基于CBE的普通物理實驗教學改革探索

余楚迎

（韓山師范學院物理與電子信息工程學院 廣東 潮州 521041）

以云計算、大數據、移動互聯網等為代表的互聯網技術使得理工科課程的學習方式、教學方式、評價方式等均發生很大的變化，呈現了多樣性、交互性等新特點。自2017年起，教育部積極推進新工科建設，在此背景下，社會對高校培養具有較強創新意識和實踐能力的應用型人才提出了更高的要求[1]。物理學是現代科學技術的中心學科之一，可以劃分為理論物理和實驗物理，兩者同等重要[2]。物理實驗是理工科學生的必修專業課程，是培養學生理論聯系實際能力、實踐動手能力的重要環節。

信息技術的廣泛應用使得物理理論課程的教學模式得到較快的發展，如MOOC教學[3]、翻轉課堂教學[4]等。然而，物理實驗課程教學中存在的一些問題制約了學生科學實驗實踐能力的培養和科學素質的養成，如[5]：①有限的實驗儀器、實驗時間和實驗場地等教學資源與學生日益增長的學習需求之間的矛盾，如動手操作的預習、復習因各種限制因素而無法在實驗室開展等；②科學技術和知識的飛速發展使得過去傳統的思維方法與學習方式不斷受到沖擊，如傳統實驗教學中，學生依然習慣于被動式地接受知識灌輸，在實驗中缺乏獨立思考，過于依賴課本和教師，不利于培養學生的實踐能力和創新能力；③以 “實驗報告的標準答案” 作為單一的評價方法不夠客觀，不利于實際問題解決能力的培養等。有鑒于此，本文結合Moodle（Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment，模塊化面向對象的動態學習環境）平臺[6]與線上實驗仿真系統[7]，基于CBE（Competence Based Education）[8]理念探索 “能力導向、多維融合、綜合評價” 的普通物理實驗教學模式，具體思路如圖1所示。

圖1 基于CBE理念的普通物理實驗教學改革思路

1 相關理論與技術

1.1 CBE理論[8]

CBE是一種以能力培養為基礎的課程教學模式，它強調以培養學習者能力為出發點。CBE理念中，要求改變以教師為主導的教學模式，并以能力為框架，以學生為主體，充分發揮學生的主動性進行自主學習，同時老師的角色則轉變為學習的管理員、促進者而不再是知識的傳授者和灌輸者。此外，CBE要求課程還應具有多樣化的教學方式，以最大限度地滿足學生的學習需求。

1.2 Moodle平臺[6]

隨著遠程教育的快速發展，在線學習平臺已成為網絡課程開展教與學活動的主要場所。Moodle是基于社會建構主義教學理論的源代碼開源課程管理平臺，任何人都能根據需求開發、設計和管理自身的網絡課程，支持學習者的自主學習，目前已廣泛應用于教育領域。因此，本研究將利用Moodle平臺的功能為學生構建一個關于 “普通物理實驗” 課程的有效的自主學習環境。

1.3 線上實驗仿真系統

由于能有效彌補傳統實驗教學的不足，實驗仿真系統在實驗教學中越來越受到關注。通過仿真系統能讓尚未進行實驗的同學能在直觀上先了解和認識實驗環境和所用儀器的原理，熟悉儀器的功能和使用方法。此外，還可以通過讓學生在虛擬環境中自行設計實驗方案、模擬真實的實驗過程，培養他們的設計能力及提高實驗水平。本研究通過構建 “普通物理實驗” 線上實驗仿真系統進行實驗教學改革，以提升學生的實踐與創新能力。

2 基于CBE的普通物理實驗教學與實踐

為補充和完善傳統普通物理實體實驗教學的不足，研究確定依托學校的智慧校園，基于Moodle平臺與線上實驗仿真系統，構建普通物理實驗自主學習環境，在此基礎上，結合線下實踐實驗培養學生的主動學習、實踐和創新能力。

