工科大學(xué)物理數(shù)字化與智能化教學(xué)方式探索與方法革新

趙文壘 可汗 韓超

摘要：數(shù)字化和智能化信息技術(shù)的快速發(fā)展，對工科大學(xué)物理課程傳統(tǒng)教學(xué)方式帶來顛覆性的影響。本文探討在工科大學(xué)物理公共課中引入數(shù)字化和智能化信息技術(shù)，具體包括：設(shè)計多樣化的在線課程；構(gòu)建有效的虛擬實驗環(huán)境；實現(xiàn)智能化學(xué)習(xí)系統(tǒng)；設(shè)計可量化的個性化評估方案。數(shù)字化和智能化教學(xué)方式消除了傳統(tǒng)教學(xué)方法對地域和時間的限制，使更多的學(xué)生獲得高質(zhì)量的物理教學(xué)資源。這有助于普及大學(xué)物理知識，減少了不同地區(qū)之間的教學(xué)差距，為廣大學(xué)生提供了學(xué)習(xí)機(jī)會。

關(guān)鍵詞：工科大學(xué)物理；數(shù)字化；信息化

一、概述

隨著數(shù)字化和智能化信息技術(shù)的快速發(fā)展，社會生活和職業(yè)環(huán)境發(fā)生了深刻變革?；ヂ?lián)網(wǎng)、移動設(shè)備和人工智能等新興技術(shù)對高等教育課堂教學(xué)模式提出了全新的要求和挑戰(zhàn)。高等教育界也面臨著技術(shù)創(chuàng)新和教育理念更新的歷史機(jī)遇［12］。在此背景下，我國政府制定了一系列有利于高等教育數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型的政策措施。尤其是2022年1月發(fā)布的《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，其中明確提出了推進(jìn)智能教育發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。此外，全國教育工作會議也制訂了國家教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動計劃，進(jìn)一步彰顯了數(shù)字化和智能化在推動教育改革與發(fā)展中的核心地位。

互聯(lián)網(wǎng)和移動設(shè)備的普及引發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)方式和習(xí)慣的變革［3］。傳統(tǒng)的大學(xué)物理公共課教學(xué)模式主要依賴于課堂講授和教材閱讀，學(xué)生被動地接受知識，缺少與知識互動和實踐的環(huán)境，從而影響了學(xué)生對物理知識的深層理解。抽象概念的難度使得學(xué)生容易失去學(xué)習(xí)興趣，也使得教師面臨著傳統(tǒng)教學(xué)方法的局限性，難以適應(yīng)不同學(xué)生的個性化需求，難以促進(jìn)學(xué)生的主動參與和獨立思考。與此同時，數(shù)字化和智能化信息技術(shù)的快速發(fā)展對教育產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。虛擬現(xiàn)實、人工智能［4］和在線教育［56］等新型工具和平臺為傳統(tǒng)的課堂教學(xué)提供了新的可能性和挑戰(zhàn)。在這一教育方式變革浪潮中，工科大學(xué)物理公共課也面臨著教學(xué)方式和方法的創(chuàng)新需求。

工科大學(xué)物理是高等教育體系中重要的基礎(chǔ)課程之一，既能夠提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，又為培養(yǎng)創(chuàng)新能力和科學(xué)思維奠定基礎(chǔ)。然而，傳統(tǒng)的物理教育方式和方法已很難適應(yīng)現(xiàn)代學(xué)生的需求。物理課程中抽象概念和復(fù)雜公式使得學(xué)生難以理解并逐漸失去興趣，而傳統(tǒng)課堂中單向式的知識傳授也難以滿足不同學(xué)生的個性化需求，難以激發(fā)他們主動參與和獨立思考的積極性。相比之下，數(shù)字化［7］和智能化技術(shù)為大學(xué)物理公共課教育帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，它們不僅開拓了教學(xué)方式和方法的新領(lǐng)域，還為提升教育質(zhì)量、擴(kuò)大教育覆蓋、培養(yǎng)創(chuàng)新人才提供了新途徑［8］?；诖?，本文將重點探討工科大學(xué)物理公共課如何進(jìn)行數(shù)字化和智能化的教學(xué)方式與方法的改革與創(chuàng)新［911］。我們的主要方案是：（1）設(shè)計多樣化的在線課程；（2）構(gòu)建有效的虛擬實驗環(huán)境；（3）實現(xiàn)智能化學(xué)習(xí)支持；（4）可量化的個性化評估方法設(shè)計。我們的目的是增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，以期培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維的科學(xué)人才。本文的探索為未來工科大學(xué)物理公共課的教學(xué)方法的發(fā)展提供了有益的借鑒和參考［12］。

