實驗類在線開放課程建設(shè)探索與實踐
——以東南大學預(yù)備性物理實驗課程為例

戴玉蓉， 朱延技， 陳小喜， 熊宏齊

（東南大學a.物理學院，b.實驗室與設(shè)備管理處，南京211189）

0 引 言

2013年《中共中央關(guān)于全面深化若干重大問題的決定》中，提出“構(gòu)建利用信息化手段擴大優(yōu)質(zhì)教育資源覆蓋面的有效機制，逐步縮小區(qū)域、城鄉(xiāng)、校際差距”，此后2015年《教育部關(guān)于加強高等學校在線開放課程建設(shè)應(yīng)用與管理的意見》、2016年《教育信息化“十三五”規(guī)劃》、2018年《教育信息化2.0行動計劃》、2019年《中國教育現(xiàn)代化2035》等文件的出臺，都在不斷推動高校建設(shè)并向社會開放在線課程，從而利用現(xiàn)代技術(shù)加快人才培養(yǎng)模式的改革［1-5］。

同時，隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，以及移動終端智能化程度的提高，社交網(wǎng)絡(luò)工具已經(jīng)融入在線課程，可通過手機號、QQ或微信快速登錄課程進行學習，并可方便地進行資源分享；且課程中通常具有多種形式、豐富、高質(zhì)量的數(shù)字化學習資源，如微視頻、PPT、文本、測驗和作業(yè)、討論等，和傳統(tǒng)課程相比，學生更易于接受。對于學習者來說，在線課程突破了傳統(tǒng)課堂教學在時間、空間和人數(shù)上的限制，更便于按需學習；再加上今年疫情影響，普遍的網(wǎng)絡(luò)在線授課使得在線開放課程已快速融入高校的教學實踐中［6-9］。

相對于理論課程，實驗類在線開放課程的建設(shè)難度更大一些。本文將結(jié)合預(yù)備性物理實驗在中國大學MOOC（愛課程）平臺建設(shè)在線課程的過程，介紹課程建設(shè)過程中遇到的困難，采取的解決辦法，從目標分析、課程結(jié)構(gòu)、內(nèi)容組織、教學模式、資源建設(shè)、考核方式等方面探索實驗類在線課程的建設(shè)方案。

1 我國實驗類在線開放課程基本情況

在政策支持和實際需求的雙重推動下，在線課程發(fā)展迅速，但同時存在著課程內(nèi)容分布不均衡的突出問題：理論課程多，實驗課程少；實驗課程紙上談兵多，實際操作少［10-13］。圖1所示統(tǒng)計了智慧樹、愛課程（中國大學MOOC）、學堂在線以及好大學在線這4個在線開放課程平臺的物理類課程，由圖中數(shù)據(jù)可見，各平臺中實驗課程的門數(shù)占總課程門數(shù)的平均比例在10%。圖2所示統(tǒng)計了在目前公布的所有國家精品在線開放課程（本科類）中，實驗（實踐）類課程只占2%左右。

圖1 各平臺物理類理論課程門數(shù)與實驗課程門數(shù)對比（截止2020.08）

圖2 國家精品在線開放課程中理論課程門數(shù)與實驗（實踐）課程門數(shù)對比

以上數(shù)據(jù)充分說明，盡管在線課程建設(shè)與發(fā)展的速度很快，但是實驗類在線課程和理論類在線課程的建設(shè)存在著嚴重的不平衡。實驗類在線課程建設(shè)難，建設(shè)好更難，能建設(shè)成為國家精品在線開放課程的更是鳳毛麟角。

對于實驗類課程來說，如果在線課程能做到線上線下互為補充，那么實驗動手就不成問題，但是對于大多數(shù)外校的選課學習者來說，很難做到同步的線下實驗，那么在線學習實驗的理論知識，看實驗課程的教學視頻，再進行理論考核，對于實驗課程的學習是遠遠不夠的，很難達到實驗課程應(yīng)有的教學效果，難以培養(yǎng)學生的動手能力及創(chuàng)新思維。這也是在線開放實驗課程在建設(shè)之初所遇到的問題。

2 預(yù)備性物理實驗在線開放課程建設(shè)

