“大物理”教学体系下“互联网+”虚实结合实验教学改革与实践

戴朝卿, 赵丽华, 吕卫君, 汪小刚

(浙江农林大学 理学院, 浙江 临安　311300)



“大物理”教学体系下“互联网+”虚实结合实验教学改革与实践

戴朝卿, 赵丽华, 吕卫君, 汪小刚

(浙江农林大学 理学院, 浙江 临安311300)

结合农林及生命科学实际情况,在整个大科学概念下确定农林院校物理实验课程的目标与定位,打通课程壁垒,整合实验教学资源,构建实施以物理学为核心、以相关专业和应用学科为延伸的公共“大物理”平台下的物理实验教学新体系,实现“互联网+”的实验教学内容以及教学过程的虚实结合。初步实践表明,教学改革强化了公共基础课程在学生专业发展及个性养成中的作用,突出了专业人才培养的针对性、适应性和应用性,提高了教学质量与学生学习效果。

“大物理”教学体系； 互联网+； 虚实结合； 物理实验

物理类实验对培养学生科学素养和提高学生科学实验能力、创新能力有着重要的作用[1]。20世纪80年代,国际上纷纷涌现大学基础物理教学改革浪潮,著名的是1987年美国物理学会、美国物理教师协会共同发起的美国国家科学基金委员会支持的“大学基础物理学规划”[2]。近几年来,国内一些知名重点大学,如清华大学、中国科技大学、复旦大学、东南大学、北方交通大学等也对物理实验课程进行了教学内容、教学体系、教材建设、教学方法和教学手段等各方面的改革和探索,积累了很多成功的经验[3-5]。目前,我校已从一所纯粹农林院校发展成为一所以农林学科为特色,涵盖农、工、管、文、理、法、经、医、艺等九大学科门类,在校生逾两万人,具有本科和研究生办学层次的多科性大学。我校物理实验课程也进行了大力的教学改革[6-9],物理实验教学中心也已成为省实验教学示范中心。但目前物理实验课程仍不能很好地适应我校人才培养要求,实验课程内容相互脱节,缺乏统一规划的教学体系，教师对学生个性化指导深层次交流不够,学生创新能力培养欠缺。围绕我校“以生态化教育理念[10],构建以社会需要为导向、学生发展为目标的多样化人才培养体系,注重培养学生的生态文明意识、创新精神与创业能力”的人才培养要求,结合农林及生命科学实际情况,在整个大科学概念下确定农林院校物理实验课程的目标与定位,打破实验室原有的条块分割,打通课程壁垒,整合实验教学资源,从课程体系、教学内容、教学方法与手段、教学效果等方面入手,进行了各种改革。

1　构建实施物理实验教学新体系

坚持以生为本,打通课程壁垒,合理统筹、规划、整合实验室资源,探索以物理学为核心、相关专业和应用学科(生物物理、环境物理、高分子物理、电工电子技术等)为延伸的公共“大物理”平台下的物理实验教学体系(见图1),注重第二、三课堂与第一课堂教学内容与育人活动的联动。

图1　公共“大物理”平台下实验教学体系

构建以“三层五模”为核心、“两个平台”为载体多课堂联动的大学物理实验教学体系,注重教授物理所涉及到的先进技术和有专业代表性的成果。使“公共基础平台”中的“基础性-综合性-探索性”实验三大层次的物理实验更好地衔接中学内容,使学生适应从基础教育向高等教育的转变。精选力、热、电、光以及农林五大“专业提高模块”的实验内容,衔接“大物理”相关应用学科延伸的专业课程,实现分类教学,使学生适应从公共基础学习到专业学习的转变。如对农林、生物类专业学生,增加物理知识在现代农业与生物学中的应用和液体表面张力的测定、光谱分析等实验,让学生了解现象背后的物理规律,激发学习物理的兴趣,衔接生物物理、环境物理等专业课程学习。

构建“自主开放学习平台+多重交互自学平台”两大平台为载体的开放式第二课堂。借助“自主开放学习平台”,注重不同层次的开放实验项目与第一课堂教学内容联动。建设由“实验导学软件”、“虚拟仿真软件”、“实验规范操作视频”和“教学互进系统”组成的课前、课中、课后“多重交互自学平台”。

