學習空間視域下的近代物理實驗室建設探索

潘崇佩， 趙瑋璐， 陳 靖， 徐 音， 唐柏權， 孔勇發(fā)

(南開大學 a.物理科學學院； b.基礎物理國家級實驗教學示范中心，天津 300071)

0 引 言

教學實驗室是增強學生創(chuàng)新實踐能力、培養(yǎng)綜合素質人才的重要平臺[1-2]。在教育改革不斷深化的背景下，部分實驗室出現供需失衡、效能減弱、學生參與度不足等結構性問題，對育人效果產生不利影響。而這些實驗室大多具有很強的傳統(tǒng)教學模式，其空間布局、運行模式、管理策略源于“以教為中心”的舊教學理念，因此難以與后疫情時代日漸流行的建構主義、多媒體學習、泛在化學習等新型教育形態(tài)相匹配[3-4]。為應對上述挑戰(zhàn)，亟須在教育科學框架下尋找一種適應新形勢的實驗室重構與建設方案，以保障高校實驗教學持續(xù)健康發(fā)展。

近年興起的“學習空間”概念，將建構主義學習理論、信息技術與教學環(huán)境有機整合，為教室、實驗室、圖書館等各類教育環(huán)境建設指出了一條可行的改革路徑[5-6]。作為傳統(tǒng)教學空間的進階形態(tài)，學習空間遵循“以學生為中心”的設計理念，倡導教師、教學資源、信息技術、建筑布局等各個要素都為學生的學習服務，并逐步演化出智慧性、開放性、非線性等新型特征。在實踐方面，學習空間將傳統(tǒng)教室變革為主動學習教室、未來教室等各式智慧教室，已取得巨大成功[7-8]。而在實驗室環(huán)境下，由于存在學生、教師、實驗設備、實驗環(huán)境等主客體間的多向交互作用，具有復雜度高、個性化需求突出等特點，基于學習空間的實驗室建設研究正處于起步階段。

《教育信息化2.0行動計劃》指出，要開展以學習者為中心的智能化教學支持環(huán)境建設，加快建設智能教室、智能實驗室等智能學習空間，推進信息技術和智能技術深度融入教育教學全過程[9]。學習空間理念與當前主流教育政策導向深度契合，為教育信息化全面融入實驗教學環(huán)境提供一種整體性解決思路。依托基礎物理國家級實驗教學示范中心，結合物理學科專業(yè)特點，圍繞環(huán)境建設、教學設計、運行管理等綜合實踐，重構具有學習空間典型特征的近代物理實驗室，從而為高校實驗類學習空間的一般性建設提供借鑒。

1 學習空間概述

1.1 學習空間發(fā)展背景及特征

學習空間是基于學習理論、學習科學與信息技術等學科基礎發(fā)展而來的新興概念，是教育范式變遷的重要節(jié)點。隨著社會對于創(chuàng)新型、復合型、應用型人才需求不斷擴大，傳統(tǒng)課堂長期沿用的標準化教育方案及批量知識灌輸的“流水線”模式受到沖擊，而認知建構主義、情境認知等學習理論日益得到重視。這些新理念作用于教育環(huán)境領域，不斷推進教育要素融合、學習空間應運。

學習空間涵蓋“所有用于學習的場所”[10]，因此極大拓展了傳統(tǒng)教學空間的邊際，具有豐富意涵。從地點來看，學習空間并非將學習過程完全限制于課堂，而是可以發(fā)生在教室、實驗室、圖書館、校園連廊等各類正式、非正式場所；從場景來看，學習空間既支持物理實境中的學習活動，也支持虛擬情境中的數字化學習；從最終目標來看，學習空間的全部要素皆是為了提升受教育者的學習體驗。相比于傳統(tǒng)教學空間注重于“教”，學習空間強調“以學生為中心”，其關注點集中于教育環(huán)境對學習活動的支持。

1.2 實驗類學習空間及其建設要求

教室和實驗室是高校兩類典型教學場所。基于學習空間理念將傳統(tǒng)教室改造為智慧教室，已成為近年來教育界及產業(yè)界應用的熱點方向，相關研究已趨于成熟。各類智慧教室的共同特征可歸納為環(huán)境管理的便捷性以及情境感知的深入性[11]，為實驗室向實驗類學習空間的轉變提供了參考依據。與此同時，實驗室與教室環(huán)境還存在顯著區(qū)別的若干特征，在設計與建設時應予以重視。