2.1 構建基于Moodle與線上實驗平臺的自主學習系統

傳統實驗教學主要包括預習、操作和報告三個環節。然而實踐發現，在真正實驗前，由于學生未做過真正的實驗或見過具體的實驗儀器，同時缺乏習題的練習與復習，因此即使進行了預習，大部分學生仍然難以對實驗的整體環境、實驗儀器的原理等建立起直觀認識，導致很多學生在真正實驗操作時存在盲目操作和走過場等現象，實驗效率較低。此外，部分學生比較依賴老師及實驗時較少思考，使得學習效果不明顯且缺乏創新性。為提高學生的自主學習和實踐能力，實驗教學團隊經過調研和可行性研究后，基于CBE教育理念，提出結合Moodle與線上仿真實驗平臺構建自主學習系統。該系統具有實驗預習、仿真實驗、作業發布、學習評價等功能。

2.1.1 線上仿真實驗平臺建設

根據實際情況，學院采用向企業購買實驗庫的方式建設線上實驗仿真平臺。該仿真教學平臺架設在我校智慧校園的云平臺系統上，學生可隨時進行線上仿真實驗。

根據教學大綱及不同專業的需求，所購置的仿真實驗平臺包括力學、熱學、光學、電學和電磁學5類實驗項目。仿真平臺中的每一個實驗項目都提供了實驗原理、實驗內容、實驗儀器、實驗指導、在線演示、仿真實驗模塊。其中，學生通過實驗原理和實驗內容模塊可以學習實驗的物理思想與方法；通過實驗儀器模塊中的儀器實物圖像及操作說明可以掌握所用實驗儀器的結構及原理；通過實驗指導和在線演示模塊中的實驗操作方法介紹及操作視頻可以學習實驗技能，并增強學生對物理實驗的興趣。此外，基于仿真平臺的儀器模塊化功能，教學團隊還鼓勵學有余力的同學對所提供的儀器自行進行選擇和組合，設計用不同的方法仿真完成同一實驗目標，以提高實驗設計能力和實驗水平。

上述仿真平臺為自主學習系統的構建提供了有力的支撐，它既可以使學生在自主學習系統中通過借助虛擬仿真技術進行實驗學習與操作練習，也可以讓老師將仿真實驗與線下實踐實驗進行虛實結合、相互補充，改進實驗教學模式，采用更豐富的教學手段進行教學。

2.1.2 “普通物理實驗” 自主學習系統的構建

雖然利用仿真實驗平臺能使實驗教學較好地突破時間和空間的限制，但由于該平臺缺少教學互動、教學資源、考核評價等功能，滿足不了學生自主學習的需求，也限制了教師在教學中的作用。因此，為激發學生的學習自主性，教學團隊結合仿真實驗平臺與Moodle平臺設計了一個 “普通物理實驗” 的自主學習系統。

通過調研并進行需求分析后確定該系統包括實驗簡介、實驗預習、仿真實驗、作業發布、學習討論、學習評價等模塊。在系統中，可以設置管理員、教師與學生等3類角色。教學實踐過程中，將以學生自主學習、協同學習為主體，老師則作為教學的組織指導者和設計者，實現教學模式從以教師為中心向以學生為中心的轉變。

①實驗簡介模塊。該模塊首先介紹實驗項目的基本情況，然后通過超鏈接轉向仿真實驗平臺的相應實驗原理、實驗內容和實驗儀器模塊進行學習。結合兩個平臺，能有效避免重復建設。

②實驗預習模塊。預習是學習的一個重要環節，因此為提高學生的學習主動性，教學團隊組織任課教師進行作業題庫的建設，題庫中的題型包括判斷題、單選題、多選題、操作題等。任課教師可以通過作業題庫以隨機抽題組卷或指定題目兩種方式發布預習習題，從不同角度考查學生在預習階段對實驗項目的基本概念、原理與方法、公式計算、實驗操作等的掌握情況。預習測試題以客觀題為主，并實現系統自動改卷評判學生的預習成績。

③仿真實驗模塊。在該模塊中，學生首先通過超鏈接轉向仿真實驗平臺的相應的實驗指導和在線演示學習實驗技能，然后進入仿真實驗模塊進行虛擬仿真實驗。仿真實驗過程中，鼓勵學生在按照指定的實驗方案完成實驗內容后，通過調整實驗參數或自行選擇虛擬儀器并設計新的實驗方案進行二次實驗，同時對前后兩組實驗結果進行對比，分析不同方案的優勢與不足，以培養學生的實驗設計能力和創新能力。