二、數(shù)字化、智能化條件下教學(xué)方式方法

（一）設(shè)計多樣化的在線課程

我們按照傳統(tǒng)教學(xué)習(xí)慣，把工科大學(xué)物理分成力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)和光學(xué)四個模塊。每個模塊涉及多個教學(xué)主題，在每個主題中涵蓋豐富的知識點。我們針對每個知識點設(shè)計視頻講解、圖文資料、習(xí)題練習(xí)，同時盡可能地插入實驗演示視頻。此外，我們采用混合式教學(xué)法，結(jié)合同步和異步的在線教學(xué)方式。同步教學(xué)主要通過網(wǎng)絡(luò)直播平臺進(jìn)行，教師可以實時與學(xué)生互動、解答問題、進(jìn)行討論和測試。異步教學(xué)主要通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺進(jìn)行，教師可以上傳視頻、資料、習(xí)題和實驗等內(nèi)容，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)。同時，教師還可以通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺發(fā)布作業(yè)、評價和反饋、跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和效果。

以光波干涉現(xiàn)象為例，我們分析了知識特點，對課程采用了多樣化教學(xué)設(shè)計，包括以下幾種教學(xué)方式：（1）視頻講解。運用動畫、圖解、公式等手段，闡述了干涉現(xiàn)象的原理和規(guī)律。（2）圖文資料。提供相關(guān)的背景知識、歷史發(fā)展、實際應(yīng)用等信息，拓展了學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。（3）習(xí)題練習(xí)。設(shè)計了不同難度和類型的習(xí)題，包括選擇題、填空題、計算題、簡答題等，檢驗了學(xué)生對干涉現(xiàn)象的理解和運用。（4）實驗演示。利用簡單的器材，如激光筆、雙縫片、鏡子、肥皂泡等，展示了不同條件下的干涉現(xiàn)象，并讓學(xué)生觀察并記錄實驗結(jié)果。

本課程旨在讓學(xué)生掌握大學(xué)物理的基本概念、原理和方法，培養(yǎng)學(xué)生的物理思維和創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生對物理學(xué)的興趣和熱情。在數(shù)字化背景下，本課程采用多樣化的在線教學(xué)活動，適應(yīng)不同學(xué)習(xí)風(fēng)格和層次的學(xué)生，提高課程內(nèi)容的吸引力和互動性，促進(jìn)學(xué)生靈活運用所學(xué)知識解決實際問題。我們采用多元化的評價方式，包括過程評價和終結(jié)性評價。過程評價通過同步教學(xué)中的測試、討論和互動，以及異步教學(xué)中的習(xí)題、作業(yè)和實驗等方式進(jìn)行，及時檢測和反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)不足。終結(jié)性評價通過期中考試和期末考試進(jìn)行，綜合考核學(xué)生對大學(xué)物理的掌握程度和應(yīng)用能力。

（二）構(gòu)建有效的虛擬實驗環(huán)境

虛擬實驗不需要大量昂貴的實驗設(shè)備和耗材，有助于降低學(xué)習(xí)成本，為復(fù)雜的和高成本的物理實驗提供了一個高效的學(xué)習(xí)平臺。該仿真平臺消除了傳統(tǒng)大學(xué)物理實驗的時間和空間限制，可以讓學(xué)生在靈活的時間和地點訪問虛擬實驗室，并在仿真環(huán)境中獲得高質(zhì)量的實驗體驗，增加了學(xué)習(xí)的靈活性。此外，虛擬實驗環(huán)境可以根據(jù)學(xué)生對學(xué)術(shù)的專業(yè)性和學(xué)科的不同需求進(jìn)行量身定制，為他們提供個性化的學(xué)習(xí)體驗。這樣，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣探索實驗，并輕松共享虛擬實驗資源。這種資源的可復(fù)制性有助于提高教學(xué)資源的利用率，讓更多學(xué)生和教師受益。

