“停課不停學”背景下大學物理實驗及仿真在線開放課程的實踐與拓展

蔣逢春，吳 杰，張艷萍，石 開

(鄭州輕工業大學 物理與電子工程學院，河南 鄭州 450002)

1 化危為機

“大學物理實驗及仿真”是河南省精品在線開放課程，它把物理實驗公共基礎課和大學物理仿真實驗課有機融合在一起，多年來致力于線上線下混合式教學，并在兄弟院校推廣應用. 2019-2020第一學期，南陽理工學院軟件學院800余人，同步跟鄭州輕工業大學學習，資源共享，學生通過跨校認證獲得學分，長期開展在線教學，積累了豐富的經驗，為在疫情中更好地開展在線教學打下了扎實的基礎.

在教育部門及本校“停課不能停學”的總體安排下，團隊教師立即行動，利用已有教學資源，快速搭建課程教學平臺，分別在愛課程和超星學銀在線上線，于2月10日對校內外同步開放.

2 在線教學

2.1 教學設計

大學物理實驗及仿真課程是對本科生進行實驗訓練的入門課，通過計算機軟件對實驗環境的模擬，加強學生對實驗的物理思想和方法、儀器的結構及原理的理解，掌握儀器功能和使用方法，培養學生嚴謹的治學態度和創新意識.

幾年來，依托大學物理實驗及仿真慕課資源，分2個學期在愛課程上異步SPOC開設物理實驗，采用線上線下結合的混合式教學模式.

通過該課程學習，使學生掌握誤差理論和數據處理方法、基本儀器的使用方法，培養學生基本的實驗操作技能、嚴謹的治學態度、活躍的創新意識. 通過仿真軟件可以在電腦上下載安裝，自主操作，打破時空限制，虛實結合，由淺入深，是目前開展物理實驗的最佳選擇.

2.2 課程內容

為適應初學者，精心挑選6個實驗項目，由簡單到復雜，包含力、電、光、近代幾個部分，對外開放. 實驗項目分別是：單擺測重力加速度、示波器的使用、牛頓環測透鏡的曲率半徑、邁克耳孫干涉儀的調整和使用、密立根油滴實驗、光電效應測普朗克常量. 同時還申請了奧銳公司50個仿真實驗項目，滿足不同層次學生的學習需求.

力學實驗選用“利用單擺測重力加速度”，涉及游標卡尺、螺旋測微器、直尺以及秒表的使用；同時通過分析該實驗設計思想，讓學生學會誤差傳遞理論，怎樣選取測量儀器，為后續復雜實驗的設計奠定基礎.

電學實驗中選用“示波器的使用”，示波器是基本測量工具，學習示波器的使用對后續實驗具有重要意義.

光學實驗中選用“牛頓環測透鏡的曲率半徑”，了解利用干涉法測量長度的基本原理，進一步學習數據處理方法.

選用“邁克耳孫干涉儀”，從引力波的證實引入，讓學生了解經典實驗在目前也有大作用.

密立根油滴實驗和光電效應測普朗克常量2個經典物理實驗，對培養學生科學思維方法都具有重要意義.

每個實驗項目視頻資源都由3部分組成：實驗背景和原理、實際實驗操作、仿真實驗演示.

2．3 教學平臺

2.3.1 愛課程網

2018年“大學物理實驗及仿真”課程被評為省級精品在線開放課程，在中國大學MOOC上線，面對全社會開放. 在學校的政策支持下，學生在愛課程上完成學習，成績合格，可以獲得大學物理仿真實驗課2個學分.

2.3.2 超星平臺

2019年2月，開始采用超星學習通直播教學，直播回放功能可方便學生隨時隨地學習，滿足個體化的需求. 超星平臺和教務系統對接，有班級的學生名單，教師可過程性考核.

2.3.3 仿真平臺

購買了奧銳公司網絡版的仿真實驗平臺，只要有網絡，不受地點限制，隨處可以做實驗，這為面向全社會開放提供了保障. 但學生名單需要手動導入仿真平臺，才能做仿真實驗.

這3個平臺，各具特色，相互依存，優勢互補.

2．4 教學模式

選用的教學方式是MOOC平臺(或超星平臺)直播+慕課堂(QQ)互動交流模式. 精心設計每個教學環節：導學公告、資源列表、預習測驗、在線直播、問題討論、仿真實驗、提交報告.

2月3日，愛課程網第4次開課，并開通直播，同時申請超星學銀在線上線，兩平臺同時對外開課. 2月19日，在愛課程平臺直播大學物理仿真實驗開學第1課.

該課程對外公開，選課人數達8 000余人，參與高校100余所. 有效組織教學，對我們是考驗. 為了避免非常時期網絡擁堵，設計了幾種備選方案：釘釘、QQ等，保障在線教學順利進行.

2.5 直播教學

直播教學是在線教學和學生互動的橋梁. 通過幾周在線教學實踐，嘗試了超星平臺幾種直播方式. 最后選擇超星直播客戶直播，方便快捷，交互性比較好. 結合學習通投屏功能，加上QQ連麥，語音視頻等課堂互動都能實現.