深入研究与相关应用学科对应的专业物理实验,强调专业技能的熟悉和掌握,分流培养科研型和应用型人才,以达到创新创业型人才的培养目标。专业实验基于“大物理”概念来建设,是近代物理实验向专业学科的延伸和扩展。“大物理”的概念下的专业实验立足物理基础,面向机械设计、木材工程、高分子材料、生物科学与技术、环境科学、环境工程、电子信息、计算机等应用专业开设高分子物理、生物物理、环境物理、电工电子学、电工电子技术基础等相关实验课程。

注重学生的科研训练,紧跟科学研究前沿,加强学生科研能力的培养,同时适应各应用领域对与生产相联系的实用技术的需要,加强学生技术研发能力的培养。针对不同专业的特点,中心采取多样化的培养模式。学生自主设计科研型实验,开展结合科研课题的实验研究,或者是实验仪器设备改造,或者实验制作,引导和鼓励学生提出新的实验项目。学生经过选题、调研、拟定实验计划、制订方案与技术路线,以及实验室初步审查后进行答辩,接受教师与同学的提问。经课程教师组确认后进入实验室开展工作。实验中心提供所需实验设备。

2　基于“互联网+”的虚实结合的实验教学

2.1仿真实验和真实实验内容串接

公共“大物理”实验教学体系是以物理学为核心、以相关专业和应用学科为延伸的新型实验教学体系。大学物理实验与专业实验间存在知识内容的断层,开发虚拟仿真实验来修补这些知识的断层成为最佳解决方案。深层次分析真实实验模块知识点间的联系,用仿真实验串接真实实验模块知识点,保障“专业提高模块”中的实验层层递进、螺旋式上升设计思想的实现,使虚拟仿真实验在大学物理真实实验与专业真实实验间起到知识桥梁作用(见图2),加强学生创新能力的培养。

图2　公共“大物理”实验教学体系下实验内容虚实结合

以对机械设计、电子信息等专业学生开设的示波器模块实验为例,阐释公共基础与专业基础实验教学的联系与互补。这些专业的学生后续学习“电工学”、“模拟电子线路”等课程,而传统“大学物理实验”课程中由于实验课时限制,基础性实验“示波器的原理和使用”不能满足学生对知识的要求。学生除熟练使用示波器测频率和幅度,还需对相位深入认识。因而在示波器模块里拓宽教学的广度和加深教学深度,从实验“RC电路相频特性的研究”到“RLC串联谐振电路的研究”,难度逐步加深,而利用示波器测两个正弦波的相位差这个知识点也循环反复应用。设计性实验“用示波器测量电容的设计与实现”中，学生利用示波器测量相位差或电压大小的方式测量一个未知电容的大小,这样学生可以开拓思路,灵活应用所学实验方法,并且和“电工电子技术”课程相关知识建立衔接。

精选模块知识内容,注重模块知识的系统性和任务型学习,衔接专业课程,解决学生从公共基础学习到专业学习的转变,突出能力培养的适应性问题。每个模块具有独立性、系统性、层次性和专业倾向性,各模块知识层层递进、螺旋式上升,按照基本操作(做实)-应用仪器(学活)-探索设计方案进行创新实验(探究)3阶段实施,突出学生能力的培养过程。专业提高实验模块充分开发利用仿真实验,实现实验内容的虚实结合。图3 展示了光学模块中“光谱分析与应用”实验模块教学内容的虚实结合过程。

2.2基于互联网+实现教学过程虚实结合

利用自行研发的导学软件、虚拟仿真、教学视频、教学互进系统和BBS论坛等互联网+的网络化教学资源及实验室门禁与教学监控等现代化教学管理体系,进行课前预习自学、课堂教学研讨、课后反馈拓展的“一体两翼”实验教学(见图4),实现教学过程的虚实结合。以课堂为主体中心,课前、课后为两翼,“中心”带动“两翼”齐飞,三者紧密结合解决学生适应素质的培养和适应能力的培养等问题。

