大數據背景下的大學物理實驗教學改革

馬寧生，呂 軍，方 愷

(同濟大學 物理科學與工程學院，上海 200092)

大數據背景下的大學物理實驗教學改革

馬寧生，呂 軍，方 愷

(同濟大學 物理科學與工程學院，上海 200092)

在教育領域中的大數據研究正是當前教育應該積極面對的新課題. 由學生以不同方式學習所產生的數據，比如移動學習和泛在學習， 通過挖掘這些大數據能有效地促進教學和學習. 物理實驗應該對學習的過程和實驗數據進行記錄、儲存和使用，在教育大數據的背景下，結合物理實驗教學的特點，本文分析了國內外目前對移動學習、泛在學習和教育大數據的研究成果. 具體分析和介紹了教育大數據的作用、數據挖掘的方法、教學改革的內容與方法和評價的內容和方法.

大數據；數字化教學；大學物理實驗；微課程；增強現實技術；移動學習；泛在學習

1 教育大數據促進個性化的自適應學習

中國教育和科研網的推出是中國高校信息化建設的開始[1]，中國高校的信息化之路經歷了25年. 隨著教育信息化的深入，教育類型和生成的數據量遠遠超過了預期的教育信息化，教育已經進入了大數據時代. 如何挖掘和使用這些積累的數據是我們應該面對的一個重要課題. 2015年2月中國教育部辦公廳發布的“2015年教育信息化的重點” 指出：促進大數據的應用程序，監控、評估、預測、預警是提供科學決策和宏觀管理的基礎. 研究和制定有關教育數據管理和使用辦法，規范規劃、獲取、分享和使用教育數據[2]. 教育大數據已成為教育信息化的一個重要組成部分，教育大數據將滲透到所有的教育方面. 教育大數據的意義不僅僅是對教育管理和決策的幫助，更重要的是促進教學和學習. 2012年10月美國教育部發布“通過數據挖掘和學習分析加強教學和學習—— 簡單的一個問題”指出：通過教育數據挖掘、學習分析和可視化數據分析提高個性化的自適應學習系統，實現個性化學習[3].

大學物理實驗不僅是本科學生在科學和工程專業的基礎課程，也是實驗知識、培養操作技能和提高整體質量的重要課程，同時也是實驗技能訓練的開始. 現代教育理論提倡以學生為中心，強調學生的主體性，滿足學生的個性化學習，這就要求教師改變傳統的課程組織和教學模式. 在符合現代教育理念的要求和實現個性化學習中，教育大數據具有不可替代的優勢，所以如何挖掘教育大數據將成為現代教育的重要技術基礎.

2 大學物理實驗課程的數字化

大學物理實驗課程的數字化建設應該滿足學生的個性化的自適應學習，提供數據進行數據挖掘和學習分析[4]. 它應該體現在幾個方面：學生的基本信息數字化、學習內容和過程的數字化和實驗報告的數字化. 通過建設數字化的大學物理實驗，使每個學生都可以從中獲得有效數據. 這些數據可用于建立數學模型，通過對數學模型和每個學生的數據比對，可以預測和評估學生的學習進展和學習效果.

2.1 學生基本信息的數字化

學生的基本信息可以用來分析學生特點，包括智力和非智力因素. 智力因素指個體認知發展的一般特征如知識水平、認知特點、認知結構等，非智力因素指興趣、動機、情感、態度、焦慮、意志、人格和文化和宗教背景[5]. 通過學生的在線學習平臺上注冊、問卷和前測試，可以獲得基本信息. 信息采集是數字化的先決條件，數字化的關鍵是使用教育學和心理學的基本原理以及數據挖掘工具對每個學生建立了基本模型. 學生利用模型在選擇物理實驗、預測知識和心理困難時獲得幫助.

2.2 實驗學習內容和過程的數字化

學生的基本信息可以幫助教師了解學生在實驗前的基本情況，但它不完全預測會發生的具體學習過程. 實驗學習過程的生成、學生的智力和非智力因素是不斷變化的. 因此根據學習過程中生成的數據， 數字化模型應該是不斷調整. 要獲得這些數據，學生的實驗學習內容和過程必須數字化.

