直觀地理解并驗證理論知識,做到理論與實踐相結(jié)合。在居家實驗的操作過程中,學(xué)生通過線上直播或者視頻錄制的方式對實驗過程進行一一講解并記錄實驗數(shù)據(jù),而仿真實驗各個環(huán)節(jié)的操作具有實時、動態(tài)可記錄性,可以隨時查閱實驗數(shù)據(jù)。居家實驗報告的撰寫以云文檔存儲,上傳至云班課、雨課堂、超星學(xué)習(xí)中心、學(xué)校線上教學(xué)系統(tǒng)等平臺,以便教師考核。教師在批改完實驗報告后,總結(jié)實驗操作和數(shù)據(jù)處理中存在的問題,在下次上課時給學(xué)生講解。

3.2 實驗案例分析

授課教師通過線上實驗教學(xué)對實驗理論原理進行講解后,可以安排學(xué)生進行相關(guān)實驗操作實踐,對于一些簡單的物理實驗,可以設(shè)計一些居家可操作的物理實驗,不但可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和物理素養(yǎng),而且鍛煉了學(xué)生的動手能力,對知識的理解也將更深刻。對于一些復(fù)雜的實驗或?qū)x器要求比較高的物理實驗,可以利用科大奧銳、移動虛擬實驗Mlabs等仿真實驗平臺來實施教學(xué),增加教學(xué)的專業(yè)性和教學(xué)手段的豐富性。

(1)居家實驗案例(拉脫法測液體表面張力系數(shù)α)

液體表面由于分子間的相互作用存在一種張力,即表面張力。通過拉脫法居家測量不同液體表面張力系數(shù),可以使學(xué)生更好的理解表面張力的概念,解釋生活中的科學(xué)現(xiàn)象,提升學(xué)生對大學(xué)物理實驗的興趣。

實驗步驟如下:

a)準(zhǔn)備一張A4紙,裁剪成V型紙條做砝碼;

b)用線做三個線圈作為自制天平的一部分;

c)準(zhǔn)備四個回形針,其中兩個扣在一起;

d)剩下兩個其中一個彎成“門”字型,長度為l,和最后一個回形針扣在一起;

e)把它們分別掛在兩個線圈上,作為自制天平的兩邊;

f)最后把三個線圈連在一根吸管上,自制天平做好;

g)在門型針下面放液體容器,將門型針浸入液體,將天平調(diào)平;

h)在另一端逐漸增加紙質(zhì)砝碼,直至門型針拉出的液體膜破裂,記錄增加砝碼重量F,得到表面張力f=F/2;

i)用直尺測出門型針長度即可計算出液體表面張力系數(shù)α=f/l。

(2)虛擬仿真實驗案例(相位法測波長、聲速)

通過相位法測定超聲波在空氣中的傳播速度,可以使學(xué)生了解壓電陶瓷換能器的功能,學(xué)會示波器的使用,掌握測量聲速的方法,具體實驗界面見圖2。

實驗步驟如下:

a)查看幫助文檔和儀器介紹,了解實驗內(nèi)容;

b)按照電路圖,正確連接導(dǎo)線;

c)調(diào)節(jié)超聲聲速測定儀;

d)調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的諧振頻率,當(dāng)示波器信號幅度最大時記錄系統(tǒng)的諧振頻率f;

e)改變超聲聲速測定儀兩個換能器間的距離,使示波器屏幕上出現(xiàn)李薩如圖形;

f)緩慢調(diào)節(jié)移動標(biāo)尺間距,每次出現(xiàn)李薩如圖經(jīng)過半個波長,記錄移動標(biāo)尺位置x1,x2……,逐差法計算波長λ;

g)利用公式計算聲速v=λf;

h)整理實驗儀器,斷開連線。

圖2 科大奧銳仿真相位法測波長、聲速實驗

3.3 大學(xué)物理實驗?zāi)芰己?/h3>

在傳統(tǒng)的考核方法中,教師通常會根據(jù)期末考試成績和實驗結(jié)果來評定學(xué)生的總分。通過常規(guī)的測試,雖然可以反映出學(xué)生掌握部分理論知識的水平,但并不能真正體現(xiàn)他們的實際操作能力和日常上課狀態(tài)。對于平時喜歡回答問題以及課下作業(yè)完成情況較好的同學(xué)無法給出一個全面的評估。

當(dāng)教師使用“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)物理實驗線上教學(xué)模式時,對學(xué)生學(xué)業(yè)成績評估時教師可以把學(xué)生的實驗操作成績、知識理論水平、出勤率及課下作業(yè)完成情況等作為衡量學(xué)生最終成績的重要指標(biāo)。在考試中,考核的只是學(xué)生對一部分知識的掌握情況,而對于不同指標(biāo)的全面評估將更加準(zhǔn)確。教師可以將各部分成績滿分設(shè)置為100分,然后只需對不同的成績指標(biāo)設(shè)置不同的權(quán)重即可得到學(xué)生的最終成績(如大學(xué)物理實驗成績=實驗操作成績×0.5+知識理論成績×0.3+出勤率及課下作業(yè)成績×0.2)。通過線上考核來進行成績評定不僅節(jié)省了老師的大量批改與計分時間,同時成績評定的結(jié)果也更加準(zhǔn)確與公平,大大方便了教師對學(xué)生學(xué)習(xí)情況的評估。

4 結(jié) 論

通過對大學(xué)物理實驗教學(xué)的改革與實踐,構(gòu)建了以學(xué)生為主體的“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)物理實驗教學(xué)新模式,對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)模式展開了積極的探索,充分發(fā)揮了“互聯(lián)網(wǎng)+”線上教學(xué)的積極作用?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”大學(xué)物理實驗線上教學(xué)具有很大的靈活性,突破了時間和空間的限制,學(xué)生不僅可以通過“互聯(lián)網(wǎng)+”線上平臺進行實驗知識的理論學(xué)習(xí),還可以通過居家物理實驗和虛擬仿真平臺實現(xiàn)線上實驗的操作,大大增強了學(xué)生的物理思維能力和獨立實驗?zāi)芰?培養(yǎng)了學(xué)生善于思考、主動探究、勇于創(chuàng)新的精神。同時,這種新型教學(xué)模式將不斷提高大學(xué)物理實驗教學(xué)的質(zhì)量和效率,為“新工科”背景下的大學(xué)物理實驗教學(xué)提供有益的借鑒。