數(shù)字化教育背景下大學物理實驗MOOC教學模式探索與實踐

摘 要 本文以北京科技大學“大學物理實驗”教學為例，通過不斷探索和教學反饋形成了數(shù)字化背景下大學物理實驗MOOC教學模式;利用MOOC、仿真實驗、實時數(shù)據(jù)后測系統(tǒng)、報告系統(tǒng)等線上手段最終形成了針對本校學生的線上異步SPOC課程與線下同步實驗課程相結(jié)合的教學模式、線上線下混合式實驗教學的操作模式。該操作模式有機融合了學生預(yù)習、交互式學習、操作個性化指導(dǎo)、數(shù)據(jù)檢驗、報告提交、線上答疑等各個方面，并實行過程性考核與結(jié)果性考核有機結(jié)合的多樣評價和過程跟蹤的考核方式，實現(xiàn)學生智慧學習的個性化、數(shù)字化和交互式，以此激發(fā)學生的學習興趣和提高學習質(zhì)量。此外，針對外校學生和社會學習者的MOOC與仿真結(jié)合的同步教學模式，行之有效，讓實踐課程可以突破校園邊界，具有一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞 數(shù)字化教育;大學物理實驗;慕課;仿真實驗;教學模式

隨著我們國家的快速發(fā)展，我國從制造大國轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)造大國，這也為我們實驗教學提出了更高的要求，也就是既要讓教學滿足培養(yǎng)創(chuàng)造性人才的需求，又要適應(yīng)我們大國國際化的情況。2016年2月，高等教育版《地平線報告》明確指出：混合式學習的設(shè)計與應(yīng)用將是未來高等教育發(fā)展的重要趨勢之一[1]。習近平總書記在中共中央政治局第五次集體學習時強調(diào)：教育數(shù)字化是我國開辟教育發(fā)展新賽道和塑造教育發(fā)展新優(yōu)勢的重要突破口[2]。另外，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”對教育理念的革新和發(fā)展，使信息技術(shù)在教學中得到了廣泛的應(yīng)用，MOOC 就是其中之一，線上教學可以此為基礎(chǔ)開展[3]。高等教育在智慧教育的助力下，進一步完成數(shù)字化，這可以使學生的學習個性化、終身化，也可以為優(yōu)質(zhì)教育資源覆蓋面的擴大和教育現(xiàn)代化提供有效支撐。另外，數(shù)字化教育可以讓大學一流課程突破校園邊界，以此照顧到有特殊需求的本科生、留學生、中小學的科普教育，以及部分中西部兄弟院校的教學情況。

“大學物理實驗”課程涵蓋“工科物理實驗”“基礎(chǔ)物理實驗”和部分“理科物理實驗”，是高等院校理工科專業(yè)學生必修基礎(chǔ)課，教授學生科學實驗的基本知識、方法和技巧，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力，為學生進行科研、應(yīng)用技術(shù)工作奠定實驗基礎(chǔ)[4]。此外，“大學物理實驗”也在引領(lǐng)學生的正確價值觀上起著至關(guān)重要的作用。然而，大學新生普遍存在學習興趣缺乏，自主學習能力差，主動探求問題的意識薄弱，難以適應(yīng)大學粗線條、研究性教學的形態(tài)。為此，我校錄制了32個實驗的MOOC課程，并基于3D 引擎開發(fā)了與課程配套的虛擬仿真實驗，結(jié)合我校早已開發(fā)的實時數(shù)據(jù)后測系統(tǒng)、報告系統(tǒng)等線上手段，探索與實踐出在數(shù)字教育化背景下的MOOC教學模式，嘗試解決學生學習難、興趣缺乏的問題。

