工科大學物理數字化與智能化教學方式探索與方法革新

趙文壘 可汗 韓超

摘要：數字化和智能化信息技術的快速發展，對工科大學物理課程傳統教學方式帶來顛覆性的影響。本文探討在工科大學物理公共課中引入數字化和智能化信息技術，具體包括：設計多樣化的在線課程；構建有效的虛擬實驗環境；實現智能化學習系統；設計可量化的個性化評估方案。數字化和智能化教學方式消除了傳統教學方法對地域和時間的限制，使更多的學生獲得高質量的物理教學資源。這有助于普及大學物理知識，減少了不同地區之間的教學差距，為廣大學生提供了學習機會。

關鍵詞：工科大學物理；數字化；信息化

一、概述

隨著數字化和智能化信息技術的快速發展，社會生活和職業環境發生了深刻變革。互聯網、移動設備和人工智能等新興技術對高等教育課堂教學模式提出了全新的要求和挑戰。高等教育界也面臨著技術創新和教育理念更新的歷史機遇［12］。在此背景下，我國政府制定了一系列有利于高等教育數字化和智能化轉型的政策措施。尤其是2022年1月發布的《“十四五”數字經濟發展規劃》，其中明確提出了推進智能教育發展的戰略目標。此外，全國教育工作會議也制訂了國家教育數字化戰略行動計劃，進一步彰顯了數字化和智能化在推動教育改革與發展中的核心地位。

互聯網和移動設備的普及引發了學生學習方式和習慣的變革［3］。傳統的大學物理公共課教學模式主要依賴于課堂講授和教材閱讀，學生被動地接受知識，缺少與知識互動和實踐的環境，從而影響了學生對物理知識的深層理解。抽象概念的難度使得學生容易失去學習興趣，也使得教師面臨著傳統教學方法的局限性，難以適應不同學生的個性化需求，難以促進學生的主動參與和獨立思考。與此同時，數字化和智能化信息技術的快速發展對教育產生了深遠影響。虛擬現實、人工智能［4］和在線教育［56］等新型工具和平臺為傳統的課堂教學提供了新的可能性和挑戰。在這一教育方式變革浪潮中，工科大學物理公共課也面臨著教學方式和方法的創新需求。

工科大學物理是高等教育體系中重要的基礎課程之一，既能夠提升學生的科學素養，又為培養創新能力和科學思維奠定基礎。然而，傳統的物理教育方式和方法已很難適應現代學生的需求。物理課程中抽象概念和復雜公式使得學生難以理解并逐漸失去興趣，而傳統課堂中單向式的知識傳授也難以滿足不同學生的個性化需求，難以激發他們主動參與和獨立思考的積極性。相比之下，數字化［7］和智能化技術為大學物理公共課教育帶來了新的機遇和挑戰，它們不僅開拓了教學方式和方法的新領域，還為提升教育質量、擴大教育覆蓋、培養創新人才提供了新途徑［8］。基于此，本文將重點探討工科大學物理公共課如何進行數字化和智能化的教學方式與方法的改革與創新［911］。我們的主要方案是：（1）設計多樣化的在線課程；（2）構建有效的虛擬實驗環境；（3）實現智能化學習支持；（4）可量化的個性化評估方法設計。我們的目的是增強學生的學習效果，以期培養具有創新思維的科學人才。本文的探索為未來工科大學物理公共課的教學方法的發展提供了有益的借鑒和參考［12］。

二、數字化、智能化條件下教學方式方法

（一）設計多樣化的在線課程

我們按照傳統教學習慣，把工科大學物理分成力學、熱學、電磁學和光學四個模塊。每個模塊涉及多個教學主題，在每個主題中涵蓋豐富的知識點。我們針對每個知識點設計視頻講解、圖文資料、習題練習，同時盡可能地插入實驗演示視頻。此外，我們采用混合式教學法，結合同步和異步的在線教學方式。同步教學主要通過網絡直播平臺進行，教師可以實時與學生互動、解答問題、進行討論和測試。異步教學主要通過網絡教學平臺進行，教師可以上傳視頻、資料、習題和實驗等內容，供學生自主學習和復習。同時，教師還可以通過網絡教學平臺發布作業、評價和反饋、跟蹤學生的學習進度和效果。

