虛實(shí)結(jié)合、多元評價(jià)的“物理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)改革研究與實(shí)踐

聶宜珍，魯廣鐸，熊 偉，周 芹

（三峽大學(xué) 理學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

在當(dāng)今信息化時(shí)代，在國家大力發(fā)展新工科，大力推進(jìn)一流本科專業(yè)和一流課程建設(shè)的今天，高校亟須創(chuàng)建能緊跟時(shí)代需求、且能突出教學(xué)特色的大學(xué)“物理實(shí)驗(yàn)”優(yōu)質(zhì)教學(xué)模式。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，許多教師開始研究利用網(wǎng)絡(luò)資源提升“物理實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)效果［1-4］。項(xiàng)目組在全面調(diào)研的基礎(chǔ)上，全盤思考，謹(jǐn)慎實(shí)施，從教學(xué)形式、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、評價(jià)模式等多層面對實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革，將線上教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)資源、即時(shí)工具與傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，為學(xué)生提供多層次教學(xué)服務(wù)，形成了虛實(shí)結(jié)合、便捷全面、合理有效、多元評價(jià)的“物理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)模式。

一、教學(xué)改革目標(biāo)

虛實(shí)結(jié)合多元評價(jià)的“物理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)改革，以學(xué)生為中心，以問題為導(dǎo)引，在教學(xué)中有機(jī)地融合知識、能力和素質(zhì)，期望達(dá)到多形式、可并行、強(qiáng)互動(dòng)、全天候的學(xué)習(xí)過程。課前采用線上模式，教師通過交互平臺對每個(gè)實(shí)驗(yàn)給出引導(dǎo)性思考，引導(dǎo)學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)平臺提前熟悉實(shí)驗(yàn)手段，促進(jìn)學(xué)生自主擴(kuò)展學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)背景、理論及不同解決方案等；課中線上線下相結(jié)合，通過課堂翻轉(zhuǎn)將知識內(nèi)化，加強(qiáng)能力培養(yǎng)與鍛煉；課后通過互動(dòng)平臺收集學(xué)生反饋，給出進(jìn)一步的學(xué)習(xí)建議。

通過高階性課程教學(xué)設(shè)計(jì)，創(chuàng)新性教學(xué)方法，適當(dāng)拔高的課程內(nèi)容；通過富有挑戰(zhàn)性的考核模式，加強(qiáng)物理知識的應(yīng)用與專業(yè)的結(jié)合，加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)興趣濃厚、學(xué)習(xí)方式靈活、學(xué)習(xí)內(nèi)容豐富、學(xué)習(xí)效果良好的課程教學(xué)改革目標(biāo)，以適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代對人才的要求。

二、教改流程簡介

教學(xué)改革班授課對象為自愿報(bào)名參與教學(xué)改革的學(xué)生，每班40人，分為A、B兩輪，每輪20人，每人一套實(shí)驗(yàn)儀器。每輪實(shí)驗(yàn)的20人分為兩組，每組推選一位組長，由組長組織小組成員完成課前要求及課中講解。項(xiàng)目組教師大膽改革、謹(jǐn)慎實(shí)施，教改流程簡介如下：（1）項(xiàng)目組教師定期討論交流，集體備課，不斷完善課程的內(nèi)容、教學(xué)方法、課程組織形式，并到國家一流線上線下混合式課程的課堂觀摩取經(jīng)，教學(xué)研究貫穿課程始終。（2）學(xué)期初對學(xué)生發(fā)布本學(xué)期教學(xué)安排，引導(dǎo)學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)云平臺對本學(xué)期實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行在線學(xué)習(xí)、在線操作，使學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)原理、熟悉儀器結(jié)構(gòu)、掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，為課堂內(nèi)實(shí)物操作做好課前準(zhǔn)備。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)云平臺可24小時(shí)在線，學(xué)生可在線多次測試同一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)時(shí)間逐步縮短、得分越來越高。教師通過各種分類統(tǒng)計(jì)，實(shí)時(shí)了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況。學(xué)生學(xué)習(xí)不再受時(shí)間、場地限制。（3）教師針對下次課的實(shí)驗(yàn)背景和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目特色在每次課前一周給學(xué)生發(fā)布課前要求，引導(dǎo)學(xué)生不僅要夯實(shí)基礎(chǔ)知識，更要恰當(dāng)?shù)貙φn程內(nèi)容進(jìn)行拓展提高。（4）學(xué)生課前積極準(zhǔn)備，上傳小組課件，師生在QQ群中互動(dòng)交流，修改完善待講解的課件，討論虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中遇到的問題。（5）課中，學(xué)生自主講解分析課程主要內(nèi)容，分享自己拓展所得，師生互動(dòng)，拓展內(nèi)容通常涉及科技前沿、時(shí)政、技術(shù)應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；學(xué)生講解、討論，教師引導(dǎo)、點(diǎn)評，并利用課堂派小程序互動(dòng)答題，實(shí)時(shí)檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果。討論講解完畢，學(xué)生每人一套儀器獨(dú)立實(shí)操，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師根據(jù)學(xué)生的操作情況給出操作分，課程評價(jià)方式更為多元。（6）改進(jìn)考試方式，在操作考試中加入線上限時(shí)答題，不僅考核內(nèi)容更全面，而且利用課堂派等輔助教學(xué)工具自動(dòng)評分和匯總分析，減輕教師閱卷負(fù)擔(dān)，使教師有更多的時(shí)間和精力關(guān)注教學(xué)本身。（7）期末，項(xiàng)目組針對教改模式和非教改模式編寫兩套調(diào)查問卷，分別收集學(xué)生反饋，比對分析并解決存在的問題，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為更好地進(jìn)行下一輪教學(xué)做準(zhǔn)備。

