虛實(shí)結(jié)合、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與線下實(shí)踐相融的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式構(gòu)建

甘亮勤，王逸平，穆瑞珍，劉 虹

(廈門理工學(xué)院 光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是一門獨(dú)立的公共基礎(chǔ)必修課程，是理工科學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的重要基礎(chǔ)。提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，培養(yǎng)具有實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的應(yīng)用型本科畢業(yè)生至關(guān)重要[1-3]。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用型教學(xué)模式充分利用信息化技術(shù)，從課程內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)效果等方面著手，針對不同專業(yè)，不同程度的學(xué)生，建立了一個(gè)切實(shí)可行的教學(xué)模式，旨在培養(yǎng)全方位、應(yīng)用性、創(chuàng)新型的高校學(xué)生。

1 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用型教學(xué)模式改革的必要性

(1)傳統(tǒng)的教學(xué)模式單一，學(xué)生學(xué)習(xí)被動，教學(xué)效果欠佳[4-6]

①課前學(xué)生針對大量的文字資料進(jìn)行預(yù)習(xí)，形式較為枯燥，且需要學(xué)生自主學(xué)習(xí)，很多學(xué)生被動的敷衍了事；②因課堂講解占用了較多的時(shí)間，學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間很緊張，遇到問題直接找老師，沒法好好地思考和探討問題； ③課后缺乏一個(gè)交流互動、溫故和提高的平臺，無法知道學(xué)生的實(shí)驗(yàn)掌握情況。

(2)環(huán)境、場地、設(shè)備、課時(shí)等資源限制了課程的開設(shè)

理工科專業(yè)的學(xué)生一般都需要開設(shè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，因此，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程面對的的班級數(shù)非常多，而很多高校受場地、設(shè)備，課時(shí)等限制，實(shí)驗(yàn)室沒法針對不同的專業(yè)開出與之專業(yè)相側(cè)重的大物實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，甚至有的實(shí)驗(yàn)課程也沒法和大學(xué)物理理論課程步調(diào)一致，導(dǎo)致個(gè)別專業(yè)的學(xué)生在上大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程時(shí)，其理論知識可能還沒學(xué)過的脫節(jié)現(xiàn)象，教學(xué)效果欠佳。

(3)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是信息化實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分[7-9]

實(shí)驗(yàn)課程相對于理論課程來說，它對上課條件的要求較高，由于經(jīng)費(fèi)、場地、時(shí)間等原因，導(dǎo)致一些實(shí)驗(yàn)課程無法現(xiàn)場實(shí)踐開展，此時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)苡幸嫜a(bǔ)充線下實(shí)踐教學(xué)。例如有的設(shè)備很昂貴，無法采購或者無法采購多臺用于教學(xué)；有的實(shí)驗(yàn)需在特殊的環(huán)境操作，現(xiàn)場無法滿足操作環(huán)境；特別是這次疫情，很多學(xué)生無法按時(shí)返校，實(shí)操課程沒法進(jìn)行，中心的大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺充分地發(fā)揮了作用，讓學(xué)生隨時(shí)隨地可模擬實(shí)驗(yàn)操作。

2 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用型教學(xué)模式改革目標(biāo)

通過大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)，全面推進(jìn)應(yīng)用型教學(xué)改革進(jìn)程，將新型教學(xué)模式的優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)教學(xué)模式的經(jīng)典結(jié)合起來，提高教師的教學(xué)能力和科研能力，培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、理論基礎(chǔ)扎實(shí)、有創(chuàng)新精神的應(yīng)用型人才。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的改革建設(shè)目標(biāo)主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)解決大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)因資源限制，所有專業(yè)開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一致的問題。使學(xué)生在學(xué)習(xí)好經(jīng)典大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，可以側(cè)重選做與自己專業(yè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，對自己感興趣的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新。

(2)給學(xué)生提供了一個(gè)課前預(yù)習(xí)，課后檢測的平臺，學(xué)生能把更多的時(shí)間留在課堂的實(shí)踐操作，有利于提高教學(xué)效果，促進(jìn)更深入的理解實(shí)驗(yàn)原理，提高實(shí)踐能力。

(3)給學(xué)生一個(gè)開拓創(chuàng)新，自主實(shí)踐的基地。充分發(fā)揮學(xué)生興趣和特長，可在課后來開放性實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新實(shí)踐，自己制作小作品，也可以遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)自己感興趣的其他實(shí)驗(yàn)，提升自己的知識面，有利于培養(yǎng)高水平的應(yīng)用型創(chuàng)新人才。

(4)輻射周邊。網(wǎng)絡(luò)課程與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供給省內(nèi)高校聯(lián)盟和全國其他高校選課，實(shí)現(xiàn)資源共享。

3 實(shí)踐教學(xué)模式創(chuàng)新和改革的建設(shè)內(nèi)容與成效

(1) 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與線下教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式[10-13]

建設(shè)了高質(zhì)量的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)課程。網(wǎng)絡(luò)課程與線下教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式分為三部分來完成：實(shí)驗(yàn)開課前，通過網(wǎng)絡(luò)課程視頻進(jìn)行預(yù)習(xí)，并完成相關(guān)難度較小的測試題，測試成績合格后，方能進(jìn)入課堂進(jìn)行實(shí)踐操作。此方法能提高學(xué)生的預(yù)習(xí)質(zhì)量，縮短上課時(shí)教師的講解時(shí)間，給學(xué)生一個(gè)充足的實(shí)踐操作時(shí)間，有利于提高學(xué)生實(shí)踐能力和自主思考的能力。課堂上，教師進(jìn)行簡單的講解，學(xué)生操作為主，通過自主操作，培養(yǎng)實(shí)踐操作能力，分析解決問題的能力，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)通過計(jì)算驗(yàn)證進(jìn)一步深入理解實(shí)驗(yàn)原理。下課后，學(xué)生完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)告及網(wǎng)絡(luò)上的測驗(yàn)題，對測驗(yàn)不過關(guān)的，要求重新學(xué)習(xí)。有利于了解學(xué)習(xí)情況，提高教學(xué)效果。