(1) 在實驗儀器方面。不同于教室環(huán)境下知識在教師與學生間直接傳遞的過程，學生在實驗室中需要自主操作教學儀器、完成實驗課題，從而實現知識學習與能力培養(yǎng)。儀器設備作為實驗室的重要組成部分，起到串聯學生與教師的關鍵作用。實驗類學習空間中教學儀器應具備一定程度的智能化，并且能夠依據實驗項目特點提供個性化、沉浸式學習體驗。

(2) 在師生交互方面。不同于以講授為主的理論課，實驗課程多采取“以實踐為主體、講解與實踐并行”的混合授課形式。學生在實踐時遇到困難，往往傾向于向教師或同學提問，在認清問題、確定下一步方案后繼續(xù)實驗。此過程循環(huán)往復，直至實驗目的全部達成。這種漸進式學習為師生、生生之間的有效互動預留了空間。實驗類學習空間需要設置問題式引導、過程化考核等突顯學生主體地位的教學設計，將學習的主動權交給學生。教師應避免機械式地灌輸知識和技能，而在實驗流程的節(jié)點處適時介入，從而提升學生主動進行合作性、研究性學習的內驅力。

(3) 在教育技術方面。隨著移動互聯網、VR、AR等手段不斷發(fā)展，信息化技術對于現有的實體實驗起到良好的補充效果，其中虛擬仿真技術在解決高成本、高危險、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等實驗問題已展現出巨大成效[12]。實驗類學習空間需要依據實驗項目的具體情況，提供物理空間與信息空間的有效支撐與銜接，支持學生在雙重空間中靈活切換。

1.3 實驗類學習空間研究現狀

構建實驗類學習空間需要從教學環(huán)境、方法、技術等多方面共同介入。目前，研究者大多從智慧化角度切入，進行實驗類學習空間建設路徑的詮釋。例如，林燕奎等[13]提出從實驗室規(guī)劃、硬件設施、軟件配套三方面進行設計，建立環(huán)境友好型的自適應智慧實驗室。黎啟龍等[14]提出通過智慧管理、教學、環(huán)境的現實空間和虛擬空間構建智慧實驗教學中心，以物聯網、云計算、虛擬現實、大數據等新興技術推動實驗中心信息化建設的新形態(tài)。余泰等[15]提出，以數字化校園建設為基礎，以服務師生為導向、統(tǒng)一云平臺為基礎、未來課堂為核心、智能數據分析為支撐，構建規(guī)范、安全、可靠的智慧校園環(huán)境。以上研究工作涵蓋智慧實驗室、智慧實驗中心以及智慧校園等不同層次，為基于學習空間理念進行近代物理實驗室具體建設提供了信息化視角的宏觀參考。

2 近代物理實驗室運行現狀及存在的問題

“近代物理實驗”課程是國內外高校物理系普遍開設的專業(yè)必修課，實驗項目涵蓋諾貝爾物理學獎經典實驗以及現代應用型實驗，具有難度大、專業(yè)性強、知識學習與科研探索相銜接的特點。學校依托基礎物理國家級實驗教學中心下屬的近代物理實驗室開設這一課程，面向物理學院、電光學院和伯苓學院(基礎學科拔尖班)本科生授課。

在長期教學實踐中，傳統(tǒng)近代物理實驗室雖為授課任務提供了必要的軟硬件支持，但仍存在一些不利于學習活動的因素，其中不乏高校教學實驗室常見的共性問題，例如：

(1) 實驗室布局優(yōu)化程度不足。受場地限制，多個實驗項目通常集中于同一實驗室，其所需環(huán)境條件(如遮光、靜音、消磁等)不盡相同，導致實驗項目間存在一定干擾；缺少獨立的學習交流區(qū)，學生在實驗過程中直接討論，易對其他同學造成影響，也不便于學生與教師間深入互動；實驗室布局千篇一律，易對學生造成沉悶單調的心理暗示，不利于形成良好的學習氛圍。