虛擬仿真環(huán)境需確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和教學(xué)效果的有效性，因此，構(gòu)建有效、逼真虛擬實驗環(huán)境是核心問題。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，我們采取以下方案：（1）軟硬件設(shè)備。我們采用高性能的計算機(jī)，保障運行復(fù)雜的虛擬實驗軟件和模擬實驗中的各種物理現(xiàn)象。（2）實驗過程指導(dǎo)。我們在虛擬實驗環(huán)境中應(yīng)提供詳細(xì)的實驗指導(dǎo)，包括實驗原理、目標(biāo)、步驟、所需儀器和材料清單以及注意事項。（3）評估與反饋。我們提供有效的評估機(jī)制，包括測驗、報告和實驗結(jié)果分析等。通過高質(zhì)量評估策略及時糾正錯誤、改進(jìn)學(xué)生的技能，讓他們更好地理解物理原理，鼓勵學(xué)生深入思考和探索。

（三）實現(xiàn)智能化學(xué)習(xí)系統(tǒng)

智能化學(xué)習(xí)系統(tǒng)可以根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)層次和學(xué)習(xí)風(fēng)格提供個性化的建議和資源，有助于滿足不同學(xué)生的需求，提供更具針對性的學(xué)習(xí)體驗。智能系統(tǒng)還可以提供即時反饋，幫助學(xué)生了解他們的學(xué)習(xí)進(jìn)展，并根據(jù)平時測試表現(xiàn)調(diào)整學(xué)習(xí)策略，有助于糾正錯誤，提高學(xué)習(xí)效率。此外，智能系統(tǒng)可以收集和分析學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，識別學(xué)生的弱點和優(yōu)勢?；诖?，提前干預(yù)學(xué)習(xí)方案，以確保學(xué)生順利完成課程學(xué)習(xí)。數(shù)字化和智能化科技為學(xué)生提供了多樣化的學(xué)習(xí)資源，包括交互式教材和視頻等。通過數(shù)字化平臺，學(xué)生可以訪問來自世界各地的教育資源和課程，從而拓寬他們的學(xué)術(shù)視野，提升國際化能力。

我們借助智能化技術(shù)，為學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)方案，以滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，具體實施方案包括以下幾個方面：（1）利用人工智能技術(shù)，如機(jī)器學(xué)習(xí)和自然語言處理，開發(fā)智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和能力，提供個性化的學(xué)習(xí)資源和建議。（2）利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)深入了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并為教師提供有效反饋。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動的反饋機(jī)制可以幫助教師對學(xué)生進(jìn)行個性化指導(dǎo)，并增強(qiáng)課堂教學(xué)的效果。（3）開發(fā)智能診斷工具，根據(jù)學(xué)生的測試成績和作業(yè)完成情況，快速診斷出他們在哪些方面存在困難，并為教師提供相應(yīng)的教學(xué)建議。這有助于教師更及時地應(yīng)對學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，為學(xué)生提供更好的學(xué)習(xí)體驗和更好的學(xué)習(xí)成果。

（四）設(shè)計可量化的個性化評估方案

為了更好地增強(qiáng)教學(xué)效果、滿足學(xué)生的個性化需求、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，我們構(gòu)建一種可量化的個性化評估方案，旨在更全面地評估學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)和要求，精細(xì)調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)方式和方法。本研究提出了以下評估方法：（1）通過智能化測試為學(xué)生量身定制測驗內(nèi)容，根據(jù)其知識水平和學(xué)習(xí)進(jìn)度智能地調(diào)整題目難度，以確保測驗的精確性和適切性。（2）采用問卷調(diào)查和學(xué)習(xí)日志分析的方法了解學(xué)生的學(xué)習(xí)偏好和興趣領(lǐng)域，為學(xué)生提供個性化的教學(xué)資源，從而更好地滿足他們的需求。（3）針對教學(xué)方式和方法的改革創(chuàng)新，我們采用虛擬平臺為學(xué)生制定個性化的教材內(nèi)容，以滿足他們的特定需求。通過數(shù)字化技術(shù)，提供虛擬實驗和模擬活動，促進(jìn)學(xué)生的實踐能力培養(yǎng)和深度理解的提升。

