虛實結合、多元評價的“物理實驗”教學改革研究與實踐

聶宜珍，魯廣鐸，熊 偉，周 芹

（三峽大學 理學院，湖北 宜昌 443002）

在當今信息化時代，在國家大力發展新工科，大力推進一流本科專業和一流課程建設的今天，高校亟須創建能緊跟時代需求、且能突出教學特色的大學“物理實驗”優質教學模式。隨著互聯網技術在教學中的廣泛應用，許多教師開始研究利用網絡資源提升“物理實驗”課程教學效果［1-4］。項目組在全面調研的基礎上，全盤思考，謹慎實施，從教學形式、教學方法、教學內容、評價模式等多層面對實驗教學模式進行改革，將線上教學、網絡資源、即時工具與傳統的實物實驗教學相結合，為學生提供多層次教學服務，形成了虛實結合、便捷全面、合理有效、多元評價的“物理實驗”教學模式。

一、教學改革目標

虛實結合多元評價的“物理實驗”教學改革，以學生為中心，以問題為導引，在教學中有機地融合知識、能力和素質，期望達到多形式、可并行、強互動、全天候的學習過程。課前采用線上模式，教師通過交互平臺對每個實驗給出引導性思考，引導學生在仿真實驗平臺提前熟悉實驗手段，促進學生自主擴展學習實驗的相關背景、理論及不同解決方案等；課中線上線下相結合，通過課堂翻轉將知識內化，加強能力培養與鍛煉；課后通過互動平臺收集學生反饋，給出進一步的學習建議。

通過高階性課程教學設計，創新性教學方法，適當拔高的課程內容；通過富有挑戰性的考核模式，加強物理知識的應用與專業的結合，加強理論聯系實際，從而實現學習興趣濃厚、學習方式靈活、學習內容豐富、學習效果良好的課程教學改革目標，以適應“互聯網+”時代對人才的要求。

二、教改流程簡介

教學改革班授課對象為自愿報名參與教學改革的學生，每班40人，分為A、B兩輪，每輪20人，每人一套實驗儀器。每輪實驗的20人分為兩組，每組推選一位組長，由組長組織小組成員完成課前要求及課中講解。項目組教師大膽改革、謹慎實施，教改流程簡介如下：（1）項目組教師定期討論交流，集體備課，不斷完善課程的內容、教學方法、課程組織形式，并到國家一流線上線下混合式課程的課堂觀摩取經，教學研究貫穿課程始終。（2）學期初對學生發布本學期教學安排，引導學生在虛擬仿真實驗云平臺對本學期實驗項目進行在線學習、在線操作，使學生了解實驗原理、熟悉儀器結構、掌握實驗內容，為課堂內實物操作做好課前準備。虛擬仿真實驗云平臺可24小時在線，學生可在線多次測試同一實驗項目，實驗時間逐步縮短、得分越來越高。教師通過各種分類統計，實時了解學生學習情況。學生學習不再受時間、場地限制。（3）教師針對下次課的實驗背景和實驗項目特色在每次課前一周給學生發布課前要求，引導學生不僅要夯實基礎知識，更要恰當地對課程內容進行拓展提高。（4）學生課前積極準備，上傳小組課件，師生在QQ群中互動交流，修改完善待講解的課件，討論虛擬仿真實驗中遇到的問題。（5）課中，學生自主講解分析課程主要內容，分享自己拓展所得，師生互動，拓展內容通常涉及科技前沿、時政、技術應用，激發學生學習興趣；學生講解、討論，教師引導、點評，并利用課堂派小程序互動答題，實時檢驗學習效果。討論講解完畢，學生每人一套儀器獨立實操，完成實驗內容，教師根據學生的操作情況給出操作分，課程評價方式更為多元。（6）改進考試方式，在操作考試中加入線上限時答題，不僅考核內容更全面，而且利用課堂派等輔助教學工具自動評分和匯總分析，減輕教師閱卷負擔，使教師有更多的時間和精力關注教學本身。（7）期末，項目組針對教改模式和非教改模式編寫兩套調查問卷，分別收集學生反饋，比對分析并解決存在的問題，總結經驗，為更好地進行下一輪教學做準備。

三、教學改革特色

（一）虛實結合，多維度多角度提升教學效果

充分利用現代信息技術進行合理的教學設計，將線上線下教學相結合，課前線上預習；課中線下操作，同時利用課堂派等翻轉課堂工具，師生互動，隨堂做線上檢測；課后QQ群隨時答疑交流，通過互動平臺收集學生反饋，給出進一步的學習建議。從平面教材、到虛擬仿真實驗、再到實物實體操作，幫助學生全方位、多層次認知儀器結構和實驗原理，以學生為中心，多維度提升學習體驗，多角度提升教學效果。

（二）多元評價，多角度多層次進行教學考核

考核方式由線上線下兩部分組成，貫穿課前、課中、課后整個教學過程。課前學生在云平臺進行線上實驗預習和模擬操作，預習成績由虛擬仿真實驗系統自動評判；課中教師根據學生預習成果及課內交流互動情況給出課內交流分，利用課堂派等即時工具評判學生對知識點的掌握情況，并根據實物操作情況給出操作分；課后教師依據學生實驗報告完成情況給出報告分。期末考試在原實物操作考試之外，增加限時線上答題，使考核內容更加全面。學生可自愿參加物理實驗創新設計競賽，在各級競賽中獲得名次后可獲得相應加分。課程考核方式及評定標準見表1。