(2) 實驗室信息化程度低。實驗室未配置針對實驗項目的專用集成化信息系統(tǒng)，學生參照紙質講義教材或說明書進行實驗，雖然能夠自行搜索互聯網獲取資料，但針對性差、上課效率不高；實驗室對于虛擬仿真實驗的支持有限，雖開設了個別仿真實驗項目，但未形成覆蓋整個課程內容的完整項目庫；教師依托紙質實驗報告考核學生的學習成效，評價方式靜態(tài)原始，沒有產生針對學生個體的全過程電子檔案。

(3) 實驗室教學模式單一。實驗室現有的教學環(huán)境完全面向線下教學場景建設，對于線上教學以及線上線下混合式教學模式適配不足。學生只有處于實驗室中才能完成實驗學習活動，降低了實驗室的使用效率。實驗室呈現出“信息孤島”的狀態(tài)，與學生的關聯程度不強。

3 學習空間融入近代物理實驗室建設實踐

鑒于教學資源、信息技術、建筑布局等要素共同影響學生的學習活動，有必要在學習空間框架下統(tǒng)籌考慮這些因素，對現有近代物理實驗室加以重構建設。這有助于提升學生在近代物理實驗課程中的學習效果，也對解決傳統(tǒng)實驗室所面臨的共性問題具有一定現實意義。中心立足于教學環(huán)境、教學設計、運行管理等3個方面，綜合探索學習空間理念融入實驗室建設的整體路徑，其總體框架見圖1。

圖1 基于學習空間理念的近代物理實驗室建設框架

3.1 環(huán)境建設

教學實驗室區(qū)別于其他教學場所(如居家實驗環(huán)境)的核心特征，實驗室可為學生構建出一種集約化的實踐學習環(huán)境，并通過實驗室文化、師生共同體等隱性要素對學生個體發(fā)展施加潛移默化的影響[16]。學習空間框架下的實驗室環(huán)境建設涵蓋物理空間(實體空間)建設與信息空間(虛擬空間)建設兩重內容。

3.1.1 物理空間建設

物理空間建設需要考慮用戶便捷性、儀器可用性、實驗室安全性等條件。近代物理實驗課程所涉及的設備種類較多、價格昂貴，光學、電學、磁學等不同儀器的使用條件不盡相同。從提升空間利用率、減少實驗干擾等角度出發(fā)，應當將各類實驗項目合理區(qū)隔。其次，應在實驗區(qū)域外設置單獨的師生討論室，以便調配適當的信息化技術，從而使師生交互效果達到最佳。

綜合以上因素，借鑒分散式、扁平化的智慧教室房間結構，將近代物理實驗室重構為圖2所示的建筑布局，使用輕鋼龍骨與石膏板將實驗室空間分隔為多個子空間，并針對新布局重新規(guī)劃消防，以滿足實驗室安全要求，建設后的實際場景見圖3。這種布局的優(yōu)勢在于保證較為清晰的功能分區(qū)以及行動路線，營造出課堂環(huán)境的整潔感與秩序感；學生在子空間中以小組形式進行實驗，不易受其他組別學生干擾，有利于調動其自主學習、自主探索的氛圍，提升其對實驗課程學習的重視程度。

圖2 重構后的近代物理實驗室布局

圖3 重構后的近代物理實驗室實際場景

3.1.2 信息空間建設

信息空間是物理空間的重要延伸與補充。近代物理實驗室信息空間建設具體包含面向實體實驗的專用信息系統(tǒng)建設與虛擬仿真實驗項目整合兩部分。

(1) 建設針對實體實驗的集成化信息系統(tǒng)。基于LAMP架構和Bootstrap前端框架編寫了面向近代物理實驗課程實體實驗的自建信息系統(tǒng)。系統(tǒng)具有友好的人機交互界面，內容涵蓋課程講義、儀器說明以及教師篩選整理的精品教學資源鏈接(見圖4)。這一系統(tǒng)可供學生在實驗過程中隨時進入信息空間瀏覽相關資料，提高其信息搜索的指向性。除提供豐富的多媒體資料外，這一系統(tǒng)還可用于收集學生課前預習時存在的疑難問題，便于教師課前掌握學生的學習動態(tài)，從而針對性地進行交流討論。