在愛課程網也開通了直播(圖1)，普通直播交互性不太好，云直播連麥，語音視頻都可以實現，從而實現互動交流的需求.

圖1 愛課程平臺直播教學

2.5.1 重視第1課，讓學生了解課程整體及每節課設計

仿真實驗第1課至關重要. 通過導學公告，告知學生教學安排、資源列表、仿真平臺網址及直播平臺和時間. 通過直播第1課，講解課程目的要求、教學內容、學習方法及成績評定辦法、誤差理論知識的學習及作用. 以單擺測重力加速度實驗為例分析其工作原理、設計思想、儀器的選擇及誤差分析方法. 誤差理論貫穿物理實驗始終.

2.5.2 打好操作基礎，用好互動演示仿真實驗平臺

在線教學仿真平臺是主戰場，只有學會下載安裝使用，才能完成各個實驗項目，所以這一課也很重要. 通過直播手把手教學生如何下載安裝和使用仿真平臺，更多具體問題通過QQ溝通交流. 同時仍然以單擺測重力加速度為例，演示仿真實驗過程. 一方面使學生掌握基本仿真技巧，另一方面激發學生的實驗興趣.

從該實驗為入手，進一步讓學生了解該實驗的設計思想、實驗方法、誤差來源及如何減少誤差，重力加速度是間接測量量，誤差來源于擺線的長度測量和周期測量. 實驗測量裝置有米尺、游標卡尺、螺旋測微器、秒表等儀器. 要使重力加速度測驗誤差小于1%，根據誤差傳遞函數關系和誤差均分原理，可得出擺線長度用米尺測量，擺球直徑用游標卡尺或螺旋測微計測量即可. 但是單擺的周期用秒表測量是不夠的，采用累積放大的方法，多周期測量求平均.

這樣既培養了學生嚴謹的科學態度，又學會分析處理誤差的基本方法，學以致用.

2.5.3 案例分析

1)“示波器使用”直播示教

雖然有豐富的教學資源，但學生時間有限，很難盡快找到自己所需要的資源，利用每周發布公告，精心設計了導學公告.

示波器界面各功能鍵繁多，學生開始往往抓不住重點，不知從何入手，設計2次直播課. 第1次直播，先讓學生了解示波器的結構. 工作原理，熟悉示波器的面板布局，了解主要旋鈕的功能. 完成單元測驗，通過連麥互動，了解學生的問題. 第2次直播，通過虛擬仿真平臺，教會學生使用示波器. 雖不能進實驗室，但仿真操作與實際實驗相同.

2)實驗過程中融入課程思政

邁克耳孫干涉儀是經典的儀器，設計精巧，測量精準，蘊含著豐富的科學素養元素，是培養學生科學素養的很好例證.

邁克耳孫-莫雷實驗，否定了“以太”存在. 這個實驗結論，幾乎撼動了經典物理學大廈，因此，被稱為19世紀末物理學晴朗天空的兩朵烏云之一. 它為狹義相對論提供了有力支持，今天又使用它探測到引力波的存在. 邁克耳孫實事求是、嚴肅認真的科學精神，值得學習和發揚光大.

掌握邁克耳孫干涉儀的結構和工作原理有重要的意義，但它調節技巧性強，適合仿真完成. 通過仿真模擬，反復操作，既不損壞儀器，又達到掌握其操作要領的目的，為真實實驗奠定基礎.

該實驗有完整的教學視頻，通過觀看視頻資源和仿真訓練，學生了解邁克耳孫干涉儀的原理、結構和調節方法，教師精心設計了問題，如邁克耳孫干涉儀為什么如此設計？補償板的作用是什么？引導學生積極思考,發揮學生的主體作用，教師主導作用，從而達成教學目標.

3)教學互動,答疑解惑

利用學習通、慕課堂、QQ等功能可以很方便地實現教學互動，鼓勵學生參與討論.

為了充分調動學生學習的主動性和積極性，每個實驗項目完成之后，對完成任務較好的學生給予加分獎勵. 同時針對學生在學習過程中反饋的問題及時解答.

不能和學生見面，討論區成為教師和學生聯系的橋梁和紐帶. 通過學生對問題的回答，可以了解學生掌握情況. 同時學生也可以在線提出自己的疑問，教師和學生都可回答. 每天都有很多學生參與討論(圖2).

圖2 學生積極參與課堂討論

3 課程考核

3.1 過程性評價

本課程考核重點是學生掌握儀器使用方法、完成實驗內容、進行數據處理. 對過程進行量化評價,使學生有計劃地學習，而且在學習過程中看到自己取得的成績，更好地完成課程的學習目標.

每個實驗項目都由單元測驗和單元作業、討論題和仿真平臺實驗幾部分組成. 最后安排考試，各項所占權重如下：單元測驗占30%，單元作業占20%，考試占20%，討論占10% ，域外成績占20% (包括仿真操作、學習通、慕課堂考勤). 最后成績合格者認定學分.

1)預習和單元測驗：每個實驗項目都有對應的課件和視頻資料，學生可以在規定或者其他時間進行實驗預習，然后在線測驗，系統自動評判.