三、教學(xué)改革特色

（一）虛實(shí)結(jié)合，多維度多角度提升教學(xué)效果

充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行合理的教學(xué)設(shè)計(jì)，將線上線下教學(xué)相結(jié)合，課前線上預(yù)習(xí)；課中線下操作，同時(shí)利用課堂派等翻轉(zhuǎn)課堂工具，師生互動(dòng)，隨堂做線上檢測；課后QQ群隨時(shí)答疑交流，通過互動(dòng)平臺收集學(xué)生反饋，給出進(jìn)一步的學(xué)習(xí)建議。從平面教材、到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、再到實(shí)物實(shí)體操作，幫助學(xué)生全方位、多層次認(rèn)知儀器結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)原理，以學(xué)生為中心，多維度提升學(xué)習(xí)體驗(yàn)，多角度提升教學(xué)效果。

（二）多元評價(jià)，多角度多層次進(jìn)行教學(xué)考核

考核方式由線上線下兩部分組成，貫穿課前、課中、課后整個(gè)教學(xué)過程。課前學(xué)生在云平臺進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和模擬操作，預(yù)習(xí)成績由虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)評判；課中教師根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)成果及課內(nèi)交流互動(dòng)情況給出課內(nèi)交流分，利用課堂派等即時(shí)工具評判學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握情況，并根據(jù)實(shí)物操作情況給出操作分；課后教師依據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況給出報(bào)告分。期末考試在原實(shí)物操作考試之外，增加限時(shí)線上答題，使考核內(nèi)容更加全面。學(xué)生可自愿參加物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽，在各級競賽中獲得名次后可獲得相應(yīng)加分。課程考核方式及評定標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 “物理實(shí)驗(yàn)”課程考核方式及評定標(biāo)準(zhǔn)

四、教學(xué)改革成效

（一）教學(xué)形式更加豐富多彩

課前資料查詢、線上預(yù)習(xí)，小組討論；課中師生互動(dòng)，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主導(dǎo)者，對課堂的參與程度更深；知識點(diǎn)講解完畢，利用課堂派等翻轉(zhuǎn)課堂工具，及時(shí)了解學(xué)生對知識的掌握程度；學(xué)生動(dòng)手實(shí)操時(shí)，教師關(guān)注學(xué)生的操作狀態(tài)，并適時(shí)引導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生積極探討，自主發(fā)現(xiàn)并解決問題。

（二）考核方法更為便捷全面

在傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)操作考試的基礎(chǔ)上，在保證學(xué)生無法作弊的前提下，加入線上限時(shí)答題，利用課堂派即時(shí)獲得學(xué)生答題情況，使得操作考試與理論考試有效結(jié)合，考核方式更加便捷，考試內(nèi)容更為全面。

（三）學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度更為積極

課程的高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度，貼合實(shí)驗(yàn)背景和應(yīng)用的思政引導(dǎo)，這些都開闊了學(xué)生的視野，培養(yǎng)了學(xué)生的責(zé)任心。學(xué)生上傳自制課件的時(shí)間要求從課前一小時(shí)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎n前一兩天，課件逐漸規(guī)范和完善，內(nèi)容也越來越豐富。