MOOC和SPOC教學模式，與傳統(tǒng)教學模式相比，是在線學習、學伴協(xié)作、多元管理融為一體的學習流程，是集規(guī)?；㈤_放化、網(wǎng)絡(luò)化和個性化為一體的教育教學模式，SPOC 和可視化的仿真實驗以及線下教學有機融合，可以促進學生智慧學習，提高學習興趣和學習質(zhì)量。針對本校學生，我們確定了線上SPOC異步教學的開課模式、線上異步SPOC課程與線下同步實驗課程相結(jié)合的教學模式、線上線下混合式實驗教學的操作模式。2023年2月13日，中國教育部部長懷進鵬在世界數(shù)字教育大會上的主旨演講《數(shù)字變革與教育未來》中提到，數(shù)字教育應(yīng)是公平包容的教育。數(shù)字技術(shù)具有互聯(lián)互通、即時高效、動態(tài)共享的特征，能夠快速高效地把分散的優(yōu)質(zhì)資源聚合起來，突破時空限制，跨學校、跨區(qū)域、跨國家傳播分享，讓那些深處不同環(huán)境的人都能夠平等地獲得教育資源的機會和渠道。針對外校學生和社會學習者，我們確定了MOOC課程與仿真實驗的結(jié)合，學生通過MOOC課程進行學習，通過仿真實驗進行操作和數(shù)據(jù)處理，為社會學習者提供可以學習也可以操作的物理實驗課程學習資源。圖1展示了經(jīng)過探索形成的數(shù)字化教育背景下大學物理實驗MOOC教學模式。

1 形成適合于“大學物理實驗”線上SPOC 異步教學的開課模式

我校大學物理實驗課程目前針對不同的專業(yè)有48學時和64學時，每個實驗項目為3學時，對于線上學習，學生的自覺自主性占很重要的因素，將一定的開課學時分配給線上學習，有助于督促學生的自覺學習。目前，緒論課采取線上學習，線下課堂不再講解，要求學生線上學習后完成相應(yīng)的檢測題;而且緒論課內(nèi)容較多，如果老師在線下講解完成以后，不可避免地學生沒有吃透或者容易忘記，那么放在線上學習，學生在以后的實驗過程中隨時返回查看。緒論課SPOC 內(nèi)容很細化，便于學生查找。另外，在以往大學物理實驗課程考試方式探索時我們發(fā)現(xiàn)平時考核更能夠注重學生學習過程考查和學生能力評價[5]，那么SPOC里是可以通過適當發(fā)放作業(yè)、討論題、考試的方式對學生的平時學習情況作過程性考核的。

綜上原因，我們研究了適合于大學物理實驗線上SPOC異步教學的開課模式，系統(tǒng)地考慮到學時分配、考查題目、考核機制等方面，也通過教學反饋來進行修正。如圖2所示，目前我們已經(jīng)開展了2個學期針對本校學生的SPOC。本項目開展的SPOC選課人數(shù)累計8948人。

圖3展示了SPOC 課程計分方式，由單元測驗（30%）、單元作業(yè)（30%）、課程討論（10%）、考試（30%）組成，其中單元作業(yè)為同學互評，未參與互評的學生將給予所得分數(shù)的50%，未完成互評的學生將給予所得分數(shù)的80%;課堂討論以活躍度（即在課堂討論中回復(fù)的數(shù)量）作為評分標準，回復(fù)超過2次即可獲得相應(yīng)分數(shù)。單元作業(yè)請同學互評的得分方式，以及課堂討論的設(shè)計，均可以調(diào)動學生線上異步學習的主動性和積極性。

另外，在SPOC課程的討論區(qū)，為學生提供課后在網(wǎng)上分享、探索和研究的平臺，課后學生在線上分享式地提出問題和討論問題，形成課后學生對物理問題進行研究、探索和討論的機制，形成大學物理課程研究性學習方式。如圖4所示，同學們回復(fù)熱情較高，老師也會參與討論，且有同學傾向于在網(wǎng)絡(luò)上問問題和參與討論，這是對我們線下實驗課堂的有效補充。

SPOC拍攝的視頻，每一個實驗均含有三板塊內(nèi)容，如圖5所示，有引言與實驗原理、實驗儀器介紹以及實驗操作及注意事項。實驗操作及注意事項部分的關(guān)鍵步驟插入了實驗操作視頻。學生課前通過實驗原理部分進行預(yù)習，在上課過程中的關(guān)鍵操作步驟可以依據(jù)自身情況觀看相應(yīng)操作視頻完成個性化指導(dǎo)。