2)仿真和單元作業：要求學生對仿真操作的關鍵步驟和數據記錄頁面截屏，并對測量數據進行數據處理和實驗分析，然后把這份文檔上傳至平臺的對應單元作業欄目，通過教師批改和學生互評方式給出最終成績.

3)主題討論：課堂討論區，每個實驗項目都有對應的主題討論，學生參與可以獲得相應成績. 要求對主題發表自己的認識和體會，避免簡單地復制粘貼.

3.2 終結性評價

期末考試，包含2部分：客觀題和主觀題.

主觀題是大作業：要求學生在所有實驗項目操作完成后自主選擇1個實驗項目，寫出詳實的實驗報告，并在規定時間內提交到課程大作業上.

學生學習反饋：要求學生在實驗報告后面寫出實驗體會，對該課程的教學方法、教學效果、學習目標等進行評價和反饋，促進課程不斷改進.

3.3 跨校認證學分

3.3．1 慕課堂

慕課堂智慧教學(即“慕課堂”)是中國大學MOOC在慕課平臺的基礎上研發的線上線下混合式智慧教學工具，該工具以微信小程序前臺與Web端管理后臺呈現，能夠與中國大學MOOC平臺在管理后臺、用戶賬號、學習數據等方面結合，統籌管理線上與線下課堂，提升教學效率.

利用慕課堂課前發布公告、進行課堂測試、課堂簽到、課堂討論等活動，從“以教師為中心”的課堂教學轉變為“以學生為中心”的信息化課堂，活躍了課堂氣氛. 同時慕課堂與課程教學平臺相結合實施過程化考核.

3.3．2 南陽理工學院的實踐

南陽理工學院軟件學院2016級19個班級850多的學生同步學習我們的慕課，對參與學習的學生，我們出具成績單，對方教務處認可，學習合格者獲得同等學分，實現了跨校認證學分，為持續合作提供了政策保障.

南陽理工學院負責本課程的陳蘭莉主任加入我們的課程團隊，在她名下建立慕課堂，學生按照班級學號編碼，掃碼進入慕課堂學習本課程.

1)課前發布公告

教師在課前通過慕課堂的后臺設計課程公告，并于課前發布，學生在手機端接收教師發布的公告信息，了解課程的教學安排，如圖3所示.

2)學習情況查看

慕課堂與學生學習數據相結合，課堂上教師通過后臺信息查看學生線上觀看視頻情況(圖4)，便于線下有針對性講解.

3)使用課堂練習

在慕課堂發布課堂測驗，檢查學生課前預習情況，有針對性講解， 并通過投屏功能進行講解，加深學生對重難點的理解，有助于提高學生的技能水平，讓學生在課堂上動起來. 采用翻轉課堂教學法，提高學習效率.

4)跨校學分認證

利用慕課堂可以有效管理沒有學校云的南陽理工學院的學生，及時監控學生線上線下學習情況，并反饋給學生. 最終實現跨校區認證學分.

原定南陽理工學院2019級軟件學院800多人這學期仍然采用慕課堂同步學習，認證學分. 突發疫情，使所有學生都不能正常進入實驗室上課，現在南陽理工學院2019級2 000余人全部使用我們的仿真平臺完成實驗.

圖3 南陽理工學院慕課堂

圖4 學生線上觀看邁克耳孫干涉儀調整視頻情況

4 總結與反思

4.1 注重平時的運行積累

“大學物理實驗及仿真”課程順應信息技術發展趨勢，連續4個學期開展在線教學實踐，實現資源共享，借助平臺學情分析、師生即時交互、問題討論答疑等功能，實現跨校區認證學分，累計受益學生達近萬人.

在這場沒有硝煙的戰場中“大學物理實驗及仿真”課程有效解決了目前物理實驗的困難，團隊教師從容應戰，迅速開展教學. 基于過去2年的在線教學實踐，積累了豐富的在線教學資源和經驗，形成了穩定、成熟的在線實驗教學模式.

4.2 在線實驗教學是現實的呼喚和需要

開設該課程的指導思想是為學生提供自主學習的平臺，彌補傳統實驗的不足，解決因學生物理實驗基礎參差不齊所導致的教學困擾. 利用網絡仿真實驗平臺和慕課直播教學，打破上課時間和地點的限制，實現一對一個性化教學，使每位學生都能夠充分使用實驗資源，學習實驗知識，達成實驗目標.

本學期蘭州交通大學又有600余人選修我們的課程，這是對我們工作的認可和肯定，也是對在線實驗教學的呼喚和需要. 目前選課人數達8 000余人.

通過學生評價和反饋，在線教學模式可以根據自己的實際情況安排實驗進度，直播回放，能夠滿足個性化差異的不同需求.

4.3 需要持續改進的問題

隨著選課人數的增多，也出現一些需要解決的問題：1)仿真平臺容量有限，如何合理分配？2)對學生過程考核如何有效監控？3)作業采取學生間互評方式，能否做到客觀公正？這些都需要今后工作中不斷總結完善.

物理實驗在線教學的充分開展為改革實驗教學提供了良好的契機，要進一步探索虛實結合，更有效地開展大學物理實驗.