實驗內容的數字化要求教師在電子學習平臺提供豐富的學習資源，如微講座、虛擬實驗等. 這些資源用在不同的實驗學習階段將拓寬學生的選擇. 同時，學生學習過程的細節，如學習的時間、鼠標點擊的數量、評論的內容和錯誤的類型，將記錄在電子學習平臺上，實驗的數字化學習過程不僅要記錄過程，還與數字化建設的實驗儀器有關. 實驗儀器的數字化顯示實驗結果和記錄學生的操作的過程，它的重要意義在于學生能夠分析自己實驗過程中的優點和缺點，記錄完整的實驗操作過程對教師全面分析學生是至關重要的.

2.3 數字化的實驗報告

實驗報告是大學物理實驗教學中的重要組成部分. 提高學生的實驗報告質量，建立科學的評分機制，將有效地促進高校物理實驗教學的改革[6]. 傳統的實驗報告有一定的缺點，如內容和形式的更新速度緩慢，不同專業背景的學生要求相同的實驗報告格式. 而數字化的實驗報告具有以下優點:

1)教師可以根據不同學生的學科特點和每個學生的能力，推動個性化實驗報告.

2)由于數字化實驗報告記錄了操作過程和實驗數據，它反映了學生的真實實驗過程.

3) 教師很容易糾正數字化的實驗報告，在數字實驗報告中的一些問題也可以通過系統的固定答案加以糾正.

4)數字化的實驗報告可以方便地保存和分析評價學生客觀物理實驗，建立數學模型.

3 物理實驗教學改革

使用教育大數據的目標在于大學物理實驗教學的數字化，而更重要的意義是深化大學物理實驗改革. 這就需在改革的背景下，教師研究如何在教學內容、教學方法、教學模式中使用大數據.

3.1 教學內容

大學物理實驗通常是圍繞特定的實驗，教學內容基于物理實驗教材和實驗操作的指導. 在大數據時代，教學內容應該以內容的數字化來適應學生的個性化學習. 首先，提供豐富的數字化教學資源. 學習類型可以分為3個類別：視覺學習者、聽覺學習者和觸覺學習者. 提供豐富的學習資源可以滿足不同類型的學生，使他們可以根據自己的需要選擇合適的教學資源. 所以電子學習平臺應提供視頻、音頻和虛擬實驗，這些資源可以用于學生的預習和復習. 其次，提供關于數字實驗儀器操作的教學內容. 許多傳統物理實驗儀器是非數字化的，盡管通過一些手段使之數字化，但數字化水平無法滿足大數據的要求. 當實驗儀器數字化后，實驗操作步驟可能會改變. 因此，針對新的實驗方法和儀器要重新設計教學內容. 多樣化和數字化教學內容對打破以學科為中心和建立以學生為中心的教學有著重要的意義.

3.2 教學方法

大學物理實驗教學一般分為2個階段：理論教學和實驗操作指導. 微課程能夠有效地提高知識的傳播效率，但不能滿足個性化的需求. 在實驗操作的指導過程中，主要采用示范法和有限的個別咨詢法，這些教學方法可以幫助學生完成實驗操作，但不利于學生理解和構建實驗知識. 同時，實驗理論教學有時與實驗操作分開，所以當學生做實驗時，他們可能不記得實驗的理論.

基于教育大數據上的大學物理實驗教學能夠改變這種教學方法. 首先，教師根據來自于學生基本信息的大數據分析安排實驗計劃. 根據實驗和學生的特點，教師下達具有多種教學方法的實驗教學內容，學生將完全接受或部分接受教學內容. 其次，實驗電子學習平臺提供豐富的數字化教學資源，學生可以利用課外時間學習實驗理論，而理論學習可以重復，不受時間和空間的限制. 如果學生在學習過程中遇到問題，他們可以直接檢索和提問，這些問題和答案將被記錄在數據庫中，方便其他學生進行檢索. 在特定的實驗中，學生可以分為不同組進行實驗操作，同一組的學生可能有相似的知識水平、能力和問題. 通過教育大數據分析，教師能夠更有針對性地指導學生實驗操作并促進學生構建自己的理解.

3.3 探索新的教學模式

在教育大數據時代，在教學內容和教學方法上將發生一些根本性的變化. 為了充分發揮這些變化的優勢，教師要為每個特定的物理實驗探索新的教學模式. 這些新的教學模式應該充分發揮數據挖掘和學習的功能分析.

首先，通過數據挖掘，了解學生的基本情況后，可以給學生安排個性化實驗項目.

其次， 通過學習分析，了解學生的學習過程和行為，發現學生在學習中的困難，有針對性地指導使學生繼續學習.

