基于MOOCs的大学物理实验教学改革

蔡 青， 胡永金， 李星星， 吴云沛

(湖北汽车工业学院 理学院，湖北 十堰 442002)



基于MOOCs的大学物理实验教学改革

蔡 青， 胡永金， 李星星， 吴云沛

(湖北汽车工业学院 理学院，湖北 十堰 442002)

针对传统大学物理实验教学存在的问题，提出了基于MOOCs的大学物理实验教学改革方案。该方案以学生自主学习为主，教师指导为辅的教学指导思想，以“网络微课视频+网络互动+面授”为核心的改革思路，以微课视频、在线测试和互动以及实验拓展知识学习为辅的先进教学手段，实现对大学物理实验教学改革。通过在物理实验教学课堂中的应用，该改革方案不仅激发学生的学习兴趣，而且提高学生自主学习的意识和创新能力，取得良好的教学效果。

大学物理实验； 慕课； 微课； 教学改革

0 引 言

大学物理是高校理工科学生的必修基础课程，大学物理实验作为该课程的验证性课程不但让学生所学知识能够理论联系实际，而且对于培养学生的动手能力、分析问题和解决问题能力以及创新能力都有重要的作用[1]。传统大学物理实验课程的教学模式主要是：预习、实验操作、实验报告、课后作业、教师评分。主要存在的问题是：实验教学内容陈旧、跟不上时代发展的步伐，实验教学手段落后单一、现代化教学技术应用不足[2]。因此，如何通过改变传统的教学模式来提高物理实验教学质量以激发学生的学习积极性和创造性是目前高校物理实验教学亟待解决的问题。

目前，全国各高校针对自身的特点和实际情况提出了多种物理实验教学改革的方案，总结起来主要有以下几种改革方案：①实验教学内容的改革，主要是修改实验教学的大纲，引入贴近实际生活的创新实验和综合性实验激发学生的学习兴趣和积极性[3-4]。②实验教学手段的改革，合理安排实验教学的各个环节，引进多媒体、网络和智能仪器设备来改善教学质量和效果[5-6]。但是这两类教学改革仍然没有改变以老师教和学生被动地学传统模式，学生思维仍然被限制在教师预定的模式下进行，同时现代化先进技术手段的应用很多时候适得其反不是激发学生的兴趣，而是滋长学生的惰性。

针对以上提出的各种改革方案，本文从自身学校的特点和实际情况出发，提出了基于MOOCs[7]的物理实验教学改革方案。该方案将MOOCs这种新的教学模式与传统教学相融合，实现了一种新的教学模式：“网络微课视频+网络互动+面授”。改革的主要思路是：①课前将翻转课堂引入实验教学[8]。课前学生可以利用“碎片化”的时间通过观看视频进行实验原理和操作部分的预习，并且学生还可以利用网络平台进行师生及生生之间在线交流、学生自测和互评。培养学生的自主学习能力[9]。②课堂上老师不再进行实验原理的讲解以及操作部分的演示，而只进行答疑解惑，实现一对一的指导，协作学生完成实验，培养学生的独立探索能力。③课后，学生除了完成和提交实验报告外，可以通过网络平台观看实验的拓展视频，回答课堂预留的扩展问题以及进行实验经验交流和心得分享，教师可以根据网络平台中活跃度对学生进行一定的奖励。课后的安排不但进一步增强学生的学习兴趣，而且培养学生独立思考的能力。该教学改革方案经过在本校的物理实验教学中实践，取得了较好的教学效果。

1 总体的改革方案

本文提出的物理实验改革设计方案如图1所示，主要分为3个部分，①课前预习环节，主要是观看微课视频；在线测验、讨论交流；机器评分和学生互评。②课堂实验环节，主要是教师辅助下学生独立完成实验。③课后复习巩固环节，主要是完成实验报告；在线互动实验心得体会；学习实验拓展资源以及激励机制。

1.1 课 前

课前预习是教学非常重要的环节，做好课前预习不但能够培养学生的独立自主学习能力，而且为后续的课堂实验提供了有利保障。实验课实践性较强，操作类的知识需要反复练习才能熟练掌握。传统的大学物理实验教学模式下学生通过阅读教材进行预习，学生对实验仪器的了解不够直观，也无法通过反复操作增加实验操作的熟练程度。MOOCs模式下大学物理实验教学改革让学生在课前根据自己的时间规划和学