（四）學(xué)生綜合能力明顯提升

針對不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容和特點(diǎn)，教師目標(biāo)明確地給出課前要求，對學(xué)生的知識深廣度和能力進(jìn)行引導(dǎo)，充分體現(xiàn)課程的高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度。例如，要求學(xué)生查找并做PPT介紹高精度或科技前沿裝置、思考測量月球半徑的方法、查找測量螞蟻力量的方法、思考使用萬用表時(shí)的注意事項(xiàng)等，有些需要學(xué)生查閱專業(yè)資料，有些需要學(xué)生簡單錄制操作視頻，課前還需要完成相應(yīng)項(xiàng)目的仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過分工合作，學(xué)習(xí)興趣更加濃厚，各項(xiàng)能力明顯提升。

（五）問卷調(diào)查

項(xiàng)目組針對教改模式和非教改模式的兩種教學(xué)方式發(fā)布了2份調(diào)查問卷，答題人數(shù)35人的為教改班，答題人數(shù)308人的為非教改班（如圖1所示），兩份問卷結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，教改班學(xué)生各項(xiàng)能力較非教改班有不同程度增強(qiáng)。

圖1 教改班與非教改班調(diào)查問卷結(jié)果對比

五、教學(xué)改革中的幾點(diǎn)思考

（一）課前選題重點(diǎn)要突出

教師給學(xué)生指定的課前選題應(yīng)盡量明確。教師可提供部分參考資料，或者明確查找方向，避免學(xué)生漫無目的，抓不住重點(diǎn)。例如對邁克爾遜干涉儀的調(diào)整及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生針對以下內(nèi)容做課前準(zhǔn)備：邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)相關(guān)的歷史背景及意義、邁克爾遜干涉儀的光路分析、等傾干涉與等厚干涉的現(xiàn)象及區(qū)別、如何辨別動(dòng)鏡是移向還是遠(yuǎn)離定鏡、介紹1～2種高精度或科技前沿裝置；對弦振動(dòng)的研究實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生針對賽格大廈晃動(dòng)的物理解釋、弦振動(dòng)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用、弦線密度測量公式的推導(dǎo)、如何測量弦線張力等內(nèi)容做課前準(zhǔn)備。

（二）內(nèi)容需緊扣“兩性一度”

教學(xué)中對學(xué)生的知識深度、廣度和能力進(jìn)行引導(dǎo)，充分體現(xiàn)課程的高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度。例如在密度測量教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生思考如何測量極大物體如月球的半徑、天體的密度，微小量的測量中如何測螞蟻的力量，折射率的應(yīng)用中如何鑒定珠寶，弦振動(dòng)中橋梁共振頻率的計(jì)算方法，太陽能電池特性中基于太陽能的房車供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

（三）課程思政應(yīng)無縫對接

例如在太陽能電池特性及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中，將太陽能電池的研究與雙碳、節(jié)能減排相結(jié)合；在以精密操作為主題的分光計(jì)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生課前自行準(zhǔn)備了高精度光刻機(jī)內(nèi)容講解，提示學(xué)生將該內(nèi)容與華為芯片事件結(jié)合，將FAST（天眼）等中國制造與世界發(fā)展結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主人翁意識。

（四）教學(xué)過程虛實(shí)互補(bǔ)交融

課前采用線上模式，教師通過交互平臺對每個(gè)實(shí)驗(yàn)給出引導(dǎo)性思考，引導(dǎo)學(xué)生提前熟悉實(shí)驗(yàn)手段，促進(jìn)學(xué)生自主擴(kuò)展學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)背景、理論及不同解決方案等；課中線下模式與實(shí)時(shí)的交流互動(dòng)相結(jié)合，通過課堂翻轉(zhuǎn)將知識內(nèi)化，加強(qiáng)能力培養(yǎng)與鍛煉；課后通過互動(dòng)平臺收集學(xué)生反饋，給出進(jìn)一步的學(xué)習(xí)建議。

（五）學(xué)生能力參差不齊，教師必須及時(shí)給出相應(yīng)的引導(dǎo)

對能力較強(qiáng)的學(xué)生，提出更高階的要求，增設(shè)更加富有創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度的內(nèi)容，引導(dǎo)他們走得更遠(yuǎn)。對基礎(chǔ)較薄弱的學(xué)生，立足于課堂內(nèi)教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)他們學(xué)得更穩(wěn)固。

（六）學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度不一，教師必須增強(qiáng)課程吸引力

例如在液體表面張力系數(shù)的測量實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生自帶實(shí)物演示多種表面張力現(xiàn)象，讓學(xué)生自行準(zhǔn)備多種不同品種或不同濃度的液體進(jìn)行對比測量；弦振動(dòng)的研究實(shí)驗(yàn)中，鼓勵(lì)弦樂愛好者攜帶弦樂器現(xiàn)場演示解說。在課前引導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)中結(jié)合思政元素，結(jié)合生活實(shí)際應(yīng)用，結(jié)合科技前沿發(fā)展，多方面提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)。