圖4 近代物理實驗自建信息系統(tǒng)界面

(2) 整合虛擬仿真實驗項目庫。鑒于很多近代物理實驗涉及核輻射、低溫、高壓等極端條件，在教學實驗室中實際開設這些專業(yè)性實驗存在一定困難，使用虛擬仿真實驗代替實體實驗成為一種較為理想的解決方案。依據近代物理實驗課程大綱及選課專業(yè)人才培養(yǎng)目標，對“國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺”上線的70余項物理類、核物理與工程類實驗題目進行測試與篩選，與學校自行開發(fā)的4項虛擬仿真實驗項目整合，形成面向物理、電光、基礎學科拔尖班等不同類別學生的虛擬仿真實驗項目庫，支撐不同需求的學生在信息空間中開展個性化學習活動。

3.1.3 雙空間融合

物理空間與信息空間的建設為學生學習活動給予不同維度的支持，其功能并非彼此割裂，而是存在內在關聯。從環(huán)境心理學角度出發(fā)，通過在實驗室不同功能區(qū)域中設置相應二維碼載體，吸引學生自然過渡到信息空間的對應功能區(qū)，從而實現物理空間與信息空間耦合。例如，在子實驗室的實驗臺面放置相關諾貝爾獎科學家的原始論文及肖像照，引導學生自行掃碼、更深入地學習實驗背景；在隔墻上張貼往屆學生所作的優(yōu)秀海報，引導學生關注、了解并評價朋輩的實驗結果。物理空間與信息空間二者融合的具體形式匯總于圖5。由此構建出具有課程特色的實驗室文化，使學生獲得沉浸式實驗學習氛圍。

圖5 物理空間與信息空間的銜接方式

3.2 教學設計

學習空間環(huán)境建設重塑了傳統(tǒng)實驗室的硬件基礎，進而為教學實驗室應用層面帶來了變革的潛在可能。改造后的近代物理實驗室不僅支持常規(guī)的線下授課模式，同時也為線上以及線上線下混合式授課方式提供便利條件。

3.2.1 對于線下教學形態(tài)的支持

線下授課是常規(guī)教學實驗室普遍應用的教學形式。近代物理實驗課程采用小組式學習方式，學生以2～3人為一組，通過“預習—討論—實驗—討論—報告”的形式進行實驗探究。重構后的近代物理實驗室在各個環(huán)節(jié)體現出“以學生為中心”的核心理念。

(1) 思辨式預習討論。學生在課前訪問實驗信息系統(tǒng)的預習模塊，完成實驗項目預習任務，并以PPT形式完成預習報告。學生進入實驗室，將自己的預習報告向同組同學及教師講解展示，而后對彼此預習報告中的細節(jié)進行辯證性互評，最后教師將存在的預習問題與學生進行深入討論。實驗室提供完備的攝錄設備，將全過程以視頻形式記錄。

(2) 個性化實驗選單。預習討論環(huán)節(jié)結束后，小組根據實驗信息系統(tǒng)提供的任務選單進行選擇。根據項目不同難度，實驗任務可分為基礎性實驗、綜合性實驗和探究性實驗。實驗目標具有層次性，教師根據學生的專業(yè)方向及預習效果進行適當建議，學生可根據自身興趣靈活搭配個性化的實驗內容。在每一個任務節(jié)點完成后，學生小組在師生討論室中與教師分析實驗結果，并確定下一階段實驗方案。最終教師根據實驗完成度、選單難度等內容對實驗過程進行整體性評估。微弱信號檢測實驗項目任務選單(見表1)。

表1 “微弱信號檢測”實驗任務選單

(3) 多媒體作業(yè)考核。目前各高校實驗課程的考核形式多以紙質實驗報告為主，其缺點在于評價方式單一，靈活性不足，容易出現學生機械式摘錄教材甚至抄襲作業(yè)的情況。對于滿足錄制條件的部分實驗，重構后的近代物理實驗室為學生開放多媒體作業(yè)考核的選項。學生在實驗過程中，可以利用實驗室提供的攝錄軟硬件設備將實驗過程中的關鍵實驗步驟、實驗結果進行記錄，最終以視頻的形式提交報告。相比于傳統(tǒng)的紙質實驗報告，視頻報告考核方式涵蓋影像、聲音、文字等多維信息，對于學生的語言表達、團隊合作以及信息整合能力具有良好的鍛煉效果。

