疫情下大學物理實驗課程教學的變革及思考

孫艷 于丹 高源 沈洋

摘 ?要：2020年受新冠病毒肺炎疫情影響，在學生不能返校的情況下，各高校實驗教師研究大學物理實驗課程線上教學方案，充分利用信息資源，及時上線網絡課程和虛擬實驗、開發居家實驗，實現課程教學“實物+虛擬”結合、“居家實驗+線上指導”結合的形式，形成實驗教學新常態，引發實驗課堂教學組織和設計模式的變革。

關鍵詞：線上教學;虛擬實驗;居家實驗

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）18-0131-04

Abstract： Due to COVID-19 outbreak in 2020， college students could not go back to school. The experimental teachers studied the online teaching program of college physics experiment， and made full use of information resources， online courses and simulation experiments in a timely manner， developed home-based experiments. The combination of "real object + simulation" and "home-based experiment + online instruction" is realized to form a new normal of experimental teaching. The reform of teaching organization and design mode will be initiated.

Keywords： online teaching; simulation experiment; home-based experiment

2020年初，新冠病毒肺炎疫情擾亂了原有的生活秩序，為了全力防控，堅決防止疫情在學校蔓延，國內高校不得不推遲開學。教育部提出要利用網絡平臺，實現“停課不停教，停課不停學”。各校教師積極摸索利用各類網絡直播平臺、視頻會議軟件開展線上教學，國內高校基本實現了按計劃開課。相比于理論課，實踐類課程需要有場地、器材支持，實現線上教學較為困難。大學物理實驗課程是理工科院校設置的一門必修實踐類課程，授課對象具有數量大、年級多、專業多的特點。如何實現實驗課程線上開設、如何將實驗場地轉換到居家環境、線上教學能否滿足教學大綱要求，這些問題都需要實驗教師逐一攻克。

一、疫情下各高校大學物理實驗開課概況

近幾年，國內較多高校探索線上線下混合式教學，大力提倡信息化教學，倡導借助技術手段輔助教學。經過近年的教育平臺建設和相關產品的研發，我國在線上教學方面具有良好的前期基礎，主要體現在平臺和軟件兩個方面。平臺方面，中國有幾大慕課平臺，最知名的有高教社中國大學MOOC和清華大學學堂在線，還有上海交通大學好大學在線、北京大學華文慕課、全國地方高校聯盟等平臺。軟件方面，目前被各高校廣泛使用的有清華大學雨課堂、超星學習通等。為做好疫情防控期間在線教學組織與管理，各高校充分利用慕課平臺、實驗資源平臺和各級各類在線課程平臺、校內網絡學習空間等，積極開展了線上授課、演示、指導、討論等在線教學活動，做到了“停課不停教、停課不停學”。

上述大部分平臺及方法之前已用于高校的基礎課、專業課教學，高校依托各平臺已建成大量的理學、計算機、外語、文史等課程。實踐類課程的開展需要學生利用工具、測量儀器或外出調研形成實施方案獲得相關數據，有的甚至要團隊協作完成。實踐類課程的特質決定了課程開展不是學生坐在電腦前看直播或視頻學習能夠完成的，大學物理實驗課程的線上開課不是一件容易的事情。常規的實驗課必須在實驗室中進行，在嚴格控制環境情況下采用專用儀器獲取一定精度和數量的數據。疫情下學生宅在家，實驗教學的基本條件得不到滿足。在其他課程紛紛開課的壓力下，各校從事實驗教學的教師們意識到疫情下不能坐以待斃，必須積極開展研究，尋找開展實驗課網絡教學的對策。在教育部高等院校大學物理實驗教學指導委員會推動下，國內高校以中國科學技術大學、復旦大學、南開大學等高校為首率先提出了各校的居家物理實驗教學方案，其他高校也積極學習和跟進。疫情期間為籌備實驗課程線上教學，2020年3月至4月部分高校采用騰訊會議形式承辦了“全國高等學校物理實驗在線教學研討會”（東北大學承辦）、“湖北省實驗課程在線教學研討會”（武漢大學承辦）、“黑龍江省高等學校物理在線實驗教學研討會”（哈爾濱工業大學承辦）、“西南地區高校物理基礎課程線上教學交流會”（西南交通大學承辦）等會議。這些會議的召開使得實驗教師們針對線上教學、居家實驗開展廣泛交流、實現思想碰撞和激發，為開展線上物理實驗教學提供了思路和舉措。另外，東北大學、東北師范大學等高校緊急在中國大學MOOC平臺、超星學習通平臺上線了大學物理實驗慕課。廣大實驗教師利用各類互動直播平臺開展實驗教學及指導答疑，實現了物理實驗課在線上順利開課[1-2]。目前，在大學物理課程教學指導委員會和物理實驗雜志網站上已公布40余項居家實驗方案，表1為中國科學技術大學網上開設的20項實驗項目[3-4]。