第三，學生使用電子學習平臺上豐富的教學資源學習實驗理論和理解實驗操作的步驟. 教師根據電子學習平臺反映的情況組織課堂教學.

最后，用教育大數據來記錄學生的學習過程，獲得學生的形成性評價，幫助學生提高實驗學習技能. 各種教學模式基于具體的教學背景和教育價值，教學模式的有效實施會受到許多因素的制約，如教學環境和教學目標.

4 學習物理實驗方法的改革

大學物理實驗改革的重點是建立以學生為中心的教學模式. 因此，大學物理實驗改革應滿足學生的個性化實驗學習需要，應將信息技術引入到實驗學習過程中，并幫助學生構建大學物理實驗的認知. 信息技術的快速發展使得移動學習和泛在學習成為可能，使非正式學習進入現實生活. 大學物理實驗改革應借鑒這些學習方法.

4.1 個性化的物理實驗

個性化學習強調學習過程應該符合學生的個性和發展潛力，采取適當的手段、方法、內容和評價， 自由、和諧地促進學生全面發展. 結合教育學和心理學，針對學生的學習狀況，教育大數據可以建立數學化模型用于分析學生的個性和發展潛力. 與此同時，這些數學化模型與數據將變得更加富有變化，學生可以選擇不同的數學化模型進行學習，從而完成個性化學習.

個性化包括實驗項目和實驗內容. 實驗項目主要指系統可以把適當的實驗項目給與學生，學生可以修改項目. 通過這種方式，兼顧了教學目標和學生的實際需求. 實驗內容主要是指通過使用大數據分析實驗項目、進展和認知特點，然后根據分析結果為學生提供實驗學習內容. 必要時，教師還可以組織學生進行面對面的輔導. 個性化實驗內容還可以包括預測學生的學習潛力.

4.2 物理實驗中的混合式學習

Singh & Reed提出，混合學習是“在合適的時間內，利用合適的學習技術通過合適的學習方式，以合適的傳遞方式使合適的學習者獲得最佳的學習效果”. 傳統的物理實驗學習主要是基于物理實驗教材和課堂教學. 以這種方式學習，效率相對較低，不能滿足所有學生的需求. 針對物理實驗的混合學習涉及到許多方面：

1)課本學習和多媒體學習資源的混合.

2)正式的課堂學習和非正式泛在學習的混合.

3)線下交流和在線交流的混合. 這種混合不是隨意和混亂的，它應該滿足上述5個“合適”.

物理實驗教材仍然是主要的學習資源，它擁有完整的知識和邏輯系統，可以幫助學生構建學科. 多媒體資源具有豐富的表達形式，有利于學生理解專業知識. 物理實驗的理論可以用泛在學習方式完成. 在實驗中學習過程包括儀器和人之間的互動和人際互動. 在線交流是真實交流的擴展，它可以擴大交流的時間和空間并在必要時使學生獲得幫助. 泛在學習和在線通訊產生大量數據，通過分析這些數據可以指導下一輪的實驗學習，可以安排課堂學習和線下溝通.

5 物理實驗評價方法改革

教學評價是大學物理實驗教學的重要環節. 總結性評價可用于檢查學生的實際能力，診斷性評價和形成性評價可以用來發現學生學習過程中的問題并反饋給教師. 評價是教與學過程中的基本內容，各種評價并非彼此排斥，它們是相互聯系和相互滲透的. 這是因為任何一種工作都是連續的，階段的劃分也是相對的. 無論是形成性評價或是終結性評價都帶有診斷的性質. 在實際的實驗教學中，對物理實驗教學評價包括實驗預習、觀察學生的實驗操作過程和實驗練習. 這種評估過程是粗糙的，效果有限. 教育的大數據可改變這一狀況，它能完整地記錄學生的實驗學習過程，可以了解學生的更多細節，通過分析整個物理實驗學習過程，可以客觀地反映學生的實際水平.

5.1 總結性評價

總結性評價一般是在教學活動告一段落后，為了解教學活動的最終效果而進行的評價. 其目的是檢驗學生的學業是否最終達到了該學科的教學目標[6]. 總結性評價重視結果，借以對被評價者做出全面鑒定，區分出等級并對整個教學活動的效果做出評定.