以光波干涉現象為例，我們分析了知識特點，對課程采用了多樣化教學設計，包括以下幾種教學方式：（1）視頻講解。運用動畫、圖解、公式等手段，闡述了干涉現象的原理和規律。（2）圖文資料。提供相關的背景知識、歷史發展、實際應用等信息，拓展了學生的視野，激發學習興趣。（3）習題練習。設計了不同難度和類型的習題，包括選擇題、填空題、計算題、簡答題等，檢驗了學生對干涉現象的理解和運用。（4）實驗演示。利用簡單的器材，如激光筆、雙縫片、鏡子、肥皂泡等，展示了不同條件下的干涉現象，并讓學生觀察并記錄實驗結果。

本課程旨在讓學生掌握大學物理的基本概念、原理和方法，培養學生的物理思維和創新能力，激發學生對物理學的興趣和熱情。在數字化背景下，本課程采用多樣化的在線教學活動，適應不同學習風格和層次的學生，提高課程內容的吸引力和互動性，促進學生靈活運用所學知識解決實際問題。我們采用多元化的評價方式，包括過程評價和終結性評價。過程評價通過同步教學中的測試、討論和互動，以及異步教學中的習題、作業和實驗等方式進行，及時檢測和反饋學生的學習情況，幫助學生發現和改進不足。終結性評價通過期中考試和期末考試進行，綜合考核學生對大學物理的掌握程度和應用能力。

（二）構建有效的虛擬實驗環境

虛擬實驗不需要大量昂貴的實驗設備和耗材，有助于降低學習成本，為復雜的和高成本的物理實驗提供了一個高效的學習平臺。該仿真平臺消除了傳統大學物理實驗的時間和空間限制，可以讓學生在靈活的時間和地點訪問虛擬實驗室，并在仿真環境中獲得高質量的實驗體驗，增加了學習的靈活性。此外，虛擬實驗環境可以根據學生對學術的專業性和學科的不同需求進行量身定制，為他們提供個性化的學習體驗。這樣，學生可以根據自己的興趣探索實驗，并輕松共享虛擬實驗資源。這種資源的可復制性有助于提高教學資源的利用率，讓更多學生和教師受益。

虛擬仿真環境需確保實驗結果的準確性和教學效果的有效性，因此，構建有效、逼真虛擬實驗環境是核心問題。為了實現這個目標，我們采取以下方案：（1）軟硬件設備。我們采用高性能的計算機，保障運行復雜的虛擬實驗軟件和模擬實驗中的各種物理現象。（2）實驗過程指導。我們在虛擬實驗環境中應提供詳細的實驗指導，包括實驗原理、目標、步驟、所需儀器和材料清單以及注意事項。（3）評估與反饋。我們提供有效的評估機制，包括測驗、報告和實驗結果分析等。通過高質量評估策略及時糾正錯誤、改進學生的技能，讓他們更好地理解物理原理，鼓勵學生深入思考和探索。

（三）實現智能化學習系統

智能化學習系統可以根據學生的基礎層次和學習風格提供個性化的建議和資源，有助于滿足不同學生的需求，提供更具針對性的學習體驗。智能系統還可以提供即時反饋，幫助學生了解他們的學習進展，并根據平時測試表現調整學習策略，有助于糾正錯誤，提高學習效率。此外，智能系統可以收集和分析學生的學習數據，識別學生的弱點和優勢。基于此，提前干預學習方案，以確保學生順利完成課程學習。數字化和智能化科技為學生提供了多樣化的學習資源，包括交互式教材和視頻等。通過數字化平臺，學生可以訪問來自世界各地的教育資源和課程，從而拓寬他們的學術視野，提升國際化能力。

我們借助智能化技術，為學生提供個性化的學習方案，以滿足不同學生的學習需求，增強學習效果，具體實施方案包括以下幾個方面：（1）利用人工智能技術，如機器學習和自然語言處理，開發智能學習系統。這些系統可以根據學生的學習進度和能力，提供個性化的學習資源和建議。（2）利用大數據分析技術深入了解學生的學習情況，并為教師提供有效反饋。這種數據驅動的反饋機制可以幫助教師對學生進行個性化指導，并增強課堂教學的效果。（3）開發智能診斷工具，根據學生的測試成績和作業完成情況，快速診斷出他們在哪些方面存在困難，并為教師提供相應的教學建議。這有助于教師更及時地應對學生的學習需求，為學生提供更好的學習體驗和更好的學習成果。