3.2.2 對于混合式教學形態(tài)的支持

受益于MOOC技術的發(fā)展，線下教學模式“預習—討論—實驗—討論—報告”的流程可被整體移植至“線上+線下”混合式教學中。其中，預習階段仍由學生在課前通過實驗室信息空間提供的預習模塊完成，討論階段由學生小組與教師在線上會議室中完成。其他學習環(huán)節(jié)在線下完成。

3.2.3 對于線上教學形態(tài)的支持

重構后的近代物理實驗室支持虛擬仿真實驗、實體實驗兩類線上教學活動。對于虛擬仿真實驗，學生可借助信息空間所整合的虛擬仿真實驗項目庫實現“預習—實驗—報告”一站式自主學習，并通過線上會議室與教師隨時保持互動與討論。對于實體實驗，教師與助教可利用實驗室為每個子空間所搭載的計算機及多機位攝像頭完成實驗課程的實時直播。在實體實驗線上教學過程中，學生與教師通過互聯網實時交流，在教師引導下確定實驗方案，并在教師幫助下遠程完成實驗操作。這種教學形式的創(chuàng)新之處在于教師與學生的角色互換，學生藉由教師或助教指引操作實驗儀器、觀察實驗現象并獲得最終的實驗結果。這一過程側重于鍛煉學生分析并處理突發(fā)問題的能力。

3.3 運行管理

學校已為設備、家具、試劑、技術安全等實驗室常規(guī)管理活動建立了統(tǒng)一的信息化平臺。對于這些環(huán)節(jié)，近代物理實驗室嚴格遵照學校要求執(zhí)行相關管理工作。與此同時，重構后的實驗類學習空間還具備“以學習者為本”的管理特征，在實驗信息系統(tǒng)中體現。

(1) 實驗預約模塊。近代物理實驗課程采用定時制與小組預約制結合的選課方式，具有較強的靈活性。學生采用預約制上課，有助于激發(fā)其自主學習意識，引導其合理規(guī)劃自身學習活動。實驗信息系統(tǒng)提供上課預約模塊，方便學生基于其學業(yè)任務靈活確定自己的實驗時間。

(2) 學習檔案模塊。重構后的實驗室可支撐思辨式預習討論、個性化實驗選項以及視頻作業(yè)等多項教學步驟，這些環(huán)節(jié)均以影音文件形式留下歷史記錄，形成覆蓋教學全過程的多媒體檔案，從而全方位刻畫出學生的學習畫像。學生在實驗課結束后可回顧自身的學習檔案，對于實驗成效形成自我評估與反思。

(3) 作業(yè)展示模塊。課程結束后，學生可將自己完成的多媒體作業(yè)上傳至實驗信息系統(tǒng)的作業(yè)展示模塊。經過長期迭代，逐漸形成包含各個年級、不同學生的實驗課程朋輩資料庫。這些歷史積淀采用影音文件方式，真正做到“千人千面”，既杜絕了抄襲實驗報告狀況，也為選課新生帶來較好的引導與激勵作用。

4 結 語

作為一項系統(tǒng)性工程，教學實驗室建設需要教育技術、教育環(huán)境、教學方法等諸多要素的協(xié)同配合，其綜合成效對于高校創(chuàng)新實踐類人才培養(yǎng)具有重要影響。在當前傳統(tǒng)教學空間面臨解構與重塑壓力的背景下，加速推進教學實驗室改革無疑具有迫切的現實意義。

聚焦于學習空間“以學生為中心”的核心理念，圍繞賦能學生學習活動的整體目標，以近代物理實驗室建設為案例，在實驗室空間布局、教學設計、運行管理等層面進行了綜合性探索實踐，從而為教學實驗室適配一流本科教育需求給出一種可操作、可移植的解決方案，亦為實驗類學習空間一般性建設提供研究支撐。