大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)信息化教學(xué)改革探索

金靚婕 梁小蕊 張紀(jì)磊 柳葉

摘? 要? 將信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)改革的研究熱點(diǎn)。針對信息技術(shù)在海軍航空大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用情況進(jìn)行研究，通過建設(shè)信息化教學(xué)資源，優(yōu)化信息化教學(xué)環(huán)境和開展信息化教學(xué)實(shí)踐，可以實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)融合，有效提高教學(xué)效率和質(zhì)量，為新型軍事人才的培養(yǎng)提供有力的保障。

關(guān)鍵詞? 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；信息化教學(xué)改革；SPOC；智慧實(shí)驗(yàn)室；微課；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：E251.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）17-0138-03

0? 引言

信息技術(shù)是以計算機(jī)、媒體、網(wǎng)絡(luò)等多種設(shè)備軟件作為應(yīng)用工具，對聲音、文字、圖片等信息進(jìn)行加工和處理并儲存于網(wǎng)絡(luò)之中的技術(shù)的總稱。在教育領(lǐng)域，信息技術(shù)通過數(shù)字模擬、數(shù)字動畫、數(shù)字作圖等方式，可使學(xué)生對抽象的理論和概念建立形象化認(rèn)識，形成較清晰的理解[1]。它的快速發(fā)展逐漸改變了人們的學(xué)習(xí)方式，極大地豐富了教學(xué)內(nèi)容，為持續(xù)進(jìn)行的教育教學(xué)改革和課程建設(shè)提供了新的技術(shù)支持。

早在2007年，教育部就發(fā)文指出“把信息技術(shù)作為提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段。信息技術(shù)正在改變高等教育的人才培養(yǎng)模式。高等學(xué)校要在教學(xué)活動中廣泛采用信息技術(shù)，不斷推進(jìn)教學(xué)資源的共建共享，逐步實(shí)現(xiàn)教學(xué)及管理的網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化。要進(jìn)一步培養(yǎng)和提高教師制作和使用多媒體課件、運(yùn)用信息技術(shù)開展教學(xué)活動的能力，培養(yǎng)和提高本科生通過計算機(jī)和多媒體課件學(xué)習(xí)的能力，以及利用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行學(xué)習(xí)的能力”。2018年，教育部發(fā)布《教育信息化2.0行動計劃》，該計劃提出“三全兩高一大”的發(fā)展目標(biāo)，即“教學(xué)應(yīng)用覆蓋全體教師，學(xué)習(xí)應(yīng)用覆蓋全體適齡學(xué)生，數(shù)字校園建設(shè)覆蓋全體學(xué)校，信息化應(yīng)用水平和師生信息素養(yǎng)普遍提高，建成‘互聯(lián)網(wǎng)+教育大平臺，推動從教育專用資源向教育大資源轉(zhuǎn)變、從提升師生信息技術(shù)應(yīng)用能力向全面提升其信息素養(yǎng)轉(zhuǎn)變、從融合應(yīng)用向創(chuàng)新發(fā)展轉(zhuǎn)變，努力構(gòu)建‘互聯(lián)網(wǎng)+條件下的人才培養(yǎng)新模式、發(fā)展基于互聯(lián)網(wǎng)的教育服務(wù)新模式、探索信息時代教育治理新模式”。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是海軍航空大學(xué)本科各專業(yè)的一門必修實(shí)踐類課程，是學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開端。多年來，課程組緊跟課程發(fā)展和教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)、要求的變化持續(xù)進(jìn)行教學(xué)改革。面對教學(xué)信息化技術(shù)的發(fā)展浪潮，探索如何活用信息技術(shù)、建立信息化教學(xué)模式已成為教學(xué)改革和建設(shè)的重點(diǎn)方向。對此，課程組在多年教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，將信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，豐富課程資源，優(yōu)化學(xué)習(xí)環(huán)境，改進(jìn)教學(xué)模式，為新型軍事人才的培養(yǎng)夯基壘石。

1? 傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)存在的問題

1.1? 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇受客觀條件限制

傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇往往受現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)場地和實(shí)驗(yàn)安全措施等方面的限制，特別是一些涉及高溫、強(qiáng)電磁、高能粒子等的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無法開展。即使有的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜷_展，由于設(shè)備價格昂貴或?qū)Π踩僮饕筝^高，往往也是采用教師演示、學(xué)生觀摩的方式。這就限制了學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ陌l(fā)展，學(xué)生走馬觀花般看完一遍，離開實(shí)驗(yàn)室后沒有留下任何印象，學(xué)習(xí)效率較低。