作為大學物理實驗必修課的預(yù)備課程，預(yù)備性物理實驗選擇了在中學物理基礎(chǔ)上的10個定性或半定量的既經(jīng)典又能引起學生興趣的實驗，包括干涉法測微小量、光電池特性的研究、利用鋼尺測量激光的波長、膠片密度的測定等。同時，為了后續(xù)實驗課程的順利開展，將基本工具的使用、基本電路的規(guī)則、基本光路的搭建、實驗數(shù)據(jù)的處理等巧妙設(shè)計在了以上各個實驗項目中。

2.1 課程目標及初期困難

課程主要面向新入學的理工科本科生開設(shè)，同時也面向非理工科學生及其他社會學習者開放，2017年開始在中國大學MOOC（愛課程）上線，到目前為止已完整開設(shè)5期。對于參加學習的本科院校理工科新生，課程目標為促進他們對一些基本概念和原理的認識、理解，及基本實驗的操作，幫助他們從中學物理基礎(chǔ)到大學物理課程的學習做好銜接，從而帶動后續(xù)物理理論和實驗必修課程的學習；對于非理工科學生以及社會學習者，課程的主要目標在于激發(fā)他們對物理知識的學習興趣，提高科學文化素質(zhì)，培養(yǎng)科學實踐精神。

課程在轉(zhuǎn)型為在線開放課程之初，在每個實驗項目的網(wǎng)上資源中都提供了知識介紹、實驗?zāi)康?、實驗原理、儀器介紹、實驗內(nèi)容、操作指導(dǎo)、數(shù)據(jù)處理、分析思考、拓展閱讀等內(nèi)容，同時提供了配套的教學視頻、演示文稿、測驗作業(yè)，相對來說，資源較為豐富。但是，在實際開課過程中，課程團隊深刻體會到，僅有這些內(nèi)容對于實驗實踐類課程來說還遠遠不夠，在網(wǎng)上只通過視頻、講義、PPT、作業(yè)、測驗、考試等進行實驗課程的教學，就像是紙上談兵，學生無法對實驗有深刻的認識，老師無法與學生就實驗而討論，也無法客觀地對學生的學習效果進行評判。

本校的學生在線學習的同時，可以配套進行線下的實驗操作，但是對于更多的外校同學和社會學習者來說，因?qū)嶒灄l件的限制很難做到同步的線下實驗。那么對于無法進行實驗的同學來說，在線學習實驗的理論知識，看實驗課程的教學視頻，再進行理論考核，對于實驗內(nèi)容的掌握和練習是遠遠不夠的，很難達到實驗課程應(yīng)有的教學效果，難以培養(yǎng)學生的動手能力及創(chuàng)新思維。

2.2 解決方案

為解決上述問題，在第2期開課的同時，課程團隊對課程資源進行了細致的梳理，并進行了3方面的建設(shè)與改進。①增加了小動畫，增強同學對部分實驗原理的理解；②增加或改進了實驗操作的微視頻，使同學們對實驗過程有了更加感性的認識；③也是最重要的措施，是進行了與課程內(nèi)容相應(yīng)的虛擬仿真實驗的開發(fā)與建設(shè)，每個實驗項目的實驗要求、實驗操作及數(shù)據(jù)處理都與該課程的線下實體實驗保持一致。

以上改進基本完成后，第3期開課在校內(nèi)服務(wù)器上對學生進行了開放試點，課程在常規(guī)的公告、課件、作業(yè)、考試、討論等欄目外，增加了“虛擬仿真實驗”自定義欄目，學生們普遍認為仿真實驗體驗真實感很強，能夠引起學習興趣，與講義、課件、視頻、小動畫、討論、作業(yè)、考試等相結(jié)合（見圖3），學習效果很好。

圖3 課程學習頁面-課件欄

如圖4所示，學生在課程中點擊“虛擬仿真實驗”欄目，可進入虛擬仿真實驗平臺，完成實驗并提交之后系統(tǒng)自動批改給分，同時教師可在此基礎(chǔ)上復(fù)核修改學生得分。以干涉法測微小量實驗為例（見圖5），學生可在課程中通過課件、講義、視頻、動畫演示、討論區(qū)、練習題等學習實驗原理，了解實驗步驟，然后進行虛擬仿真實驗。學生所完成的虛擬仿真實驗的成績將對接進入在線課程的域外成績部分，最后按預(yù)定規(guī)則計入本課程的總分。

