智慧實驗室在大學(xué)物理實驗課程中的建設(shè)探索與應(yīng)用實踐

禤漢元 周江 肖榮軍

(廣西科技大學(xué)大學(xué)物理實驗教學(xué)中心 廣西柳州 545006)

1 大學(xué)物理實驗課程特點

大學(xué)物理實驗是理工科專業(yè)學(xué)生的必修基礎(chǔ)課程，具有很強(qiáng)的實踐性。目前，筆者學(xué)校物理實驗教學(xué)中心采用分層次教學(xué)模式，可根據(jù)各專業(yè)的需求進(jìn)行針對性的實驗教學(xué)，為之后的專業(yè)實踐課打下良好基礎(chǔ)。大學(xué)物理實驗教學(xué)過程與理論緊密結(jié)合，通過對該課程的學(xué)習(xí)，可以激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力，提高學(xué)生的科學(xué)研究素養(yǎng)。

目前的教育研究認(rèn)為，傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)方法存在有以下問題：信息化程度不足，未能有效利用信息技術(shù)提升管理水平，設(shè)備資源沒有實現(xiàn)最大使用效益[1-2]；實驗室未能實現(xiàn)對實驗者的實時監(jiān)控，無法提供個性化指導(dǎo)[3]等。由于傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗教學(xué)存在設(shè)備和手段等方面的局限，往往難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。

2 推動實驗室智慧化的必要性

在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”時代，教學(xué)管理方式信息化與教育資源開放化是提升教學(xué)效率、提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的最佳選擇。教育部2018 年4 月發(fā)布《教育信息化2.0 行動計劃》，其中提到開展智慧教育創(chuàng)新發(fā)展行動，要求以人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)為基礎(chǔ)，依托各類智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)，積極開展智慧教育創(chuàng)新研究和示范，推動新技術(shù)支持下教育模式的變革和生態(tài)重構(gòu)[4]。《教育部科技司2018 年工作要點》中也明確指出了要加快進(jìn)行教育信息化轉(zhuǎn)化升級，引領(lǐng)和支撐教育現(xiàn)代化。

智慧實驗室是智慧教育在實驗室的具體體現(xiàn)，在信息化教育中發(fā)揮著不可替代的實踐教學(xué)作用。一般認(rèn)為，智慧實驗室是一種借助計算機(jī)遠(yuǎn)程通信技術(shù)打造的學(xué)習(xí)平臺，是一個集云計算、大數(shù)據(jù)、圖像識別、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為一體的智能實驗集成系統(tǒng)[5-6]。與傳統(tǒng)實驗室相比，智慧實驗室的特點在于：通過信息技術(shù)提升了實驗教學(xué)場所的開放性、互動性、可共享性；借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)可視化、智能化的實驗室自動化管理；應(yīng)用云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，對學(xué)生實驗記錄進(jìn)行深入分析，為今后實驗教學(xué)過程提供改進(jìn)依據(jù)。

3 大學(xué)物理智慧實驗室的建設(shè)探索

為了實現(xiàn)課程信息化、智慧化的目標(biāo)，筆者學(xué)校的大學(xué)物理實驗教學(xué)中心也結(jié)合自身實際情況，對實驗室進(jìn)行了信息化改造，增加了智慧化實驗教學(xué)所需硬件，并對已有教學(xué)資源進(jìn)行了梳理整合。

3.1 硬件方面

為達(dá)到實驗過程信息化目標(biāo)，在硬件設(shè)備方面，實驗室內(nèi)增加了實驗過程記錄終端、智能儀器控制終端、分布式儲存云服務(wù)系統(tǒng)等硬件設(shè)備。

3.1.1 實驗記錄終端

該終端是實驗課堂教學(xué)與課后開放實驗的重要基礎(chǔ)支撐設(shè)備，由定制Pad 和無線充電底座組成。學(xué)生通過終端可以進(jìn)行用戶識別、上課簽到認(rèn)證，在實驗過程中還能借助終端獲得實驗指引，對儀器狀態(tài)、波形、電路搭建等實驗關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行精準(zhǔn)記錄和上傳，便于教師及時掌握學(xué)生實驗進(jìn)度和可能存在的實驗問題，加強(qiáng)對學(xué)生實驗過程的掌握。