表1 “物理實驗”課程考核方式及評定標準

四、教學改革成效

（一）教學形式更加豐富多彩

課前資料查詢、線上預習，小組討論；課中師生互動，使學生成為學習的主導者，對課堂的參與程度更深；知識點講解完畢，利用課堂派等翻轉課堂工具，及時了解學生對知識的掌握程度；學生動手實操時，教師關注學生的操作狀態，并適時引導，鼓勵學生積極探討，自主發現并解決問題。

（二）考核方法更為便捷全面

在傳統的物理實驗操作考試的基礎上，在保證學生無法作弊的前提下，加入線上限時答題，利用課堂派即時獲得學生答題情況，使得操作考試與理論考試有效結合，考核方式更加便捷，考試內容更為全面。

（三）學生學習態度更為積極

課程的高階性、創新性、挑戰度，貼合實驗背景和應用的思政引導，這些都開闊了學生的視野，培養了學生的責任心。學生上傳自制課件的時間要求從課前一小時逐漸轉變為課前一兩天，課件逐漸規范和完善，內容也越來越豐富。

（四）學生綜合能力明顯提升

針對不同實驗項目的內容和特點，教師目標明確地給出課前要求，對學生的知識深廣度和能力進行引導，充分體現課程的高階性、創新性、挑戰度。例如，要求學生查找并做PPT介紹高精度或科技前沿裝置、思考測量月球半徑的方法、查找測量螞蟻力量的方法、思考使用萬用表時的注意事項等，有些需要學生查閱專業資料，有些需要學生簡單錄制操作視頻，課前還需要完成相應項目的仿真實驗，學生通過分工合作，學習興趣更加濃厚，各項能力明顯提升。

（五）問卷調查

項目組針對教改模式和非教改模式的兩種教學方式發布了2份調查問卷，答題人數35人的為教改班，答題人數308人的為非教改班（如圖1所示），兩份問卷結果對比發現，教改班學生各項能力較非教改班有不同程度增強。

圖1 教改班與非教改班調查問卷結果對比

五、教學改革中的幾點思考

（一）課前選題重點要突出

教師給學生指定的課前選題應盡量明確。教師可提供部分參考資料，或者明確查找方向，避免學生漫無目的，抓不住重點。例如對邁克爾遜干涉儀的調整及應用實驗，要求學生針對以下內容做課前準備：邁克爾遜-莫雷實驗相關的歷史背景及意義、邁克爾遜干涉儀的光路分析、等傾干涉與等厚干涉的現象及區別、如何辨別動鏡是移向還是遠離定鏡、介紹1～2種高精度或科技前沿裝置；對弦振動的研究實驗，要求學生針對賽格大廈晃動的物理解釋、弦振動在生產生活中的應用、弦線密度測量公式的推導、如何測量弦線張力等內容做課前準備。

（二）內容需緊扣“兩性一度”

教學中對學生的知識深度、廣度和能力進行引導，充分體現課程的高階性、創新性、挑戰度。例如在密度測量教學中，引導學生思考如何測量極大物體如月球的半徑、天體的密度，微小量的測量中如何測螞蟻的力量，折射率的應用中如何鑒定珠寶，弦振動中橋梁共振頻率的計算方法，太陽能電池特性中基于太陽能的房車供電系統設計等。

（三）課程思政應無縫對接

例如在太陽能電池特性及應用實驗中，將太陽能電池的研究與雙碳、節能減排相結合；在以精密操作為主題的分光計實驗中，學生課前自行準備了高精度光刻機內容講解，提示學生將該內容與華為芯片事件結合，將FAST（天眼）等中國制造與世界發展結合，激發學生的學習興趣和主人翁意識。

（四）教學過程虛實互補交融

課前采用線上模式，教師通過交互平臺對每個實驗給出引導性思考，引導學生提前熟悉實驗手段，促進學生自主擴展學習實驗的相關背景、理論及不同解決方案等；課中線下模式與實時的交流互動相結合，通過課堂翻轉將知識內化，加強能力培養與鍛煉；課后通過互動平臺收集學生反饋，給出進一步的學習建議。

（五）學生能力參差不齊，教師必須及時給出相應的引導

對能力較強的學生，提出更高階的要求，增設更加富有創新性、挑戰度的內容，引導他們走得更遠。對基礎較薄弱的學生，立足于課堂內教學內容，引導他們學得更穩固。

（六）學生學習態度不一，教師必須增強課程吸引力

例如在液體表面張力系數的測量實驗中，讓學生自帶實物演示多種表面張力現象，讓學生自行準備多種不同品種或不同濃度的液體進行對比測量；弦振動的研究實驗中，鼓勵弦樂愛好者攜帶弦樂器現場演示解說。在課前引導與實驗中結合思政元素，結合生活實際應用，結合科技前沿發展，多方面提高學生的學習興趣，引導學生主動參與學習。