圖4 課程學習頁面-虛擬仿真實驗欄

圖5 干涉法測微小量虛擬仿真實驗的教學過程

課程計分規(guī)則如下：域外成績即虛擬仿真實驗成績占60%，該成績由實驗操作及數(shù)據(jù)報告組成，它們的具體比例按照每個實驗項目的類型及難度在仿真實驗平臺后臺設(shè)置；在線作業(yè)占20%，得分按照計分標準由教師批改或?qū)W生互改，系統(tǒng)計算累加；在線討論提問答疑占10%，討論成績按學生在討論區(qū)的活躍度和內(nèi)容質(zhì)量評判；在線考試占10%，題目由系統(tǒng)從題庫中隨機抽取。

以上考核計分方式對于校內(nèi)、校外學生和社會學習者都相同。課程總成績以實驗成績?yōu)橹?，更符合實驗課程的特點。但對于校內(nèi)學生來說，仍然可以選擇線下實體實驗（虛擬仿真實驗與可選的實體實驗相對應(yīng)），如果學生選擇該方式，那么其在線虛擬仿真實驗部分的成績由線下實體實驗成績代替，比例不變。

2.3 教學效果

經(jīng)過第3期在線課程與虛擬仿真實驗配套進行的試點及磨合，第4期開始面向校內(nèi)外學生及社會學習者，全面實施網(wǎng)絡(luò)在線課程＋虛擬仿真實驗的開課模式。作為一門在校內(nèi)只是以課外自主選修為主的小眾型實驗課程，在新模式推出后的第4期選課學習總?cè)藬?shù)超過3 000人，疫情期間的第5期選課人數(shù)突破4 000人，且有部分學校的老師將預(yù)備性物理實驗作為源課程開設(shè)了SPOC課程。

圖6所示為5期選課人數(shù)一覽（其中第3期處在仿真實驗建設(shè)及完善期間，只在校內(nèi)服務(wù)器進行了開放試點，因此選課人數(shù)較少），由圖可看出，從第1～第2期，因小動畫和微視頻等課程資源的豐富，選課人數(shù)增加，但總體人數(shù)還不多。第4期開始因為配套的虛擬仿真實驗的全面開放，選課人數(shù)激增至第2期的3倍，第5期選課人數(shù)增至第2期的4倍。

圖6 5期選課人數(shù)一覽

第5期結(jié)課后，系統(tǒng)所給出的所有提交了作業(yè)、考試、討論并完成虛擬仿真實驗的學習者總體成績分布如圖7所示。由圖中人數(shù)可看出，獲得成績者（注：只參與學習而未提交作業(yè)及未參加考試者無法獲得成績）占總選課人數(shù)的77%；在獲得成績的學習者中，優(yōu)秀占26.0%，合格占62.7%，不合格占11.3%，這樣的分布數(shù)據(jù)說明課程黏性較好（棄課率低），深度參與學習者多（獲得成績者多），完成度也較好（成績分布合理），課程開設(shè)較為成功。

圖7 第5期成績統(tǒng)計（中國大學MOOC課程后臺截圖）

3 結(jié) 語

預(yù)備性物理實驗課程在我校已開設(shè)近20年，課程主要目的為給部分中學物理教學要求較低或物理實驗條件不好的新生補課，從而使得全校新生的整體物理實驗水平填平補齊，提高教學起點，理工科新生可根據(jù)自己的興趣和基礎(chǔ)，在課外自主選擇該課程的學習［14-15］?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)在線開放的教學模式使得課程進一步從校內(nèi)拓展到了校外，目前課程在線開放已進行了5期，選課學生所在學校超過60所，既有來自985、211及雙一流建設(shè)高校的學生，也有來自普通本科院校、高職高專的學生以及部分社會學習者。

課程團隊將在現(xiàn)有的課程建設(shè)基礎(chǔ)上，繼續(xù)從突出學生個性培養(yǎng)、改變學生學習方式入手，改變傳統(tǒng)教學方法，通過現(xiàn)代信息技術(shù)、綜合應(yīng)用多種手段，并根據(jù)實驗課程的人才培養(yǎng)目標，不斷精選實驗內(nèi)容，為學生創(chuàng)造一個寬松、自主、個性化學習的在線物理實驗學習環(huán)境。從而爭取面向更多學校及社會學習者開放，為更多的有需求的學習者提供學習資源。