3　结语

公共“大物理”教学体系下虚实结合的物理类实验教学改革与实践非常必要。该教学改革使公共“大物理”概念下的实验教学过程成为有机生态整体,强化了公共基础课程在学生专业发展及个性养成中的作用,突出了专业人才培养的针对性、适应性和应用性,提高教学质量与学生学习效果。从一个学年的实施情况来看,师生普遍对教学改革举措表示欢迎,学生学习积极性和主动性得到了很大程度的提高,获得了显著的育人成果。近3年来,教师指导的国家、省、校级大学生创新项目超过10项,指导学生第一作者发表的SCI论文超过15篇,学生获得专利超过20项,此外,学生还获得了省“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖、省大学生物理科技创新竞赛一、二、三等奖等各类奖项。

图3　实验教学内容虚实结合

图4　实验教学过程的虚实结合

References)

[1] 钱锋,熊宏奇,叶善专.物理实验课程“多重交互”教学模式的创建与实践[J].中国大学教学,2009(11):31-32.

[2] 赵佳,恽瑛.大学基础物理学规划第三次通讯[J].国际物理教育通讯,1989(4):8-12.

[3] 董有尔,郜江瑞,王彦华,等.四种教学模式连动,全过程开展研究性物理实验教学[J].实验技术与管理,2012,29(5):6-9.

[4] 张春平,初建崇,胡慧.大学物理实验多元化考核方式的探索[J].实验技术与管理,2015,32(4):223-225.

[5] 戴玉蓉,熊宏齐,张远明,等.贯彻通识教育理念构建新生引导性实验实践课程[J].中国大学教学,2012(2):71-73.

[6] 赵丽华,戴朝卿,王悦悦.大学物理实验生态化教学新体系的探索与实践[J].实验技术与管理,2013,30(5):167-170.

[7] 戴朝卿,赵丽华,汪小刚.农林院校物理实验课程学习过程监控及测评体系探析[J].实验技术与管理,2015,32(6):208-210.

[8] 戴朝卿,赵丽华,储修祥,等.地方农林院校物理实验教学示范中心建设实践[J].实验室研究与探索,2011,30(12):87-89.

[9] 戴朝卿,赵丽华,储修祥.农林院校大学物理实验第二课堂建设初探[J].物理与工程,2009,19(3):48-50.

[10] 陈敬佑.建设可持续发展的生态大学[J].教育,2007(11):35.

Reformandpracticeof“Internet+”andvirtual-actualcombinationofphysicsexperimentalteachingbasedonteachingsystemofgeneralizedphysics

DaiChaoqing,ZhaoLihua,LüWeijun,WangXiaogang

(SchoolofSciences,ZhejiangA&FUniversity,Lin’an311300,China)

Consideringcurrentsituationofagriculture,forestryandlifesciences,thegoalofphysicsexperimentinagriculturalandforestryuniversitiesisestablishedbasedonconceptofgeneralizedphysics.Aftergettingthroughthecoursebarrier,andintegratingexperimentalteachingresources,anewsystembasedonconceptofgeneralizedphysicsisestablished,which,takingphysicsascoreofinthenewsystem,extendstotherelatedapplieddisciplines,andthevirtual-actualcombinationofteachingcontentsofphysicsexperimentsbasedonInternetisrealized.Preliminarypracticesindicatethatthesereformsstrengthentheroleofpublicbasiccoursesinthestudents’professionaldevelopmentandpersonality,highlightthepertinence,adaptabilityandapplicationofprofessionalpersonneltraining,andimproveteachingqualityandstudents’learningeffect.

teachingsystemofgeneralizedphysics;Internet+;combinationofsimulationandreality;physicsexperiment

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.054

2015- 11- 08

全国教育信息技术研究“十二五”规划课题(146241639)；浙江省教育厅科研项目(Y201225628)；浙江省高校实验室工作研究重点项目(ZD201403)

戴朝卿(1980—),男,浙江金华,博士,副教授,研究方向为实验教学、管理与研究.

E-mail：dcq424@126.com

G642. 0

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1002-4956(2016)5- 0205- 04