图1 物理实验改革设计方案结构图

习习惯观看微课视频进行预习，把握学习进度。通过观看微课视频进行实验原理、实验仪器介绍、操作演示、现象演示等内容的学习。通过观看“实验仪器介绍”视频可以直观地了解仪器的构造原理，调节方法以及实验现象，既降低了学生对文字理解的难度，又增加了感性认识[10]。通过观看“操作演示视频”掌握实验操作过程、步骤。观看“现象演示”、“实验要领”能帮助学生顺利地解决操作过程中出现的问题，使实验完成率得到提高从而提高了学生的自我效能感。学生可以下载微课视频到移动端反复观看，加深印象。课前，学生也可以通过网络使用在线“仿真实验”，在虚拟的实验室里进行实验操作的练习，仿真实验仿真性较强，不受时间和空间的限制，学生可以随时随地进行操作部分的练习。

1.1.1 微课制作

首先，微课教学以短为特色，时长一般是5～10 min，资源内容较小，一段微课只讲授一个知识点，并标注内容主题[11]，学生可以有选择地重复观看自己需要的内容。微课不仅具备视频资源的优势亦可以有效降低学习者的认知负荷。在进行视频制作时应该注意微课具备的独立性、完整性、示范性、代表性创新性的特点[12]。此外，视频制作应该遵循微课设计的核心：①设计思路应以学生中心。②课程设计注重内涵，规范化精细化。③将课程内容进行分解，合理切分知识点，一个知识点一个视频。④尽量使用丰富的启发性素材。改革后的大学物理实验教学将老师课堂讲授的部分精心制作成微课视频。MOOCs教学模式下微课的设计必须支持和促进学习者个性化学习，帮助学生顺利完成实验。下面以迈克尔逊干涉仪实验为例，详述微课制作内容以及制作重点。见表1。

迈克尔逊干涉仪验目的是了解迈克尔逊干涉仪结构、原理及调节和使用方法；观察等倾干涉条纹，学会测量He-Ne激光的波长；学习测定钠光双线的波长差。首先，将教学内容分成：①实验原理与应用、②实验仪器介绍等4个知识点录制长5～6 min的视频片段。不同的教学内容视频制作重点也不一样，在迈克尔逊干涉实验中，由于视频中需要展示光路图方便学生理解实验原理，这一部分的视频以动画的方式展示最为合理。学生觉得生动有趣，便于对知识的理解和记忆。在“实验仪器介绍”的视频中，视频除了要展示真实的实验仪器，更需要将仪器的局部进行放大，以便学生更好的观摩，增加学生对实验仪器的熟悉程度。

表1 迈克尔逊干涉仪实验微视频的设计

1.1.2 线上互动环节的设计

MOOCs是由微课视频、互动、在线测试等要素组成，在线互动是不可缺少的环节。建构主义者认为交互是学习产生的必要条件。互动亦有2种方式：①学生在观看微课视频的过程中通过在线软件进行测试，自查学习情况，检测理论知识的掌握程度。测试的成绩可按比例计入总成绩，提升课程评价体系。互动环节的设计方案如下:在微课视频中嵌入各种小测验(通关游戏)，要求做出第一个试题才可以继续观看视频然后再进行测试。学生在观看完视频后，可以进行模拟测验，检查这一部分知识的掌握程度，测验结果由机器评判或同伴互评。②MOOCs教学模式下除了提供视频资源、文本材料和在线答疑外，还为学习者形成交互性社区，建立交互参与机制。学生观看视频的过程中通过“弹幕”浏览器以及各种社交平台与教师及学生讨论互动协作学习。在线讨论可以增加学生的参与度，提高对大学物理实验的兴趣，并加深了对实验内容的理解，提升了学习效果。同时，学生可通过弹幕及社交平台寻找到有共同兴趣爱好的人，搭建有有共同兴趣的学习圈，协作学习[13]。