1.2? 教學(xué)方法模式單一

傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式是教師講解，然后學(xué)生實(shí)驗(yàn)，沒有根據(jù)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)和學(xué)生特點(diǎn)進(jìn)行個性化教學(xué)。學(xué)生需要在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中完成近20個實(shí)驗(yàn)，每節(jié)課都采用同樣的教學(xué)模式，會感到非常枯燥，嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)興趣。

另外，部分實(shí)驗(yàn)原理或操作較復(fù)雜，學(xué)生課前預(yù)習(xí)效果較差，教師受制于有限的課堂時間，在課堂上講授速度偏快，學(xué)生失去獨(dú)立研究探索的時間，對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容消化不良，做實(shí)驗(yàn)時似懂非懂地照葫蘆畫瓢。這顯然無法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力、自學(xué)能力、獨(dú)立思考能力等[2]。

1.3? 軍校特色教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)不足

軍校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)軍隊(duì)特色，是軍校教學(xué)改革的特殊要求。軍校學(xué)生在學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)課程時，往往也想要了解實(shí)驗(yàn)相關(guān)的軍事應(yīng)用。傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更偏向通識化，注重對實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)基本技能和實(shí)驗(yàn)相關(guān)科學(xué)原理的傳授，難以滿足學(xué)生多樣的學(xué)習(xí)期望。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，即便教師提到某實(shí)驗(yàn)的相關(guān)軍事應(yīng)用，也往往是點(diǎn)到為止，常以“請同學(xué)們自行查找資料”為結(jié)語。由于網(wǎng)絡(luò)資料魚龍混雜，有時學(xué)生花費(fèi)了大量的時間，也很難從中篩選出正確的資料。

2? 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)信息化教學(xué)改革途徑

2.1? 建設(shè)信息化課程資源

2.1.1? 建設(shè)融入信息化技術(shù)的課程教材? 信息化時代，軍事新裝備、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程在整個人才培養(yǎng)方案中是銜接理論知識與軍事應(yīng)用、通識基礎(chǔ)與專業(yè)高階的重要一環(huán)。為了順應(yīng)為戰(zhàn)育人的教學(xué)要求，課程組重新編寫課程教材，修訂后的《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》教材與海軍人才培養(yǎng)的需求相符，深度融合現(xiàn)代信息技術(shù)，學(xué)生可通過掃描教材中的二維碼，方便快捷地獲得豐富的教學(xué)資源。具體包括如下內(nèi)容。

1）實(shí)驗(yàn)背景知識。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容中包含多項(xiàng)獲得諾貝爾獎的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，如邁克爾遜干涉儀、密立根油滴儀、光電效應(yīng)等。通過掃描教材中的二維碼，了解這些實(shí)驗(yàn)背后人類探尋真理的曲折歷程、各種科學(xué)觀點(diǎn)的思辨碰撞和科學(xué)家的傳奇故事，不僅能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性，更是對學(xué)生的生動的課程思政教育[3]。

2）實(shí)驗(yàn)抽象原理。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中部分實(shí)驗(yàn)原理抽象復(fù)雜。如在聲速測量實(shí)驗(yàn)中，許多學(xué)生反映課前預(yù)習(xí)時對駐波的相關(guān)理論、李薩如圖形的相關(guān)理論難以想象和理解。對此，課程組將駐波的形成、李薩如圖形的形成制作成模擬動畫，以二維碼的形式嵌入教材中，讓學(xué)生通過觀看動畫，對抽象理論建立形象化的直觀認(rèn)識，從而提升預(yù)習(xí)的效率和質(zhì)量。

3）實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中涉及分光計、示波器、干涉儀等多種操作復(fù)雜的儀器。學(xué)生課前通過紙面文字和平面圖片很難達(dá)到有效預(yù)習(xí)的目的，甚至在課堂上僅通過教師的一次性講解和演示也很難掌握其所有的操作細(xì)節(jié)。因此，課程組將實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)錄制成短視頻，以二維碼的形式嵌入教材中，使學(xué)生能夠反復(fù)觀看、自我學(xué)習(xí)。

4）軍事應(yīng)用拓展。許多軍事新技術(shù)新方法中所蘊(yùn)含的基本原理在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中都有所體現(xiàn)，如激光夜視儀與光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、相控陣?yán)走_(dá)與光柵衍射實(shí)驗(yàn)、多普勒雷達(dá)與多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)等。因此，將相關(guān)軍事應(yīng)用知識以二維碼的形式嵌入教材中，可使學(xué)生感到學(xué)有所用，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2.1.2? 建設(shè)輔助課程教學(xué)的SPOC資源? SPOC是英文Small Private Online Course的縮寫，譯為小規(guī)模限制性在線課程。這一概念最早由美國加州大學(xué)伯克利分校的阿曼德·福克斯教授于2013年提出[4]。SPOC是針對小規(guī)模的特定學(xué)習(xí)者，在課堂教學(xué)中應(yīng)用優(yōu)質(zhì)的MOOC、微課等信息化資源。SPOC資源具有簡短清晰的特點(diǎn)，每個視頻5～10分鐘，主要針對一個知識點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)解析，學(xué)習(xí)者可以通過手機(jī)、電腦等終端設(shè)備，便捷地進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