3.1.2 智能儀器控制終端

儀器控制終端可對學(xué)生自主使用儀器進(jìn)行認(rèn)證授權(quán)，是實驗室實現(xiàn)智慧化、信息化不可缺少的一個組成部分。通過智能儀器控制終端，可以實現(xiàn)對使用者的有效控制，只有獲得授權(quán)的學(xué)生在指定時間內(nèi)通過刷卡、密碼或二維碼方式進(jìn)行認(rèn)證后，才能操作儀器進(jìn)行實驗，同時該儀器控制終端還可記錄使用者的基本信息，包括使用起始時間、人員信息、使用儀器信息等，以便于進(jìn)行后期數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

3.1.3 智慧實驗室分布式數(shù)據(jù)儲存服務(wù)系統(tǒng)

對學(xué)生實驗獲得的數(shù)據(jù)，需要保證在各種情況下都要能夠及時得到保存。分布式儲存可為平臺提供良好的數(shù)據(jù)存儲環(huán)境，對學(xué)生所獲得的各項實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與上下行傳輸。在突發(fā)流量過大導(dǎo)致服務(wù)器不能及時反應(yīng)的情況下，分布式儲存系統(tǒng)能保證實驗數(shù)據(jù)的及時存儲，做到不丟失實驗數(shù)據(jù)、不影響學(xué)生實驗。

3.2 軟件方面

智慧實驗室的軟件方面，主要由大學(xué)物理實驗云課堂網(wǎng)站、實驗微課視頻與教材、智慧實驗室管理系統(tǒng)三大部分組成。

3.2.1 大學(xué)物理實驗云課堂網(wǎng)站

在之前的實驗教學(xué)中，筆者學(xué)校實驗中心教師根據(jù)實際情況，在學(xué)校的支持下自主架設(shè)了大學(xué)物理實驗網(wǎng)站。網(wǎng)站可對大學(xué)物理實驗課程的日常教學(xué)活動進(jìn)行管理，實現(xiàn)基本的課程設(shè)置、學(xué)生名單導(dǎo)入、排課、查看在線微課資源、統(tǒng)計成績、學(xué)生留言等功能。由于建設(shè)時間較早和技術(shù)力量不足等原因，該網(wǎng)站的信息化程度已經(jīng)不能跟上現(xiàn)代的信息化要求，主要體現(xiàn)在不能實現(xiàn)對實驗過程進(jìn)行在線記錄、無法對實驗儀器授權(quán)管理等方面。

3.2.2 實驗微課視頻與教材

要推進(jìn)課程的信息化應(yīng)用水平，相關(guān)的教學(xué)資源建設(shè)不可缺少。筆者學(xué)校的大學(xué)物理實驗中心圍繞教學(xué)大綱，編寫出版了信息化的實驗教材，并設(shè)計制作了一批相關(guān)的物理實驗教學(xué)微課資源。這些微課資源集中體現(xiàn)了各實驗的核心內(nèi)容，可以幫助學(xué)生整理知識點、建立實驗?zāi)Ｐ汀⒁龑?dǎo)學(xué)習(xí)者構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)。微課視頻與教材兩者相結(jié)合的信息化教學(xué)資源，有助于加深學(xué)生對相關(guān)理論知識的理解，提高學(xué)習(xí)興趣和科學(xué)研究素養(yǎng)。

3.2.3 智慧實驗室管理系統(tǒng)

智慧實驗室管理系統(tǒng)是與實驗記錄終端、智能儀器控制終端等硬件配套使用的管理軟件。該系統(tǒng)可獲取學(xué)生實驗終端的工作數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對實驗數(shù)據(jù)的自動評判，并對各類教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計。結(jié)合實驗記錄終端，教師能夠在后臺及時查看實驗過程中學(xué)生提交的實驗圖像、數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動或手動審核評定，實現(xiàn)實驗教學(xué)全過程信息化管理與實驗原始數(shù)據(jù)電子化。智慧實驗室管理系統(tǒng)可成為原有實驗云課堂網(wǎng)站的有益補(bǔ)充，實現(xiàn)實驗過程中的實時數(shù)據(jù)記錄、儀器管理等功能，有效地提高實驗教學(xué)的信息化水平。

4 應(yīng)用智慧實驗理念的大學(xué)物理實驗教學(xué)模式改革實踐

如果僅只是將智慧實驗室簡單地“平移”到物理實驗教學(xué)當(dāng)中，難以起到提升教學(xué)水平和提高教學(xué)質(zhì)量的預(yù)期效果。所以筆者學(xué)校物理實驗教學(xué)中心根據(jù)智慧實驗室的智能化、高交互性和便于大數(shù)據(jù)分析等特點，圍繞課程教學(xué)大綱，從多個角度對原有的實驗教學(xué)過程進(jìn)行了改進(jìn)。實驗課教學(xué)可大致分成課前、課中、課后這3 個階段，為了讓信息化的教育手段得到充分利用，我們分階段對實驗者提出了不同要求。