1.2 课 堂

传统课程教学中，教师提供的资源和活动往往先定了知识传授与学生探究的边界，学习者学什么和怎么学都是预先计划好的。传统的物理实验教学由老师讲授、学生学习的模式难以提升实验的效果，学生的兴趣也得不到激发，更压制学生的创造性。“网络微课视频+网络互动+面授”的教学模式下将传授知识过程放在课外，知识内化的过程放在课堂上，学习变得更自主，更能启发学生学习的兴趣。课堂上教师是课堂的组织者不再是知识的讲解和传授着，出现比较多的问题进行讲解教师着重讲解学生在线讨论最多的问题和测试中错误率最高的问题，并引导学生进行课堂上讨论[14]。讨论结束后，由教师提供理论进行总结。然后，教师抛出若干预设的问题让学生思考例如“迈克尔逊干涉仪的调整及使用”实验内容要求学生记录实验数据和理论数据。绘制频率—理论波长和实验测试波长的变化曲线，并进行分析讨论。从数据表中可以看出频率—理论波长变化曲线，理论波长与频率成反比，符合公式c=1/f，而测试波长大体趋势也是与频率成反比，但可见存在误差。存在的误差是由哪些因素组成的，留给学生去思考。学生带着问题进行实验操作。在实验过程中教师协作学生进行探究性的实验研究和互动交流活动，实现学生个性化学习。在新的教学模式下，学生的主动性和创造性得到提升。

1.3 课 后

1.3.1 实验报告与思考题交流

在这个环节中学生合理处理实验数据，写出完整的实验报告。思考题既可以由学生独立思考完成，也可以在平台上在线互动交流。并且利用网络平台寻找相同兴趣的学生，特别是同时修同一实验项目的学生，自行组成学习小组，自行安排网上学习交流和面对面互动。学生可以通过相互讨论获得其它更多的想法和其他人思考和解决问题的方式，对拓展思维的全面性十分有帮助且充分发挥了学生的主观能动性。

1.3.2 实验心得分享和总结

对实验心得分享和总结也是比较重要的环节。首先，学生在实验操作的过程中总会遇到困难和障碍，这些困难和障碍是如何解决的、如何克服的，每个实验的完成技巧是什么，善于学习的学生会对此做出总结。其次，各个实验项目有何特点，难易程度，以及与专业课的相关度，学生也会进行交流。通过分享和总结环节，可将上大学物理实验课的学生同时设计为学习者和辅导者。

1.3.3 激励环节

MOOCs环境下的物理实验教学对学生的自制力要求很高。在虚拟学习社区中学习者很容易缺乏自制力、归属感与学习的主动性，需要其具有较高的信息素养、自我效能感、管理能力、调节能力[15]。因此，学生自主学习的积极性需要用奖励和激励来保证。管理心理学把激励看成是“持续激发动机的心理过程”。激励水平越高，完成目标的努力程度和满意度也越强，工作效能就越高；反之，激励水平越低，则缺乏完成组织目标的动机，工作效率也越低。激励的目的在于激发学生正确的行为动机，调动学生的积极性和创造性，以充分发挥他们的智力效应，做出最大成绩。

如何激励学生认真完成实验是一个艰巨的任务。激励的方式多种多样，可以根据自己课程的需要设计不同的激励方案。帮助和激励学习者在自由、自主的学习环境中保持学习动力。例如可以通过在网络或社区里“晒成绩”,“有奖答题”等方式达到奖赏、激励的目的。对于成绩非常优秀的学生，老师采取各种手段进行激励。这种激励要从心理层面满足学生的需求，满足学生的尊重需求、自我实现需求。

1.3.4 拓展环节

课后，学生在完成整个实验环节后可以根据自己的学习兴趣有选择地下载并观看课程拓展资源(课程拓展资源包括教材大纲，素材库。素材库主要包括电子教案、典型例题、学习辅导、习题解答、网络课件等模块)。课后的拓展环节开拓了学生的视野，延伸了物理实验课的外延。

2 大学物理实验改革的效果

MOOCs教学模式是“网络微课视频+网络互动+面授”方法的应用，得到了学校老师和学生的欢迎，提高了大学物理实验课的效率。大学物理实验的教学模式更加合理，注重学生在学习过程中自主性和创新性。这次改革收到了如下效果：

(1) 学生的创新能力提高了，在参加大学物理实验竞赛中学生的制作和论文多次获奖。

(2) MOOCs教学模式下，逐步改变“教与学”的关系，从“以教师为中心”向“ 以学生为中心”转变。

(3) 改革课程评价体系，建立了多元化考核和激励办法。课后的激励措施提高了学生对大学物理实验的热情。改革后的大学物理实验将每次在线测试成绩与平时成绩、期末考试成绩按一定比例计入总评成绩。这样既能反映出学生的真实水平，又能调动学生平时学习的积极性。建立合理有效的考核办法和激励机制，发挥考核对实验教学的推动作用，调动学生积极性，是提高物理实验教学质量的重要环节。