設(shè)計可量化的個性化評估方案具有極其重要的作用，其重要性體現(xiàn)在以下幾個方面。在信息時代，數(shù)據(jù)的重要性不言而喻。量化評估為學(xué)校和教師提供了的重要信息，有助于更好地配置資源和優(yōu)化教學(xué)方法?？闪炕脑u估方案允許教師客觀地衡量學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，為教學(xué)提供了科學(xué)依據(jù)，有助于準(zhǔn)確識別學(xué)生的強(qiáng)項和需改進(jìn)之處。個性化的評估方案能夠幫助教師了解每個學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣、興趣和需求，為他們提供針對性的支持和指導(dǎo)，進(jìn)而提高每個學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，減小差距?？傊?，設(shè)計可量化的個性化評估方案在教學(xué)中具有不可或缺的重要性。它為教育提供了數(shù)據(jù)支持，有助于提高教育質(zhì)量、促進(jìn)學(xué)生個性化發(fā)展，同時也對教學(xué)方法的制定和改進(jìn)起到促進(jìn)作用，推動教育的不斷進(jìn)步。

三、結(jié)論和展望

本文針對工科大學(xué)物理數(shù)字化和智能化教學(xué)方法探索問題提出若干解決方案，為學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)平臺，期望滿足學(xué)生的不同需求。

通過數(shù)字化教學(xué)方式可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度，進(jìn)而提高教學(xué)效果和質(zhì)量。數(shù)字化和智能化的教學(xué)方法也為教師提供了教學(xué)設(shè)計和評估教學(xué)效果的工具，幫助教師更好地定制教學(xué)內(nèi)容，監(jiān)控學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)展，并根據(jù)學(xué)生的反饋數(shù)據(jù)調(diào)整教學(xué)策略。這種方式可以提升教師的教學(xué)輔助功能，讓教師能夠更好地為學(xué)生提供幫助。此外，數(shù)字化和智能化的教學(xué)方式打破了傳統(tǒng)教學(xué)方法的時間和地域限制，實現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)和在線學(xué)習(xí)。這種方式拓展了教學(xué)的范圍，讓更多的學(xué)生受益于高質(zhì)量的教育資源。它有助于減少資源分配的不均衡，為偏遠(yuǎn)地區(qū)學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)機(jī)會，增加教育的受益面?？傊?，數(shù)字化和智能化的教學(xué)方法改革，為現(xiàn)代工科大學(xué)物理教學(xué)提供了一種新的有效方法，從而滿足不同學(xué)生的需求，提高教學(xué)質(zhì)量，并縮小教育差距。

本文的教學(xué)方法改革具有較大必要性，首先，它能夠提高教育的質(zhì)量和效率，滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，促進(jìn)自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。其次，面對信息時代的挑戰(zhàn)，采用新興技術(shù)和教育方法可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)和數(shù)字化能力，增強(qiáng)他們在未來社會的競爭力。最重要的是，這種教改還能夠提高思政教育的效果。思政教育是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和思想道德品質(zhì)的重要任務(wù)。教學(xué)方法改革為思政教育提供了更廣闊的發(fā)展空間。通過多樣化的在線課程設(shè)計，可以更好地傳達(dá)思政教育的核心價值觀，激發(fā)學(xué)生的愛國精神和責(zé)任感。我們通過構(gòu)建虛擬教學(xué)環(huán)境可以培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和解決問題的能力。智能化學(xué)習(xí)系統(tǒng)和個性化評估方案則可以根據(jù)學(xué)生的思政教育目標(biāo)提供個性化的支持和反饋，幫助他們更好地理解和踐行思政教育的理念。

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基金項目：本研究論文受到國家自然科學(xué)基金（12065009、12365002）和江西省自然科學(xué)基金（20224ACB201006、20224BAB201023）的資助

*通訊作者：趙文壘（1981—），男，漢族，山東濟(jì)寧人，副教授，研究方向：理論物理。

作者簡介：韓超（2000—），男，漢族，內(nèi)蒙古包頭人，碩士研究生，研究方向：電子科學(xué)與技術(shù)；可汗（1999—），男，漢族，湖北黃岡人，碩士研究生，研究方向：電子信息。