大學物理實驗智慧教學模式的構建

戴玉蓉,惲如偉,熊宏齊

(1.東南大學 a.物理學院;b.實驗室與設備管理處，江蘇 南京 211189；2.南京師范大學 智慧教育研究院，江蘇 南京 210096)

2008年IBM公司提出“智慧地球”的理念后，“智慧”的概念開始在多個領域普及使用，智慧教育、智慧學習的觀念也應運而生，并逐步成為教育教學改革的新理念和新模式. 《2020年地平線報告：教與學版》概述了影響未來教與學的關鍵趨勢和新興技術，指出當技術嵌入到支持學習者和教師的框架中時，會產生重大影響[1]. 2018年，教育部發布的《教育信息化2.0行動計劃》提出了互聯網+教育戰略的具體實施綱要[2]，要求以學習者為中心，以智慧學習環境為平臺，利用計算機智能技術等加速推動創新人才的培養模式，改革現有的教學方法. 即在教學活動中，利用現代信息技術，將學習工具、學習資源和學習活動融為一體，形成智慧式教與學的新模式. 以智慧學習為特征的人才培養模式，需要實現從應用信息技術優化課堂教學到應用信息技術轉變學習模式，并形成與之相適應的智慧教學模式[3-5]. 本文從研討式環境、數字化資源、智能化平臺等方面，探討在大學物理實驗教學中,綜合構建線上與線下、課內與課外、共性與個性、學習與探究有機融合的智慧教學模式，以促進學生綜合素質及創新能力的提升.

1 圍繞人才培養，打造適合智慧教學的研討式環境

區別于傳統實驗環境，適合智慧教學的研討式環境通常配備刷卡門禁系統、智能識別系統、交互式電子白板或觸摸式一體機等[6]. 通過將新一代信息技術融入教學環境，形成適合深度學習的智慧教學環境. 除了現代化的電子設備，從空間設計、水電設計、桌椅設計到儀器放置也要符合不同實驗項目的特點與需求. 其中，實驗桌椅可以適當自由拼接，方便組內、組間進行交流研討，有效滿足不同層次、不同方向人才培養的需求[7].

在大學物理實驗課程中，實驗項目可分為3種類型:基礎驗證性實驗、自主探究性實驗和高階創新性實驗.

1)驗證性實驗主要是為了培養學生的基本實驗素養，加深鞏固物理學知識. 這類實驗通常采用講授-驗證-應用的教學模式，實驗儀器由實驗室統一安排，座位以傳統秧田式排列(利于教師管理課堂以及指導學生實驗操作)，學生刷卡派位后對號入座進行實驗.

2)探究性實驗和創新性實驗旨在培養學生的探究能力和自主創新能力. 這類實驗通常采用開放-翻轉-研討的教學模式，從設備的選擇、方案的設計、數據的分析處理等都是開放的，往往需要互動式和討論式的學習. 例如分光計實驗，為學生提供三棱鏡、光柵、DVD光盤等測量對象，實驗原理一致，但具體操作略有區別. 學生可以根據不同的測量對象自主設計方案，體現實驗的應用性和創新性. 針對這種學習需求，除刷卡派位功能，還可設計智能儲物柜，部分實驗配件及工具放置于可移動儲物柜，學生自主掃碼取用、組裝，既節省空間，又能培養學生的設備管理能力.

通過打造實驗教學環境，將現代化手段和智能設備切入整個教學過程，讓課堂變得生動、智慧和高效. 通過課中分組學習研討，教師可以快速掌握每位學生的學習情況，并且進行針對性指導. 研討式的教學改變了傳統課堂教學中知識以直線教學方式傳遞給學生的模式，通過必要的討論、互動以及反思，培養學生的獨立思考能力和創新意識[8-9].

2 目標開放共享，建設利于智慧教學的數字化資源

數字化教學資源通常有電子教案、多媒體教學輔導軟件、小動畫、習題庫、理論講解短視頻、實驗操作微視頻、仿真實驗等. 這些數字資源(尤其是短視頻、小動畫等)一般控制在10 min之內，主要針對1個知識點或1個小模塊進行分析講解. 對于學習者來說，簡短清晰，適宜自主學習，可以通過手機、平板等智能終端設備在4A(any time， any where， any way， any pace)條件下，便捷地進行3E(easy learning, engaged learning, effective learning)學習.

隨著開放共享的在線課程的建設與發展，可以通過課程建設將分立的數字化資源串聯起來，通過揭示知識點之間的內部邏輯，重構個性化的知識體系，培養學生的高階思維能力. 另外，針對建設困難、成本較高，或操作復雜、耗時較長的實驗，則可以采用虛擬仿真實驗的形式，如X射線衍射、電的產生與傳輸原理、康普頓散射等實驗，可利用國家虛擬仿真實驗共享平臺，使用共享資源. 學生在虛擬仿真環境下可以不受硬件資源和時空限制，隨時隨地進行實驗操作、模擬調試、方案驗證等. 線上、線下相結合的實驗教學可有效拓展實驗教學空間，充分利用教育部的優質教學資源，將傳統實驗教學模式切實地轉向智慧實驗教學模式.

