“互聯網+”背景下物理實驗信息化教學的探索與實踐

王 濤,吳慶州

(南京理工大學 紫金學院，江蘇 南京 210023)

大學物理實驗作為大學生進校后的第一門科學實驗課程，不僅可以培養學生的基本實驗技能，認真嚴謹的科學態度，還可以培養學生的創新精神及創新能力. 然而，當前的實驗教學面臨著諸多的問題[1-2]，如何改革實驗教學，充分發揮物理實驗課程在應用技術型人才培養中的積極作用[3]，是從事一線實驗教學工作者必須面對的問題. 隨著互聯網的普及、現代信息技術及智能終端設備的快速發展，互聯網與傳統教育正進行著深度融合，以中國大學MOOC、愛課程、網易云課堂等為代表的互聯網教育平臺發展迅猛，任何人簡單到只要具有1臺能接入互聯網的智能手機，便可以享受到大量的優質教學資源. 慕課等互聯網云課堂的教育模式[4]，打破了傳統課堂單一的教學形式，使得受教育者不受時空的限制，真正做到學習可以隨時隨地[5]. 互聯網信息技術的快速發展，給實驗教學改革指明了方向，實驗教學要與當前的網絡信息技術相融合，才能使課程更有活力、更有競爭力.

1 物理實驗傳統教學模式存在的問題

大學物理實驗課作為一門獨立課程，開課時間一般和大學物理課程同步，因而實驗所涉及到的相關理論知識學生往往還沒學過. 所以，在傳統實驗課堂上，教師需要先講解與實驗相關的理論知識，并介紹相關實驗儀器及操作等內容. 這樣的講解占據了課堂的大量時間，留給學生動手操作的時間相對不足. 而實驗課作為一門實踐課程，必然重視學生動手能力的培養，實驗課堂更應該體現學生的主體性，學生要積極主動地投入到實驗中，多動手，多操作，在實驗中發現問題，提出問題，積極開擴思維，勇于解決問題. 這樣的課堂是我們期待的，這樣的課堂才能有益于學生思維能力、動手能力、創新能力的培養，這也正符合大學物理實驗的課程目標[6].

筆者所在的高校為一所獨立學院，多年來的教學實踐發現課堂上愿意多動手、多操作的學生不多，能提出問題、解決問題的學生很少. 另外，很大一部分學生是為了實驗而實驗，只顧把該測的數據測出來，但是對于實驗的目的、原理了解甚少，真正能清楚實驗目的，了解實驗原理，然后有目的地去完成實驗的學生少之又少. 分析原因，大概有以下3個方面：

第一，學生的學習主動性不高. 作為一所普通民辦高校，學生普遍自覺性不高，課前的預習往往流于形式，只是將教材中的實驗目的、原理等內容直接抄寫在實驗報告冊上，很少有學生能在課前反復仔細地閱讀教材，更不必說能主動去查閱相關資料做足課前的預習準備工作了.

第二，傳統課堂教學的局限性. 傳統實驗課堂，在理論講解上花費大量時間，可供學生操作時間相對不足，課堂上，部分學生接收能力較弱或沒能認真聽講，導致所授的理論知識沒有被及時消化吸收，學生一旦碰到稍微復雜些的實驗，擔心時間不足，便會在別人調節好的儀器上直接測量數據，更有學生直接抄襲或編造數據.

第三，教學考核方式單一. 實驗成績的考核主要以學生實驗報告為主，教師比較重視實驗數據及誤差等實驗結果，往往忽略實驗過程中學生的表現. 這種單一的評價方式，易造成部分學生為迎合教師的評分機制，實驗中弄虛作假.

以上種種現象，也是國內同類高校大學物理實驗教學中普遍存在的問題，在當前信息化背景下，國內諸多高校近年來也不斷嘗試將現代信息技術運用于實驗教學改革[7-9]，也取得了一定的成績. 筆者將介紹本實驗中心近年來在教學和管理方面所做的信息化建設及成果.

2 建設網絡電子教學資源，助推實驗課堂的翻轉式教學

2.1 建設實驗預習平臺，引導學生自主學習

學生在做實驗前普遍預習不夠充分，缺乏學習的熱情，對此，實驗中心創建了微信平臺公眾號，建設了多個實驗項目的網上教學資源，如圖1所示. 資源的建設，充分考慮到如何提高學生的學習激情，學生通過閱讀實驗項目所包含的背景知識，了解實驗的來龍去脈；通過實驗室場所、實驗儀器圖片的展示，在還未進入實驗室便可以對將要進行的實驗、要操作的儀器有感官的認識，這些都能激發學生興趣，學生實驗前的預習更為主動、積極.