此外，大學物理實驗中蘊含豐富的思政元素，例如，辯證唯物主義觀樹立并增強學生的世界觀;嚴謹、尊重科學、吃苦耐勞、團結(jié)協(xié)作以及創(chuàng)新精神等明確學生的人生觀;國家發(fā)展、名人故事等激發(fā)塑造學生的價值觀，因而，探索大學物理實驗課中開展思政教育的方法和方式是十分必要的[7]。SPOC的拍攝內(nèi)容由課程組把關(guān)，引入了思政和前沿科技，進行反溯法教學，有效減小了傳統(tǒng)教學手段每個教師講解內(nèi)容把關(guān)的難度。圖6以“聲速的測量”實驗為例展示了SPOC講解中的思政元素與前沿科技引入方式。引言中通過“蛟龍?zhí)枴鄙纤鶓?yīng)用的通信聲學系統(tǒng)介紹，使學生理解聲吶探測原理，并進一步了解到超聲波的探測手段在海水作業(yè)中優(yōu)于光學和電磁波手段，同時對我國的載人潛水器水平有一定了解。通過實驗拓展讓學生了解聲壓的概念，以及聲懸浮這種應(yīng)用前景廣闊的懸浮技術(shù)的物理機理。

經(jīng)過我們的探索，最終確定了合適的線上SPOC異步教學開課模式，能夠激勵學生主動觀看與學習，將SPOC這種新穎的教學手段引入我們的實驗教學中。

2 形成“大學物理實驗”線上異步SPOC 與線下同步課程相結(jié)合的教學模式

要解決好“大學物理實驗”的SPOC課程與傳統(tǒng)線下教學之間的關(guān)系，關(guān)鍵是課程的內(nèi)容設(shè)計與建設(shè)。由于線上SPOC教學的實施，可以節(jié)省上課教師講解實驗項目基礎(chǔ)原理的部分時間，教師可以將實驗與他的科研結(jié)合，講解一些與實驗相關(guān)的科技前沿，激發(fā)學生的學習興趣，也可以根據(jù)學生的情況補充一些實驗擴展、操作過程特殊情況的講解，也給學生節(jié)省了線下實驗基本操作的時間，給有余力的同學增添相關(guān)的實驗拓展操作。

此外，我們做了學生檢驗數(shù)據(jù)的后測系統(tǒng)，如圖7所示，每個實驗數(shù)據(jù)均有標準數(shù)據(jù)計算模板，學生課后在后測系統(tǒng)里輸入數(shù)據(jù)和計算結(jié)果，系統(tǒng)根據(jù)標準數(shù)據(jù)對學生的數(shù)據(jù)處理部分進行實時給分和反饋。另外，我們確立了“大學物理實驗”的成績組成，SPOC 成績占總成績的10%。這樣可以有效地督促學生完成線上學習，培養(yǎng)學生獨立學習的能力，且使學生有更多的時間完成實驗操作。我們采取過程性考核與結(jié)果性考核有機結(jié)合的多樣評價和過程跟蹤的考核方式。過程性考核（占課程總成績的百分之60%）能夠促進學生深度學習和創(chuàng)新思維。其中過程性考核有，學生的報告成績（40%）、平時成績（10%）、SPOC 成績（10%），結(jié)果性考核為期末考核成績（40%）。

圖8展示了“大學物理實驗同步、異步結(jié)合的教學反饋調(diào)研”中關(guān)于SPOC相關(guān)的問題，有絕大140多數(shù)同學認為SPOC學習內(nèi)容豐富且學習到了書本上沒有的內(nèi)容，作為預(yù)習手段比單純看書更為有效，SPOC和教材匹配且SPOC 的學習設(shè)置評分公平。