(2)網(wǎng)絡(luò)課程的設(shè)置

網(wǎng)絡(luò)課程的重點(diǎn)是教學(xué)視頻，教學(xué)視頻的制作除了在知識結(jié)構(gòu)上合理設(shè)置外，在錄制視頻時(shí)，會添加動畫、實(shí)驗(yàn)效果圖、原理圖等來提高視頻效果。比如圖1，在錄制牛頓環(huán)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，用小窗口顯示原理結(jié)構(gòu)圖，配有相應(yīng)的動畫，同時(shí)，用大窗口顯示實(shí)驗(yàn)效果圖，這樣學(xué)生一目了然。此外還添加了一些實(shí)驗(yàn)所涉及到地比較難的知識點(diǎn)所對應(yīng)的模擬視頻，如駐波、光的干涉、多普勒效應(yīng)等，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

教學(xué)視頻錄制后上傳到學(xué)習(xí)網(wǎng)站上，學(xué)生可隨時(shí)觀看教學(xué)視頻，教學(xué)視頻學(xué)習(xí)之后，有設(shè)置一些簡單的測驗(yàn)題，(如圖1所示)學(xué)生需參與答題，并且正確率達(dá)到合格要求，方可進(jìn)入課堂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，這樣能保證一個(gè)良好的預(yù)習(xí)效果。

圖1 《密立根油滴實(shí)驗(yàn)》的部分測驗(yàn)題和教學(xué)視頻截圖

為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，拓寬學(xué)生的知識面，在網(wǎng)絡(luò)課程里還開設(shè)了物理百科欄目，介紹一些經(jīng)典的物理實(shí)驗(yàn)、物理學(xué)家、生活中的物理小知識等等。

針對不同專業(yè)對物理實(shí)驗(yàn)理論知識的理解深度不一致，還增加了一些實(shí)驗(yàn)所涉及到地比較難的知識點(diǎn)所對應(yīng)的演示視頻，如駐波、光的干涉、多普勒效應(yīng)等。比如聲速測量實(shí)驗(yàn)有用到駐波理論，很多同學(xué)對駐波原理不是很理解，可自主觀看駐波的視頻，很形象的動畫，幫助學(xué)生理解。

(3)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)

建設(shè)了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真中心，可供開設(shè)的實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)四十多個(gè)，如圖2。對于實(shí)驗(yàn)室不能提供的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可在虛擬仿真系統(tǒng)里來完成，如圖3。不同專業(yè)的學(xué)生，對實(shí)驗(yàn)要求不一樣，比如光信息專業(yè)的，希望多開設(shè)光學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)，電子專業(yè)的希望多開設(shè)電磁學(xué)類的實(shí)驗(yàn)， 土木專業(yè)的學(xué)生希望多開設(shè)力學(xué)類實(shí)驗(yàn)，學(xué)生都可在仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選做自己需要或感興趣的實(shí)驗(yàn)[14-15]。

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺網(wǎng)站

圖3 疫情期間學(xué)生操作仿真實(shí)驗(yàn)的界面和實(shí)驗(yàn)結(jié)果截圖

(4)開放性實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開設(shè)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)一般開設(shè)的都是經(jīng)典性和基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)，對于有興趣和能力較強(qiáng)的學(xué)生，會有“吃不飽”的現(xiàn)象，有的學(xué)生還喜歡自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，為此，還增加了開放性實(shí)驗(yàn)室和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，供他們拓展實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。開放性實(shí)驗(yàn)室和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室實(shí)行門禁刷卡自由進(jìn)出，有專門的實(shí)驗(yàn)員提供一些常用的實(shí)驗(yàn)儀器和配件，結(jié)合雨課堂智慧教學(xué)，可隨時(shí)遠(yuǎn)程指導(dǎo)。為成績好、動手能力強(qiáng)、感興趣又學(xué)有余力的學(xué)生提供了一個(gè)創(chuàng)新平臺。重在訓(xùn)練和培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生的創(chuàng)業(yè)精神和創(chuàng)新能力，發(fā)展學(xué)生的個(gè)性特長。

(5)教學(xué)成效

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用型教學(xué)模式改革后，獲得了福建省教學(xué)成果特等獎(jiǎng)1項(xiàng)、福建省教學(xué)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省級在線精品課程1項(xiàng)、省級教改項(xiàng)目1項(xiàng)、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)省級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等一系列的成果。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)省級在線精品課程自立項(xiàng)以來，在多個(gè)教學(xué)平臺開設(shè)課程十余次，如圖4。有除本校在外的20多所高校，2 000多人次選修此課程，實(shí)現(xiàn)了資源共享。

圖4 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在線課程在高校邦和優(yōu)課聯(lián)盟兩個(gè)平臺的部分選修情況

4 結(jié) 語

本中心經(jīng)過近幾年的教學(xué)實(shí)踐和完善，提出的“虛實(shí)結(jié)合、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與線下實(shí)踐相融的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式”是傳統(tǒng)教學(xué)模式和現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)融合與優(yōu)化的產(chǎn)物，將網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與虛擬仿真融入實(shí)際教學(xué)過程中，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與效率，也為虛擬仿真設(shè)備進(jìn)一步開發(fā)提供了新的思路，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)資源共享。