總結性評價是以預先設定的教學目標為基準，對評價對象達成目標的程度，即教學效果做出評價. 總結性評價注重考察學生掌握某門學科的整體程度，概括水平較高、測驗內容范圍較廣，常在學期中或學期末進行，次數較少[7]. 由于實驗課程是由大量的單獨實驗構成，學習平臺所獲得的實驗前測、中測和后測的信息是構成教育大數據的基礎，方便為每個學生進行總結性評價.

5.2 診斷性評價

診斷性評價是指在教學活動開始后對評價對象的學習準備程度做出鑒定，以便采取相應措施使教學計劃順利、有效實施而進行的測定性評價. 評價的目的是設計出可以滿足不同起點水平和不同學習風格的學生所需的教學方案，并分別將學生置于最有益的教學程序中.

通過前測，教育大數據可以幫助學生獲得診斷性評價，引導學生選擇合適的實驗. 在預習過程中，系統記錄了學生的學習資源和學習情況. 學生在物理實驗操作過程中，數字化實驗儀器記錄了學生的實驗過程和實驗數據. 實驗結束后，為了鞏固實驗，學生獲得由大數據系統提供的實驗報告. 在教育大數據的背景下，整個物理實驗學習過程是自我量化的過程. 通過收集信息，使用嚴格的和詳細的邏輯推理，大數據客觀地展示了學生的完整圖像. 通過診斷性評價完成學生的學習過程評價.

5.3 個性化的評價

由于學生有不同的知識背景、實驗要求及問題，這些因素就要求我們對不同的學生采取不同的評價方法. 大學物理實驗課程有許多特定的物理實驗，所以同樣的評價標準不能對所有學生的物理實驗評價. 基于背景和學習資源的評價，不僅能區分學生在特定實驗中的認知能力，也能幫助學生發現問題并且獲得提高.

在教育大數據的背景下可以進行個性化評價. 電子學習平臺可以用來記錄每個學生的多種信息，包括學生的背景信息、實驗要求、實驗操作過程和實驗學習過程. 這些信息構成的教育大數據可以作為我們對不同的學生制定出不同的評估內容，學生能及時獲得反饋，這種反饋不僅僅是簡單的正確與錯誤，而是為每一個學生制定下一個學習計劃和提供建議.

6 大學物理實驗課程的數字化建設

大學物理實驗課程的數字化建設是一項長期的、繁瑣的建設，包括大量的教學資源建設，還要利用現代信息技術整合各種用途的操作平臺和信息平臺，完成確定的教學目標. 在長期的探索和研究中，逐步進行以下幾個方面的數字化建設.

6.1 數字化的教材建設

在專業光學實驗中，學習者可通過掃描教材中的二維碼即可在手機上展示該實驗的實驗內容、實驗方法和視頻影像. 它將改變現有的物理實驗教學模式和學習方法，為物理實驗的教學改革提供了有效途徑.

6.2 物理實驗微課建設

逐步開發了與實驗課程配套的6門實驗微課程學習系統，包括“普通物理實驗”、“物理現象探索”、“近代物理實驗”、“光電信息實驗”、“聲學實驗”、“固體物理實驗”. 該系統運用智能手機第三方應用程序(Web App)實現教育信息化的教學理念[7]. 在“普通物理實驗”的微課程學習系統中進行了移動學習(M-learning)教學平臺的開發，學生注冊后可進行實驗的在線測試(圖1)和學習(圖2)，測試后的結果在學生答題提交之后反饋給學生并獲得實驗預習分數，在教師端可查看學生的答題情況、學生筆記中的各類問題和學生觀看微課程的統計信息. 通過后臺的數據分析，教師能夠更有針對性地指導學生進行物理實驗.

圖1 實驗微課程測試系統

圖2 實驗微課程學習系統

6.3 虛擬實驗的建設

利用增強現實技術(Augmented Reality，AR)指把原本在現實世界的一定范圍內很難體驗到的信息,通過模擬仿真后再疊加到現實世界被人類感官所感知,從而達到真實世界和虛擬世界的融合. 隨著智能手機設備的硬件和計算能力增強,增強現實技術能夠在移動設備端實現,為物理虛擬實驗的實現方式提供新的機遇(見圖3)[8].