綜上所述，我們確定了線上異步SPOC 課程與線下同步實驗課程相結(jié)合的教學模式，此教學模式有著線上SPOC和后測系統(tǒng)的加持，可以讓學生更好地進行智慧化學習。學生利用SPOC進行原理預(yù)習，上課過程中通過SPOC中操作視頻進行個性化指導(dǎo)，課后利用后測系統(tǒng)進行實時檢驗，在報告系統(tǒng)里提交報告，課后還可以在SPOC討論區(qū)進行分享、探索和研究，這樣形成一個信息化網(wǎng)絡(luò)化加持的線上線下相結(jié)合的教學閉環(huán)。以此模式助力學生完成在線學習、學伴協(xié)作、個性化學習的智慧學習。當數(shù)字移民（教師）碰到數(shù)字原住民（學生）的時候，教師更加需要提高信息素養(yǎng)，在我們的物理實驗教學手段中，上課教師已經(jīng)可以自如地將線上SPOC、后測系統(tǒng)、報告系統(tǒng)和線下實驗課程有機融合，大大提高了教學效率，豐富了教學手段。

3 確定線上線下混合式實驗教學的具體操作模式

形成“大學物理實驗”線上線下混合式教學模式的關(guān)鍵在于課程表現(xiàn)方式的設(shè)計。在保證SPOC課程運行模式的設(shè)計與研究時，考慮了SPOC和虛擬仿真實驗平臺的結(jié)合，也考慮了這些線上與線下教學手段相結(jié)合的具體操作模式，即課堂表現(xiàn)方式。SPOC 講解較為全面，虛擬仿真實驗可以實現(xiàn)計算機模擬可視化，學生可以進行交互式學習，這些手段均可以促使學生課前完成高效的預(yù)習。在課后學生還可以進行SPOC和虛擬仿真實驗平臺的再次復(fù)習回顧，加深對實驗過程和數(shù)據(jù)的理解。

另外，在2022—2023年度上學期的學習中，因為疫情沒有返校的學生沒有辦法參加線下實驗，只能通過仿真實驗平臺完成相應(yīng)的實驗操作任務(wù)。針對這樣的情況，我們根據(jù)教材開發(fā)了相應(yīng)的仿真實驗，保證未返校學生用仿真實驗平臺做的實驗內(nèi)容和返校學生線下內(nèi)容一致，同樣用報告系統(tǒng)提交實驗報告，沒有影響未返校學生的物理實驗學習。我們在每個仿真實驗的考查點里設(shè)置了操作成績和數(shù)據(jù)成績兩項，圖9以“電橋測電阻”實驗為例，列出了此實驗中部分隱藏考查點（操作得分）和數(shù)據(jù)考查點，可以綜合考查學生做實驗的全過程。

針對本學年學生，我們下發(fā)了“大學物理實驗同步、異步結(jié)合的教學反饋調(diào)研”問卷，圖10展示了部分關(guān)于仿真實驗的調(diào)研結(jié)果，有79%的學生認為仿真實驗的操作和教材內(nèi)容契合，有56%的學生認為仿真實驗和實際實驗差別較小，有77%的學生認為SPOC、仿真實驗和教材匹配，有79%的學生認為仿真實驗和教材匹配。

而且對于留學生來說，在國外的留學生由于特殊情況是無法到校的，并且留學生更需要有仿真實驗幫他做一些預(yù)習，熟悉實驗操作。至此，對于本校學習學生、未返校學生、留學生來講，通過線上SPOC、后測系統(tǒng)、報告系統(tǒng)、仿真實驗的有機結(jié)合，均有相應(yīng)的線上線下混合式實驗教學的具體操作模式可供選擇，形成教學閉環(huán)，同時有效地解決了疫情或者今后可能遇到的特殊情況帶來的實驗課程上課難題。

4 形成針對社會學習者的MOOC 課程與線上虛擬仿真實驗同步教學模式

通過確定MOOC課程與虛擬仿真實驗的結(jié)合模式，可以使外校學習者在沒有實驗器材的情況下完成物理實驗課程的學習。在此工作基礎(chǔ)上，我們就可以做到針對外校學生、社會學習者的線上教學，以及普通中小學的線上科普教學。截至目前，如圖11所示，我們已經(jīng)開展了4個學期的工科物理實驗Ⅰ和2個學期的工科物理實驗Ⅱ的MOOC課程。工科物理實驗Ⅰ累計選課人數(shù)2141人，工科物理實驗Ⅱ選課人數(shù)601人。