(4) 互动环节加深了教师与学生以及生生之间的互动、交流。自主交流和互动，营造轻松愉快又具有吸引力的学习氛围和环境。

3 结 语

针对目前大学物理实验教学存在的问题，本文提出了基于MOOCs的大学物理教学实验改革。该改革方案主要的工作有：①将实验教学的指导思想转变为以学生学习为主，教师指导为辅。②将MOOCs这种新的教学模式与传统教学相融合，实现了一种新的教学模式：“网络微课视频+网络互动+面授”。③实现了简单实用的微课视频，并搭建了实验教学互动平台以及测试系统。该改革方案经过在本校实验教学中应用，不但激发了学生的学习兴趣，还培养了学生独立自主的学习能力和创新意识，取得了良好的教学效果。

[1] 杨九民，邵明杰.基于微视频资源的翻转课堂在实验教学中的应用研究[D].武汉：华中师范大学，2014.

[2] 秦艳芬.基于卓越工程师培养的物理实验教学改革与实践[J].高等工程教育研究，2013(3)：172-176.

[3] 刘 洋.资源共享思维下应用文科专业实验教学改革探析[J].实验技术与管理，2015，32(11)：97-201，205.

[4] 蔡 鹰.论高校学生实验基础能力的培养[J].实验技术与管理，2015，32(10)：97-201.[5] 魏绍蓉，王晓英，刘志强，等.基于E-learning的混合式教学模式研究[J].实验技术与管理，2014，31(12)：20-22.

[6] 王德利，汤海峰，孟 威，等.数字化实验教学平台的构建[J].实验技术与管理，2014，31(12)：152-154.

[7] 贺 斌.洞察MOOC之“道”[J].网络教育与远程教育，2014(12)：41-49.

[8] 卢 强.翻转课堂的冷思考：实证与反思[J]. 电化教育研究，2013(8)：91-97.

[9] 沈夏林，周跃良.论开放课程视频的学习交互设计[J].电化教育研究，2012(2):84-87.

[10] 宋金璠，郭新峰，王生钊.微课在大学物理实验教学中的应用[J].物理实验，2015，35(2)：12-17.

[11] 沈夏林，周跃良.论开放课程视频的学习交互设计[J].电化教育研究，2012(2)：84-87.

[12] 王祖源，倪忠强，吴天刚，等.MOOC起步,从微课程开始[J].物理与工程，2014，24(2)：17-19.

[13] 田 阳，冯 锐.社会资本理论视域下MOOC课堂互动策略分析[J].远程教育与网络教育，2014(9) ：59-66.

[14] 闫小青，张 纯，黄模佳，等.建设国家级实验教学示范中心培养学生创新能力[J]. 实验室研究与探索，2012，31(12)：102-103.

[15] 朱 泓，赵 磊.MOOC的创新特质之于高校教学路径的信息化变革[J].中国高教研究，2014(12)：79-83.

Research on University Physics Experiment Teaching Reform Based on MOOCs

CAIQing，HUYong-jin，LIXing-xing，WUYun-pei

(College of Science，Hubei University of Automotive Technology，Shiyan 442002, China)

In view of the problems existing in the traditional physical experiment teaching, this paper puts forward the reform program of university physics experiment based on MOOCs. For realizing the teaching reform of the university physical experiments, the program takes the idea that experiment is given priority to students’ autonomous learning, teaching guidance is complementary as the teaching guiding ideology, “network micro-lecture + network interaction + face-to-face teaching” is the core of the reform idea which is supplemented by the advanced teaching method of micro-lecture video, online testing and interaction, and the experiment development knowledge. Through the application of the program in the physical experiment teaching classroom, the reform program not only stimulates the students’ learning interest, but also improves the students’ autonomous learning awareness and innovation ability, and has achieved good teaching effect.

university physics experiment； MOOCs； micro-lecture； teaching reform

2015-12-10

国家自然科学基金(41474067)；湖北省教育厅科研基金(B20122301)

蔡 青(1975-)，女，吉林长春人，硕士，实验师，研究方向：工商管理。Tel.:13636263569；E-mail: caiq6666@sina.com

G 434

A

1006-7167(2016)09-0177-04