近年來，課程組高標(biāo)準(zhǔn)高質(zhì)量建設(shè)物理在軍事裝備技術(shù)中的應(yīng)用、大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)、戰(zhàn)爭中的物理學(xué)等三門MOOC，以及艦船消磁、牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)、衍射光柵原理在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用等九門微課。這些SPOC資源生動形象地對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的某些知識點(diǎn)進(jìn)行講解或拓展，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況在課前、課中和課后的任意時期觀看學(xué)習(xí)。調(diào)研反饋表明，這些SPOC資源深受學(xué)生喜歡。

2.2? 優(yōu)化信息化教學(xué)環(huán)境

2.2.1? 建設(shè)線上虛擬實(shí)驗(yàn)平臺? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是信息技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中的研究熱點(diǎn)。特別是疫情暴發(fā)以來，線上的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)填補(bǔ)了學(xué)生無法線下實(shí)操的空白，在教學(xué)中發(fā)揮了重要作用[5]。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺具有以下特點(diǎn)。

1）打破時空限制，實(shí)現(xiàn)4A（any time，any where，any way，any pace）學(xué)習(xí)[6]。線下實(shí)驗(yàn)受到課堂時間和實(shí)驗(yàn)室條件的限制，一些耗時長、成本高或危險性高的實(shí)驗(yàn)很難大批量開設(shè)，如高能粒子實(shí)驗(yàn)、X射線衍射、強(qiáng)電強(qiáng)磁實(shí)驗(yàn)等。利用信息化技術(shù)，學(xué)生可通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，從而拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間和教學(xué)內(nèi)容。

2）強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)邏輯體系，實(shí)現(xiàn)3E（easy learn-ing，engaged learning，effective learning）學(xué)習(xí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是通過計算機(jī)程序運(yùn)行的，如果學(xué)生進(jìn)行了錯誤的操作，虛擬平臺會及時自動報錯予以提醒。同時，平臺還設(shè)置有提示功能，當(dāng)學(xué)生不知如何操作時給予指導(dǎo)。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)更有助于學(xué)生理清實(shí)驗(yàn)各知識點(diǎn)之間的內(nèi)在邏輯。特別對一些復(fù)雜性操作實(shí)驗(yàn)，通過鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)行的虛擬實(shí)驗(yàn)的操作難度遠(yuǎn)低于實(shí)際的儀器操作，因此非常適用于實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段。學(xué)生可通過虛擬平臺，對實(shí)驗(yàn)過程、操作細(xì)節(jié)和相應(yīng)現(xiàn)象形成直觀、全面的認(rèn)識，增強(qiáng)預(yù)習(xí)效果，提升課堂學(xué)習(xí)效率。

2.2.2? 建設(shè)線下智慧實(shí)驗(yàn)室

現(xiàn)代化管理的智慧實(shí)驗(yàn)室可有效提高課堂教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)管理水平。除實(shí)驗(yàn)儀器外，智慧實(shí)驗(yàn)室包含智能門禁系統(tǒng)、安全報警（防火防盜）系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、攝像頭、AI（人工智能）實(shí)驗(yàn)助手等。智能門禁系統(tǒng)有助于統(tǒng)計實(shí)驗(yàn)室來往人員；安全報警系統(tǒng)在遇到突發(fā)狀況時可及時通知實(shí)驗(yàn)室管理人員；溫控系統(tǒng)確保實(shí)驗(yàn)設(shè)備在合適溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)；課堂授課時，教師可通過攝像頭了解每一臺工位上學(xué)生的實(shí)時狀態(tài)；AI實(shí)驗(yàn)助手可及時回答學(xué)生實(shí)驗(yàn)時常見的一些問題。智慧實(shí)驗(yàn)室設(shè)施極大地減輕了實(shí)驗(yàn)管理的工作量，有利于實(shí)驗(yàn)室全天開放，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自我管理。