二、疫情下實驗課程組織形式

作者對復旦大學、東北大學、東南大學等15所高校的線上實驗教學案例進行分析。總體上各高校依據自身實際情況將“網絡課程”“在線直播”“居家實驗”“虛擬仿真”四種形式相互組合開展教學。具體措施如下：

1. 網絡課程。線上課程包括MOOC平臺中已有網絡課，也有學校自建網絡課。例如，在中國大學MOOC平臺上國防科技大學大學物理實驗課程同時面對本校學生和校外學生開放，主要用于學生課前自主學習、課上實現翻轉課堂、課后提交作業、問題討論。在成績組成和評定方式上，校內與校外學生有所區分。

2. 在線直播。實驗教師利用釘釘、Zoom、騰訊會議、企業微信、微信群、QQ群等互動直播平臺開展教學。直播課主要用于講授實驗緒論課、誤差理論和數據處理方法、實驗課之前的理論及實驗進行中的指導答疑。為貼近學生網絡習慣，部分教師在較受學生喜歡的嗶哩嗶哩直播平臺直播授課，通過彈幕與學生交流，學生對實驗課興趣迅速增加[5]。

3. 居家實驗。依據課程學習目標要求，實驗教師開發居家實驗項目，經過討論、預先測試確保方案可行，再發布給學生并附上一定提示和指導資料。居家實驗項目能夠實現具有三個特點。一是完成實驗的材料容易獲得，來源于日常用品[6]。例如，固體表面的浸潤實驗用到口罩;衍射實驗用到了激光筆、頭發絲、光盤;三線擺測物體轉動慣量實驗可以利用家里的蒸鍋等等。二是實驗裝置需要學生根據各自家里現有條件自行搭建。例如，有的學生搭建光路用到方木條，蛇擺的設計借用家里的晾衣桿。這些裝置的搭建都需要學生有前期規劃、較強的耐心和解決問題的分析能力。三是測量及分析數據工具易得。居家實驗測量工具主要借助于家用電子稱、手機Phyphox（物理手機工坊）app、Tracker（視頻追蹤）等軟件實現，如圖1、圖2所示，學生在實驗前要熟悉或學習相關軟件的使用[7-8]。

4. 虛擬仿真。在上述形式基礎上各校還結合虛擬仿真項目開展在線實驗，有效地彌補了居家實驗儀器精度差、測量干擾性大等問題[9]。現有虛擬仿真實驗包括軟件公司聯合高校開發仿真軟件、國家虛擬仿真實驗平臺、手機虛擬實驗APP等，如圖3所示。

三、疫情下實驗課程特點

疫情下各校物理實驗課線上開課，受條件限制課程各方面與以往有較大變動，主要包括以下三個方面：

（一）目標與計劃的調整

原實驗課程目標注重于實驗規范、調整測量精度，實驗方案具有統一性，采用專用教學儀器實現，結果誤差較小。但居家情況下實驗受條件限制，均是就地取材、自主搭建，部分實驗內容無法實現，同時精度不足導致測量誤差較大。針對于居家實驗，設置課程階段性目標主要偏重開闊學生思維、培訓動手實踐能力、提高分析解決問題的能力。有的實驗僅要求能夠實現并觀測現象，對數據精度和誤差分析方面不做過多要求。

物理實驗教學在不同高校、對不同專業的教學水平有所區別，需考慮各校的師生、學科差異，在線教學需要系統設計、綜合考慮，保證教學目標的達成。在大學物理課程教學指導委員會大學物理實驗專項委員會及國家級示范中心聯席會物理學科組的共同努力下，設計并推出64學時的線上物理實驗方案。該方案由緒論、DIY實驗、探究性實驗、虛擬仿真實驗、自定趣味性實驗幾部分組成。由于各校教學目標不同，各校可根據自己的實際情況，優化組合方案，完成本校的疫情防控期間的實驗教學。表2為64學時線上教學方案[10]。

（二）教與學的變化

在常規實驗課教學中，教師在課上講解實驗主要關注實驗方法、步驟，強調操作的安全性和規范性。而居家實驗，實驗教師的指導范圍非常廣泛，包括實驗方案分析、材料選擇和加工、問題現象分析、裝置改進等。學生不再是按部就班地完成任務，需要不斷嘗試、改進，在一次次失敗中探索前行。教師和學生都會遇到前所未有、意想不到的問題，需要通過共同討論分析完成。在這個過程中，教師深刻體會到教學相長，學生也體會到實驗成功的喜悅，認識到物理實驗課程對自身實踐能力、科學素養的提升作用，認同課程價值。