（四）設計可量化的個性化評估方案

為了更好地增強教學效果、滿足學生的個性化需求、激發學生學習興趣，我們構建一種可量化的個性化評估方案，旨在更全面地評估學生的學習表現和要求，精細調整和優化教學方式和方法。本研究提出了以下評估方法：（1）通過智能化測試為學生量身定制測驗內容，根據其知識水平和學習進度智能地調整題目難度，以確保測驗的精確性和適切性。（2）采用問卷調查和學習日志分析的方法了解學生的學習偏好和興趣領域，為學生提供個性化的教學資源，從而更好地滿足他們的需求。（3）針對教學方式和方法的改革創新，我們采用虛擬平臺為學生制定個性化的教材內容，以滿足他們的特定需求。通過數字化技術，提供虛擬實驗和模擬活動，促進學生的實踐能力培養和深度理解的提升。

設計可量化的個性化評估方案具有極其重要的作用，其重要性體現在以下幾個方面。在信息時代，數據的重要性不言而喻。量化評估為學校和教師提供了的重要信息，有助于更好地配置資源和優化教學方法。可量化的評估方案允許教師客觀地衡量學生的學習進度，為教學提供了科學依據，有助于準確識別學生的強項和需改進之處。個性化的評估方案能夠幫助教師了解每個學生的學習習慣、興趣和需求，為他們提供針對性的支持和指導，進而提高每個學生的學習效率，減小差距。總之，設計可量化的個性化評估方案在教學中具有不可或缺的重要性。它為教育提供了數據支持，有助于提高教育質量、促進學生個性化發展，同時也對教學方法的制定和改進起到促進作用，推動教育的不斷進步。

三、結論和展望

本文針對工科大學物理數字化和智能化教學方法探索問題提出若干解決方案，為學生提供個性化的學習平臺，期望滿足學生的不同需求。

通過數字化教學方式可以提高學生的學習興趣和參與度，進而提高教學效果和質量。數字化和智能化的教學方法也為教師提供了教學設計和評估教學效果的工具，幫助教師更好地定制教學內容，監控學生學習進展，并根據學生的反饋數據調整教學策略。這種方式可以提升教師的教學輔助功能，讓教師能夠更好地為學生提供幫助。此外，數字化和智能化的教學方式打破了傳統教學方法的時間和地域限制，實現遠程教學和在線學習。這種方式拓展了教學的范圍，讓更多的學生受益于高質量的教育資源。它有助于減少資源分配的不均衡，為偏遠地區學生提供優質學習機會，增加教育的受益面。總之，數字化和智能化的教學方法改革，為現代工科大學物理教學提供了一種新的有效方法，從而滿足不同學生的需求，提高教學質量，并縮小教育差距。

本文的教學方法改革具有較大必要性，首先，它能夠提高教育的質量和效率，滿足不同學生的學習需求，促進自主學習和創新思維的培養。其次，面對信息時代的挑戰，采用新興技術和教育方法可以更好地培養學生的信息素養和數字化能力，增強他們在未來社會的競爭力。最重要的是，這種教改還能夠提高思政教育的效果。思政教育是培養學生綜合素質和思想道德品質的重要任務。教學方法改革為思政教育提供了更廣闊的發展空間。通過多樣化的在線課程設計，可以更好地傳達思政教育的核心價值觀，激發學生的愛國精神和責任感。我們通過構建虛擬教學環境可以培養學生的批判性思維和解決問題的能力。智能化學習系統和個性化評估方案則可以根據學生的思政教育目標提供個性化的支持和反饋，幫助他們更好地理解和踐行思政教育的理念。

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基金項目：本研究論文受到國家自然科學基金（12065009、12365002）和江西省自然科學基金（20224ACB201006、20224BAB201023）的資助

*通訊作者：趙文壘（1981—），男，漢族，山東濟寧人，副教授，研究方向：理論物理。

作者簡介：韓超（2000—），男，漢族，內蒙古包頭人，碩士研究生，研究方向：電子科學與技術；可汗（1999—），男，漢族，湖北黃岡人，碩士研究生，研究方向：電子信息。