圖1 微信平臺實驗預習教學資源

針對每個實驗項目設計問題集，問題富含邏輯性，比如從實驗標題涉及到的物理概念開始提問，然后實驗要做什么，解決什么問題(實驗目的)，怎么解決，測量哪些物理量(實驗原理)，如何著手解決(實驗儀器、操作步驟、數據處理)，學生通過對一系列問題的思考回答，來掌握實驗的相關知識. 通過這樣的啟發式提問，引導學生多思考，舉一反三，連續對學生進行多個實驗項目的訓練后，讓學生自己給自己提出問題，然后學生自己逐一解決，實現學生由主動學習向學會學習過渡，培養學生的學習能力. 此外，根據我校應用型人才培養定位，注重物理實驗教學和學生專業、物理實驗和生活實際的聯系，拓展實驗內容. 針對學生專業特點，提出更深層次的問題，讓學生理解物理實驗的基礎性以及在其專業學習中的重要性；將物理實驗涉及到的知識，用于生活實際，使實驗課教學變得生動有趣.

2.2 建設微課等教學資源，實現課堂翻轉式教學

移動互聯網時代下，翻轉課堂教學模式成為教學改革的熱點[10]. 翻轉課堂教學模式的特點是將原本在課堂上由教師講授的知識改為學生課前學習，課堂時間用于學生與學生、教師與學生之間的討論，以此進一步促進學生對知識的消化吸收[11]. 翻轉課堂的教學模式，實現教學中以“教師為中心”向以“學生為中心”的轉變；促進學生主動性、主體性的發展，體現人本主義的教學理念. 得益于慕課、微課等教學形式的推廣，使得大學物理實驗翻轉課堂教學模式可以實現[12].

如圖2所示，在建設課前預習問題集的基礎上，進一步對實驗所涉及到的相關理論知識點、或者部分操作環節進行精心設計，拍攝微視頻，供學生自主學習. 課堂上教師只需要花較少的時間講解實驗，學生有了更多的時間來操作實驗，教師針對實驗中出現的問題，和學生一起探討交流，引導學生思考，擴展學生思維，提升學生能力. 這種翻轉式的實驗課堂，學生積極性高、參與度高、課堂討論熱烈，學術氛圍濃，實驗教學效果顯著提高.

圖2 實驗課翻轉教學模式

3 運用信息化手段，實現實驗室開放及便捷管理

3.1 建立實驗預約系統

實驗室開放，可以提高實驗室、實驗儀器的利用率，是高等教育培養創新人才、實現素質教育目標的客觀要求. 我們鼓勵學生預習時，若有需要，可以到實驗室觀看實驗儀器；需要重做實驗的學生在規定時間內可以到實驗室重測實驗數據；因為請假等原因未能如期做實驗的學生可以申請補做. 然而實驗室因其特殊性，在開放的同時必須做好實驗室管理. 因此非正常上課時間來實驗室的學生都需要預約登記，由此將帶來巨大的管理工作量，為此，開發了實驗預約系統并將其集成在微信公眾平臺，如圖3所示. 學生直接在手機端進行預約登記，登記結果可以及時反饋給相關教師，以便及時做出安排.

圖3 微信平臺實驗預約系統界面

3.2 建立實驗儀器故障報修系統

實驗課堂上，儀器出現故障是不可避免的，學生在發現儀器問題時，教師并不一定在現場，學生無處反饋問題時，如果有其他儀器可以使用，可能不再向教師反映問題儀器，導致有問題的儀器不能及時得到修理，影響后續教學. 為此，搭建了實驗故障報修系統，如圖4所示. 學生填報問題儀器后，相關維修人員會及時得到消息，以便及時解決問題. 該平臺不僅可以使有問題的儀器得到及時維修，便于教學的正常開展，同時，平臺還記錄了儀器故障信息、維修記錄，對于實驗儀器維護有著重要意義.

圖4 微信平臺儀器故障報修系統界面

4 結束語

通過建設網絡電子教學資源，翻轉實驗課堂教學. 一方面，促進學生主動學習，主動建構實驗理論知識；另一方面，課堂上留有足夠的時間供學生進行實驗操作，切實提高學生的動手能力、分析解決問題的能力. 翻轉式實驗課堂，使教師有更多的時間關注學生、關注學生在實驗中的表現，改善評價體系. 此外，信息技術與實驗管理的融合，實現了實驗室的開放及便捷管理，降低了教學管理的繁雜度，使實驗管理更好地服務于實驗教學.