4.1 課前階段

在課前階段，學(xué)生要根據(jù)課程安排，提前確定接下來要進(jìn)行的實驗項目，利用智慧實驗室的儀器管理功能提前獲得儀器使用授權(quán)，并對實驗進(jìn)行預(yù)習(xí)。在實驗準(zhǔn)備階段，教師需要分析各實驗項目，凝練出實驗涉及的重要知識點，然后將與各個知識點相關(guān)的微課、文字圖片、在線測試等學(xué)習(xí)資源發(fā)布到實驗教學(xué)網(wǎng)站上。在學(xué)生預(yù)習(xí)實驗的過程中，可以隨時進(jìn)入實驗教學(xué)網(wǎng)站預(yù)覽實驗項目，借助在線學(xué)習(xí)資源提前了解相關(guān)知識點，并通過在線測試檢查自己對知識點的掌握程度。教師可以在網(wǎng)站后臺查詢學(xué)生提交的測試答案，組織學(xué)生之間對知識點進(jìn)行討論交流，并及時發(fā)現(xiàn)和解決學(xué)生在實驗課前階段遇到的問題。

4.2 課中階段

學(xué)生來到實驗室，刷卡認(rèn)證后開啟儀器電源后，按照實驗要求，自主使用儀器進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的測量。實驗過程中，要求學(xué)生要將所獲得的實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，通過智能實驗記錄終端進(jìn)行記錄和上傳。由于學(xué)生在課前階段已經(jīng)對實驗知識點有了一定的了解，此時教師可以把主要精力用于對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，同時還可以組織學(xué)生現(xiàn)場進(jìn)行交流討論、對測量結(jié)果進(jìn)行集體分析，幫助學(xué)生充分內(nèi)化相關(guān)知識。借助智能實驗記錄終端上傳的實驗現(xiàn)象、實驗數(shù)據(jù)，在課中階段，教師可以提供更有針對性的實驗指導(dǎo)，達(dá)到更好教學(xué)的效果。對設(shè)計性實驗項目，借助智慧實驗室的智能終端，讓師生之間可以更迅速、直觀地進(jìn)行交流，在發(fā)揮實驗者創(chuàng)造性的同時，教師也能及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的實驗問題并給予相應(yīng)指導(dǎo)。

4.3 課后階段

實驗完成后，學(xué)生根據(jù)課中階段實驗記錄終端保存的實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，完成相應(yīng)實驗報告。教師批改完實驗報告后，可根據(jù)實驗環(huán)節(jié)、實驗錯題的成績統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對學(xué)生的學(xué)習(xí)薄弱點組織針對性的強(qiáng)化指導(dǎo)。此外，在期末教學(xué)總結(jié)工作中，教師還可以依據(jù)智慧實驗室管理系統(tǒng)提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，思考今后如何改進(jìn)實驗教學(xué)過程、提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

5 大學(xué)物理智慧實驗室應(yīng)用效果

經(jīng)過近一年的大學(xué)物理智慧實驗室建設(shè)和試運(yùn)行，大學(xué)物理實驗課程取得了良好的教學(xué)效果。與原有的教學(xué)方式相比，智慧實驗室的加入有效提高了課程的信息化應(yīng)用程度，課堂上能借助智能設(shè)備實現(xiàn)針對性的個性化指導(dǎo)，課堂學(xué)習(xí)氛圍、學(xué)生學(xué)習(xí)自主性得到改進(jìn)，促進(jìn)了實驗者的知識內(nèi)化過程。從管理角度上看，智慧實驗室的應(yīng)用有助于提升管理的信息化水平，使得教師能利用大數(shù)據(jù)的方式發(fā)現(xiàn)學(xué)生的出錯原因，對教學(xué)重點難點進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。另外，在智慧實驗室的應(yīng)用中也還存在一些問題亟待繼續(xù)研究，例如智慧實驗室管理系統(tǒng)與原有的課程管理網(wǎng)站如何更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)對接、如何更有效地利用智慧實驗室提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)改進(jìn)物理實驗教學(xué)等，還需要實驗室管理人員和教師繼續(xù)探索，才能讓智慧實驗室在今后的教學(xué)和管理中發(fā)揮出更大作用。