④作業發布模塊。該模塊由復習習題與實驗報告兩部分組成，并在實驗結束后布置。與預習習題的生成和發布相類似，復習習題同樣由任課老師通過作業庫用兩種方式生成及發布，并由系統自動進行批改。復習測試題側重由難題和在預習測試中錯誤率高的題目構成，以進一步鞏固學生的學習效果。

實驗報告是課程的另一個重要環節，然而報告中的結果分析與討論、思考題與實驗體會等難以量化并利用系統進行自動批改，因此在該模塊中，以主觀題的形式發布電子化的實驗報告，學生完成實驗報告后再上傳到系統中，老師采用人工評閱的方式進行批改，確保批閱質量。

⑤學習討論模塊。該模塊主要由老師利用Moodle平臺提供的討論區、投票等功能，采用分組、激勵等策略組織并指導學生對實驗項目進行探討交流，實現協作式學習。在開展討論交流的時候，教師在網上進行即時輔導，及時解答學生在學習過程中遇到的問題，增強學生自主完成學習的信心，并營造良好的課程學習氛圍。同時，教師在組織線上討論學習時，可引導學生通過查閱科學文獻與專業書籍等拓展實驗內容或設計應用性實驗的實驗方案，并依托老師的科研項目引導學生進行科學研究，培養他們的創新思維。例如，在完成光學基礎實驗后，輔導學有余力的學生對后續傅里葉光學實驗進行學習，在此基礎上結合筆者主持的廣東省自然科學基金項目向他們介紹當前信息光學科學前沿研究內容——光學信息安全，引領學生進行科研探索，并指導他們參加相關學科競賽等，進一步提升了學生的創新能力和科研素養。

此外，在該模塊中還通過上載文檔、視頻等電子教學資源實現資源共享，幫助學生進行協作學習。

⑥學習評價模塊。在該模塊中，老師從不同的角度，對學生的學習情況進行多元化、過程化的綜合評價，評價項目包括學生的自主預習記錄、參與線上交流學習活動的情況、預習/復習/成績、仿真實驗成績、實驗報告成績、線下實踐實驗的操作技能、應用性實驗設計能力、科學研究能力等，而考核的形式可以是機試、筆試、操作考試、實驗設計/演示等等。上述評價項目貫穿學生整個學習過程，且各個項目賦予不同的權重，使評價更全面、科學和準確。

通過上述自主學習系統的構建，能有效完善普通物理實驗的預習、復習環節，改進學習效果的評價方式；同時，真實、易操作的仿真實驗提高了學生的學習興趣。該系統的應用能從知識、技能和創新等多個維度培養學生的能力。

2.2 線下實驗教學

雖然仿真實驗能讓學生快速熟悉和掌握實驗內容，但其不能完全取代實物實驗。線下實踐教學過程在學生完成預習后進行，從實踐的維度培養學生的動手能力及實驗技能。首先，老師根據學生在預習階段存在的問題，有針對性地對實驗項目所用儀器的注意事項、操作要領等進行講解，以提高實驗儀器的利用率。然后，在實驗操作階段，以學生為中心，采用啟發式教學方法，讓學生更好地理解實驗方法和掌握實驗技能。實驗過程中，根據實際情況，主要采用分組形式進行實驗，分組人數為1―2人，以確保每位同學都有實踐操作的機會。老師在此過程中主要充當指導者、幫助者，并鼓勵學生提出問題，在小組之內或之間進行思考與討論以探索解決方案，以培養學生協作學習、團隊合作的意識。

教學實踐表明，虛實互補、線上線下結合的實驗教學模式能有效激發學生自主學習的興趣。

3 結語

根據普通物理實驗課程的特點，本文基于CBE理念，以培養能力為導向，探討了知識維度（線上自主學習系統）、技能維度（仿真實驗）、實踐維度（實操實驗）、創新維度（應用性實驗）等多維融合實驗教學模式。同時，針對傳統評價方法不夠客觀的缺點，提出多元化、過程化的綜合評價方法完善考核方式。通過新教學模式的實踐，發現學生能更好理解實驗課程的原理和內容，激發了他們的學習主動性，提升了他們的自主學習能力、實踐能力等。下一步工作將進一步完善自主學習系統，如實現實驗報告的數據處理自動批改以提升教師的工作效率等。