我們制定了工科物理實驗的給分方式，工科物理實驗MOOC包括線上學習和仿真實驗學習（在仿真實驗平臺）兩部分構(gòu)成。成績由MOOC中單元測驗（15%）、單元作業(yè)（15%）、課堂討論（5%）、考試（15%）以及域外成績（仿真實驗，50%）組成。本課程設(shè)有合格證書和優(yōu)秀證書，總分在60～85（不含）分之間為合格，有資格申請合格證書;總分高于85（含）分為優(yōu)秀，有資格申請優(yōu)秀證書。

我們針對我們的教材完成了對仿真實驗項目的開發(fā)，仿真實驗的設(shè)計理念是和MOOC完美契合、與我校線下實驗完全一致。課程配套的虛擬仿真實驗基于3D引擎開發(fā)，給實驗者身臨其境之感。仿真實驗與MOOC的配合將極大地提高同學的學習興趣與學習質(zhì)量。圖12以“空氣比熱容比的測定”為例，展示了我們開發(fā)的仿真實驗的實驗儀器和我校真實實驗儀器是一致的，仿真系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)處理表格和我們教材的實驗內(nèi)容與要求也是一致的。目前，根據(jù)本校實驗教材改進的仿真實驗平臺累計使用學生2673人。

目前，我們在工科物理實驗Ⅰ中引入了7個、工科物理實驗Ⅱ中引入了8個相應(yīng)的仿真實驗項目，總計有15個實驗項目按照我校的MOOC和教材完成了仿真實驗的開發(fā)。如圖13所示，仿真實驗操作作為每個實驗的作業(yè)放入了MOOC系統(tǒng)。學生完成相應(yīng)的MOOC學習和仿真實驗操作，最終，仿真實驗的成績將作為域外成績導(dǎo)入到MOOC系統(tǒng)中。

2023年我?！按髮W物理實驗”課程被評為“北京高校優(yōu)質(zhì)本科課程”。外校學生和社會學習者使用MOOC課程與線上虛擬仿真實驗同步的教學模式，在一方面實現(xiàn)了懷進鵬部長所講的智慧教育助力高等教育，讓大學一流課程突破校園邊界。外校學生和社會學習者完全可以自主完成上課、實驗的全過程。形成閱讀我校教材、MOOC線上上課、提交作業(yè)、參與討論和答疑，仿真實驗系統(tǒng)完成相應(yīng)操作，最終成績統(tǒng)一在MOOC系統(tǒng)中，形成教學閉環(huán)?？梢钥闯觯覀冇行У亟鉀Q了外校學生和社會學習者只能進行MOOC線上學習而不能實際操作的難題，這對于物理實驗課程是非常重要的。

5 結(jié)語

我校搭建了大學物理實驗MOOC平臺，拍攝了32 個實驗的MOOC 視頻并確定了線上MOOC異步開課模式。另外，針對我校教材開發(fā)了與之匹配的3D引擎虛擬仿真實驗，再結(jié)合我校早已搭建的數(shù)據(jù)后測系統(tǒng)和報告提交與智能評判系統(tǒng)，通過不斷探索和教學反饋形成了一套行之有效的并且可以持續(xù)推廣下去的在數(shù)字化教育背景下的大學物理實驗MOOC教學模式。

線上異步SPOC課程與線下同步實驗課程教學模式，增強了學生自主學習能力、動手實踐能力、創(chuàng)新能力。并且，逐步形成了我校物理實驗課程的線上線下混合式教學相結(jié)合的授課標準，是集規(guī)模化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化和個性化為一體的教學模式，讓學生可以在數(shù)字化智慧化學習手段的加持下完成在線學習、學伴協(xié)作、多元管理為一體的學習流程。我們也形成了“大學物理實驗”MOOC課程與其他線上教學手段結(jié)合實現(xiàn)同步教學的模式，有針對性地解決了外校學生和社會學習者只能進行MOOC線上學習而不能實際操作的困難，讓大學實踐課程突破了校園邊界，有一定的推廣價值。

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基金項目： 本文受北京科技大學2021年度本科教育教學改革面上項目（JG2021M54）以及北京科技大學2021年度本科教育教學改革重點項目（JG2021Z05）資助。