圖3 AR虛擬實驗

6.4 網絡遠程實驗的建設

以網絡和遠程數據采集技術為基礎的實用型平臺建設為學生營造真實、有趣的實驗學習環境，同時為實驗設備的共享提供了新途徑，能夠最大限度地實現實驗室開放，學生可以在任何地點、任何時間進行物理實驗活動，同時提供了一種全新的教學方法和學習途徑，既豐富了實驗課程內容又具備很強的實用價值，這不僅是對傳統實驗教學的拓展，同時也是對物理實驗教學模式改革進行有益的探索. 近年來我們已研制了熱聲效應、金屬絲楊氏模量測量、交流放大電路測試等遠程實驗，部分內容已在教學中試運行[9].

6.5 實驗儀器數字化建設

針對有些實驗數據量多且無法用筆錄進行數據記錄，可利用數據采集和傳輸技術，對實驗儀器進行數字化改造，當學生調整好儀器和選擇好參量后，學生在做實驗時所獲得的數據會即時傳到教師的監測平臺上，教師一旦發現數據錯誤會立刻提醒學生，要求學生停止實驗重新調整實驗儀器或修正參量. 學生實驗完成后在網絡平臺上下載各自的實驗數據進行數據分析，獲得實驗結果. 教師也可以在網絡平臺上檢查每個學生的實驗數據，通過比對可發現學生在實驗中的各種問題. 通過多年的探索和研究，我們完成了波爾共振儀[10]、氣體比熱容比實驗儀[11]數字化實驗儀器的研制.

7 結束語

教育大數據有巨大的應用前景，它正在改變我們的生活方式，教育大數據也將改變教育，改革必須符合現代教育理念，應該及時建立大學物理實驗大數據庫、數字化實驗儀器和電子學習平臺. 在教育大數據的背景下，通過數據挖掘和分析進行以學生為中心的教學改革.

[1] 祝智庭. 中國教育信息化十年[J]. 中國電化教育，2011(1):20-25.

[2] 2015年教育信息化工作要點[EB/OL]. http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3342/201503/184892.html. 2015-2-12

[3] U.S Department of Education. Enhancing Teaching and Learning Through Educational Data Mining and Learning Analytics: An Issue Brief[EB/OL]. http://www.ed.gov/edblogs/technology /files/2012/03/edm-la-brief.pdf. 2015-05-10.

[4] 劉軍山，邢紅宏，蘇學軍，等. 以能力培養為導向改革大學物理實驗教學[J]. 實驗技術與管理,2014,31(4):189-191.

[5] 何克抗. 教育技術[M]. 北京：北京師范大學出版，2009.

[6] 管亮. 從拘一守舊走向多元創新——大學物理實驗報告改革研究綜述[J]. 高校實驗室工作研究,2011,3(1): 88-91.

[7] 胡中鋒. 教育評價學[M]. 北京：中國人民大學出版社，2013.

[8] 田中耕治. 教育評價[M]. 高峽，等譯. 北京：北京師范大學出版社,2011.

[9] 肖曄,馬寧生 . 遠程物理實驗控制平臺的設計與開發[J]. 物理實驗,2006,26(12):20-22.

[10] 方愷,陳銘南. 智能型波爾共振儀網絡系統的設計[J]. 實驗室研究與探索,2006,25(7):771-772.

[11] 何雨華,方愷,陳銘南,等. 智能型氣體比熱容比測定實驗教學網絡的系統設計[J]. 實驗室研究與探索,2008,27(11):37-40.

[責任編輯：郭 偉]

Reforming college physics experiment teaching based on educational big data

(School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

The research of big data in the field of education was a positive response to the era of big data. Mining the big data, which was produced by students who learn in ways like mobile learning (M-learning) and ubiquitous learning (U-learning), could effectively promote teaching reform. So, in physics experiment learning process, the big data about the process and results of experiment should be recorded, mined and used. To study college physics experiment instruction in the context of educational big data, the present research results about M-learning, U-learning and educational big data, combined with the characteristics of physics experiment teaching and learning were analyzed.

big data; digital teaching; college physics experiment; micro course; augmented reality technology; mobile learning; ubiquitous learning

2016-05-21；修改日期：2016-08-10

教育部高等學校教學研究項目(No.DWJZW201431hd)；2016年上海高校實驗物理教學研究會項目(No.01-201601-47)；2015-2016教育部工科大學物理教學基地項目

馬寧生(1960-)，男，湖北沔陽人，同濟大學物理科學與工程學院副教授，碩士，研究方向為教育技術學.

G642.423；O4-39

B

1005-4642(2016)12-0026-05

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文