2.3? 開展信息化教學(xué)實(shí)踐

在信息化教學(xué)資源建設(shè)和環(huán)境優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過智慧實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理平臺，實(shí)現(xiàn)“課前預(yù)習(xí)→預(yù)習(xí)效果檢測反饋→課堂實(shí)驗(yàn)→實(shí)驗(yàn)報告在線撰寫→實(shí)驗(yàn)報告評閱反饋→學(xué)習(xí)情況大數(shù)據(jù)分析”的教學(xué)全過程。

2.3.1? 課前預(yù)習(xí)

實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生通過信息化教材和SPOC課前資源了解實(shí)驗(yàn)相關(guān)的背景、原理、器材、操作等知識，完成規(guī)定的預(yù)習(xí)任務(wù)，預(yù)習(xí)效果通過完成線上的預(yù)習(xí)題目進(jìn)行檢驗(yàn)。為避免抄襲現(xiàn)象，每位學(xué)生的預(yù)習(xí)題目皆從題庫中抽選，做到題目不相同。通過預(yù)習(xí)，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)形成基本的認(rèn)識和了解，明白學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在哪里，為后續(xù)的課堂學(xué)習(xí)起到有效的輔助作用。教師根據(jù)后臺對學(xué)生預(yù)習(xí)情況的相關(guān)智能統(tǒng)計分析，了解學(xué)生的掌握程度，在課堂教學(xué)中有針對性地調(diào)整講解的側(cè)重點(diǎn)和教學(xué)方案，提高課堂教學(xué)質(zhì)效。

2.3.2? 課堂教學(xué)

實(shí)踐類課程區(qū)別于理論類課程的特點(diǎn)在于“所有的知識點(diǎn)最終都必須內(nèi)化為學(xué)生的動手操作能力的鍛煉和提高”。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)并不能完全替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，信息化技術(shù)是以多種形式和手段有機(jī)地融入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如CCD成像系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)的放大、計算機(jī)模擬對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的展示以及復(fù)雜實(shí)驗(yàn)原理的動畫呈現(xiàn)等。此外，SPOC課堂資源和AI實(shí)驗(yàn)助手可充當(dāng)課堂教學(xué)中的信息化助教，使學(xué)生充分發(fā)揮學(xué)習(xí)的主觀能動性，按照自己的步調(diào)去完成實(shí)驗(yàn)；攝像頭可以幫助教師及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的典型問題，并通過智慧教學(xué)平臺進(jìn)行分享，進(jìn)而開展師生之間、生生之間的討論和分析，最終實(shí)現(xiàn)問題的解決，加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的理解。

2.3.3? 課后總結(jié)

實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，完成實(shí)驗(yàn)報告的在線撰寫。Excel、Origin等軟件在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用廣泛，具有強(qiáng)大的圖表功能、函數(shù)功能和曲線擬合功能，可解決大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的絕大部分問題。使用計算機(jī)軟件處理數(shù)據(jù)，可以節(jié)省學(xué)生手工計算的時間，提升數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，提高學(xué)習(xí)效率，使學(xué)生有更多的時間感悟?qū)嶒?yàn)設(shè)計理念，思考實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)含的物理思想。

大數(shù)據(jù)分析是智慧實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理平臺的特色和優(yōu)勢。通過平臺的數(shù)據(jù)分析功能，可對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，并能及時收集學(xué)生的教學(xué)反饋信息。這一方面可使教師及時掌握教學(xué)效果，從而及時調(diào)整教學(xué)設(shè)計；另一方面可體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，增加師生互動，拉近學(xué)生和教師之間的距離。

3? 結(jié)束語

教育信息化是順應(yīng)智能環(huán)境下教育發(fā)展的必然選擇，是充分激發(fā)信息技術(shù)革命性影響的關(guān)鍵舉措，是加快實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化的有效途徑。這不僅是對傳統(tǒng)教學(xué)的有力補(bǔ)充，更是一種新的學(xué)習(xí)方式[7]。將信息化技術(shù)融入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高教學(xué)質(zhì)效的重要手段。充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)的優(yōu)勢，通過建設(shè)優(yōu)質(zhì)的信息化教學(xué)資源，優(yōu)化信息化教學(xué)環(huán)境，開展信息化教學(xué)實(shí)踐，可豐富教學(xué)方法和教學(xué)手段，提升學(xué)生對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，有效提高課程教學(xué)質(zhì)量，為實(shí)戰(zhàn)化背景下創(chuàng)新型、實(shí)踐型軍事人才的培養(yǎng)提供有力保障。

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作者：金靚婕、梁小蕊、柳葉，海軍航空大學(xué)，副教授，研究方向?yàn)榇髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)；張紀(jì)磊，海軍航空大學(xué)，講師，研究方向?yàn)榇髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)（264000）。