（三）測量、分析手段的變化

常規下實驗課測量采用示波器、萬用表、檢流計等專用測量儀器獲得精度較高的實驗數據。而居家實驗，大多數情況下要采用一些新的軟件，例如實驗中需要拍攝圖像、視頻或聲音，然后利用分析軟件對數據進行提取，還有利用手機內置傳感器測量數據。這就需要學生在實驗前安裝軟件，自學并快速掌握軟件使用。這種方式鍛煉了學生信息收集能力和自主學習能力，得到與實驗室實驗不一樣的體驗。

四、實驗教學發展的思考

教育部高教司司長吳巖指出：“我們在也不可能、也不應該退回到疫情發生之前的教與學狀態，因為融合了‘互聯網+‘智能+技術的在線教學已成為中國高等教育和世界高等教育的重要發展方向。”此次新冠肺炎疫情把物理實驗課程推上了線上教學的浪潮，教師與學生都感受到線上教學對實驗課程的沖擊。廣大物理實驗教師同時也在思考學生返校后會給未來實驗課程帶來哪些轉變。作者總結有三點轉變。

（一）線上線下混合式教學常規化

學生返校后，物理實驗課程教與學的模式均會發生變革。此次疫情促使各校著手建設與課程匹配的信息資源，并依據課程推進同步推出相應資源。互聯網上物理實驗MOOC、網絡課程數量顯著增加。資源的建設為以后開展混合式教學提供支撐，經過疫情教學的鍛煉教師們具有掌控各類互動平臺的豐富經驗，學生也樂于和習慣在網絡環境下學習和開展討論。因此，物理實驗課程具備了混合式教學的資源和人員基礎，混合式教學也會成為實驗課程的教學常態模式。

（二）課程內容得以拓展

疫情期間，廣大實驗教師開發的實驗項目是思想相互激發的成果，讓物理實驗線上教學由不可能變成了可能，更是一筆指導實驗教學的寶貴財富。這些實驗方案經過整理或加工，可設置為實操預習內容，可融入課堂教學作為引入或演示，也可以作為課后應用拓展或進一步開發成自主探究實驗。例如，在《光柵衍射》實驗中，課前設計讓學生尋找生活中常見物品實現衍射現象，課上可通過現象觀測和分析實現對原理深入理解，課后利用激光筆、光盤、手機等物品測量其細微結構參數。這些居家實驗方案讓實驗教師意識到部分實驗課程內容可挪到實驗室外，全部由學生自主完成，物理實驗可以如此緊密地貼近生活實際，讓學生體會到學以致用的成就感。

（三）課堂教學組織和設計模式變革

大學物理實驗線上教學讓實驗教師看到實驗教學多種可能性，也認識到學生的潛在能力。相比之下原實驗課堂教學顯得程式化較為嚴重、學生能力被低估。實驗教師在線上方案啟示下可利用形式豐富的資源和手段，更大膽顛覆原課堂組織和設計模式。在教學中遵循以學生為中心的原則，給學生最大的自主性，調動學生主動性，實現知識的自我構建和能力的生成，從而推進實驗課程的課堂革命。

五、結束語

疫情為大學物理實驗教學帶來了挑戰與機遇。實驗教師應順勢而上、趁勢而為，積極思考、大膽探索開發出大量居家實驗，實現實驗課線上開課。物理實驗課程在疫情之下形成了一種“新常態”的教學，必將影響未來物理實驗教學改革和發展之路，促進實驗教學模式的變革。

參考文獻：

[1]蔣逢春，吳杰，張艷萍，等.“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[J].物理實驗，2020，40（4）：42-46.

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[3]大學物理實驗線上教學方案[EB/OL].[2020-03-29].http：//www.dwjzw.cn/home/news/news_detail.html？id=200.

[4]宅+實驗[EB/OL].[2020-04-19].http：//wlsy.nenu.edu.cn/doku.php？id=zsy：zsy.

[5]王旗，劉靜，朱盼盼，等.大學物理實驗線上開設直播課的嘗試、探索與思考[J].物理實驗，2020，40（5）：28-30+35.

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[7]林奕暉，李德安.利用智能手機測量彈簧勁度系數與重力加速度[J].物理實驗，2020，40（3）：55-59.

[8]劉煒，程敏熙.利用智能手機磁傳感器測量亥姆霍茲線圈磁場[J].大學物理，2020，39（5）：31-32+43.

[9]林海峰，熊飛兵，王逸平.基于虛擬仿真的大學物理實驗教學改革[J].中國教育信息化，2017（22）：91-93.

[10]張增明.64學時大學物理實驗線上教學方案及其設計思路[J].物理與工程，2020，30（2）：7-10.