3 回歸以生為本，搭建滿足智慧教學的智能化平臺

以生為本的實驗教學活動，不僅需要研討型環境和數字化資源，還需要能將其融合在一起的智能化實驗教學平臺，使得教學資源、教學活動、教學技術和教學方法實現全方位的融合，為學生的在線交流、資源共享、數據分析等提供技術支撐. 借助于智能平臺，學生在教師搭建的混合式學習環境中內，通過自主學習和協作學習的方式，開展探究式學習，挖掘實驗創新之處，避免實驗中常見的問題與錯誤. 同時，教師可利用大數據、云計算、可視化技術等對教學過程中的各個環節進行科學化、精準化的管理和調整[10].

另外，傳統的實驗成績評價多以出勤、預習、實驗操作、實驗報告完成情況為主，缺乏對學生實驗設計、數據收集、合作探究過程的關注. 為此，在智能教學平臺內，不僅要涵蓋以上環節，還要考慮數據分析和小課題研究等多個環節，從而形成全面、多維的評價模式，使得過程評價與結果評價相結合. 不僅如此，還要對學生的學習進度、學習時間、學習頻率、學習軌跡等數據進行分析、歸納和總結，以促進學習者的個性化學習，從而有效促進其綜合能力的提升.

4 融入教學實踐，形成環境+資源+平臺的智慧教學模式

在環境打造、資源建設的基礎上，借助于智能化平臺，可以實現實驗選課→學習資源推送→線下實體實驗→學習效果檢測→實驗環節分享→在線分組討論→數據自動采集→分析探究與報告撰寫→立體報告上傳→實時評閱反饋→學習行為大數據分析的教學全過程，如圖1所示，該過程融合了線上與線下、個性化與普遍性教學，覆蓋了課前、課中和課外.

圖1 智慧實驗教學的流程

實驗前，教師根據教學目標和教學任務，將數字化資源(資料文獻、教學視頻、預習測試、實驗設計、注意事項等)在智能實驗教學平臺進行點對點的推送. 學生在云端完成預習，后臺將對相關數據做智能統計分析，便于教師在課前了解學生掌握的程度，從而調整教學方案和側重點.

實驗中，部分測量所得的原始數據可通過設備采集，直接上傳至實驗報告的數據表中，無需學生對著儀器手動抄錄，這種數據直接上傳、學生分析處理的形式，可最大程度地提高實驗效率，讓學生把更多的時間聚焦在實驗本身，將更多的精力放在對實驗的深層次理解和探究中. 當學生遇到問題或教師發現問題時，可將出現問題的實驗數據、實驗現象在平臺上實時上傳分享，并通過研討型的教學環境和設施，開展師生之間、生生之間的研討和交流，從而分析問題并解決問題.

實驗后，學生在平臺進行數據處理與分析，完成電子實驗報告. 與傳統紙質報告不同，電子報告可按需插入實驗圖片和視頻、小組討論的文字和圖片等，表現形式更加豐富、多元，更能體現教師對實驗過程的評價. 學生在實驗過程中的學習痕跡(包括預習、實驗進度、報告評價和討論點評等)在系統中留存. 從實驗報告中每個模塊的得分情況，可以發現學生實驗的薄弱點主要存在于哪些環節，比如由于操作不規范、測量不精確，導致實驗數據誤差較大，或者對小課題的研究深度不夠，等等. 根據平臺數據分析及情況反饋，學生可復習與再思考，或者對實驗開展進一步討論與研究.

以三線扭擺法測定物體的轉動慣量實驗為例，要求學生進實驗室之前先自主完成在線課程中的預習工作，掌握基本操作與原理，完成預習測試及預習報告并上傳. 進實驗室后，教師對實驗操作不做過多展開，而是將教學重點放在實驗討論與思考上. 實驗過程中學生先獨立開展實驗，教師通過巡視檢查，以有針對性的指導等方式確保實驗的正常開展. 操作過程中教師提示學生注意思考，例如：實驗中，懸盤的懸線長度、擺角大小對轉動慣量的實驗值是否有影響？學生可以上網查資料，也可以交流討論，但最終要匯報詳細的分析過程，如必要的實驗數據、理論推導、結果討論等. 這種教學形式不僅拓寬了學生的專業視野，而且還提高了學生自主實驗的積極性、主動性.

以上實驗教學過程包含了智慧教學的5個關鍵要素:以學生為中心、資源的開放共享、多樣化的互動研討、實時的統計與分析以及集成化的管理平臺[11].

5 結 論

根據大學物理實驗教與學的需求，從資源到課程，從管理平臺到教學平臺，從網絡輔助到智慧課堂，新的實驗教學模式突破了信息技術僅為教學手段的功能局限，將網絡、人工智能、教育大數據等新技術引入教學，通過動態開放的智慧模式實現合作探究的學習互動，不但在教學過程中實現了線上線下的智慧交互，而且還拓展了學生在課前課后的自主研學，幫助學生完成了從實驗知識理解到綜合能力提高,從實驗技能掌握到創新設計能力培養的多層轉變. 在實現資源推送智能化、交流互動立體化、評價反饋即時化和教學決策數據化的同時，能有效培養學生的批判性思維和設計性思維，使得學生真正從被動學習者轉變為自主學習者、批判性學習者和探究式學習者.