“互联网+大学物理实验”课程教学改革的探索

(北京林业大学理学院，北京 100083)

中共中央、国务院《关于深化教育改革，全面推进素质教育的决定》要求我国高等教育要“抓紧建立更新教学内容机制，加强课程的综合性和实践性，重视实验教学，培养学生的实际操作能力。”“大学物理实验”作为理工专业学生必修的一门基础实验课程，它是学生掌握实验方法和实验技能的开端，对于激发学生想象力、创造力，培养和提高学生的科研素养具有重要的意义[1-3]。因此如何科学设计“大学物理实验”课程，是高等教育改革的重要内容之一。

2015年3月，李克强总理在第十二届全国人民代表大会第三次会议上提出了“互联网+”的行动计划，他指出：要深入推进“互联网+”教育，促进优质教育资源的共享利用。所谓“互联网+”，就是指以互联网为主的新一代信息技术(包括移动互联网、云计算、物联网、大数据等)在传统行业的扩散、应用与深度融合的过程，也是当前教育改革的重要研究方向。近年来，基于“互联网+”的高等教育课程改革层出不穷，慕课、微课、翻转课堂等新形式的教学模式在数学、物理、计算机等学科教学中均取得了较好的效果，各高校在“互联网+大学物理实验”课程中也进行了积极探索，并取得了可喜的成果[4-6]。

一、“互联网+大学物理实验”课程教学的特点

“大学物理实验”课程作为本科教学的一门基础实践课程，它与“大学物理”理论课相辅相成，旨在帮助学生树立理论联系实际的良好思维习惯，养成实事求是的科学态度，培养学生的动手能力、交流合作能力、观察与反思能力。

传统的“大学物理实验”课程采取的是以教师为主导的教学模式，教师通过理论讲解、实验演示和解答问题等形式组织学生完成物理实验，这种教学模式存在着教学形式呆板、实验教学资源利用率低、课程考评方式陈旧等问题。基于此，不少学者开展了“互联网+大学物理实验”的新型课程研究，并取得了可喜的成果。与传统“大学物理实验”课程相比，“互联网+大学物理实验”课程最大的特色在于课程与互联网信息技术的有机结合。它依托于大数据、云计算、物联网、移动互联网等先进的信息技术，结合慕课、微课、翻转课堂等多种新型教学模式开展教学，受到广大师生的欢迎。

“互联网+大学物理实验”课程具有独特的教学特点，它依托于一个在线的实验管理系统开展教学，其在线的实验管理系统包含技术支撑层、业务管理层、服务展示层和用户访问层4个部分。

(一)技术支撑层

技术支撑层是实验管理系统的基石，它基于新一代的信息技术，在教学资源共享区域提供了一个云平台，个人终端及公共教学媒体设备均可以通过网络连接到云平台，学生和教师通过云平台能够实现教学资源共享、信息管理、服务推送、实时交流等，为“互联网+大学物理实验”的课程管理提供技术保障。

(二)业务管理层

业务管理层是实验管理系统的核心，它具有校内业务管理和校外业务管理两项服务功能。其中，校外业务管理主要提供实验室向外租借等服务；校内业务管理主要服务于“互联网+大学物理实验”课程的教学工作。笔者以北京林业大学自主研发的“互联网+大学物理实验”课程管理系统为例，课程管理系统有2个入口，即学生端和教师端，见图1。

图1 北京林业大学“互联网+大学物理实验”课程管理系统的登录界面

其中学生端的业务管理层主要包含4个功能模块，即查看预习、查看必做实验、查看选做实验和查询成绩。学生通过业务管理层可以实现实验预习(在线答题和成绩查询)、实验操作(数据录入和成绩查询)及个人信息查询等功能，见图2。

图2 北京林业大学“互联网+大学物理实验”课程管理系统学生端界面

教师端的业务管理层主要包含6个模块，即实验管理、题库管理、课室管理、课程管理、成绩管理和预习管理，如图3所示。教师通过业务管理层主要实现添加班级及学生、安排实验时间、管理学生成绩等功能。

图3 北京林业大学“互联网+大学物理实验”课程管理系统教师端界面

(三)服务推送层

服务推送层是连接云平台与个人智能终端的桥梁，它将云平台共享资源以统一的网络入口和展示界面推送到教师或者学生的终端，在满足教师和学生日常教学及管理工作的前提下，随着智能终端的升级而与时俱进，为大家提供良好的用户体验。

(四)用户访问层

用户访问层是用户使用实验管理系统的接口。它基于校园有线/无线网络技术和智能终端，为大家提供方便快捷的访问渠道。教师和学生可以通过教师多媒体、个人电脑、手机、pad等多种可联网的智能终端获取服务，师生可以随时随地交流，学生可以随时随地学习。

二、“互联网+大学物理实验”课程教学存在的问题

“互联网+大学物理实验”与传统教学方式相比，具有教学模式灵活多变、教学资源利用率高、学生管理及考评方式新颖、探究空间广阔等诸多优势，但在教学实践过程中，仍存在一些值得注意的问题。

(一)缺少人工处理实验数据的环节

笔者发现，当前一些高校在开展“互联网+大学物理实验”课程教学时，将实验数据处理环节简化，学生做完实验获取原始数据之后，不需要自己再进行计算，只需要登录大学物理实验云平台，将原始实验数据上传，即可得到实验结果及误差，并以此得到实验的成绩。

虽然数据处理算法提高了实验数据处理的效率，减轻了教师评定学生实验得分的工作量，但也存在着弊端。因为“互联网+大学物理实验”课程设立的初衷不仅在于提高学生的动手能力、实践能力，促进其将物理理论与生产实际联系在一起，而且还要培养学生对实验数据的处理能力，使其从中发现问题、解决问题，并掌握基本的数据处理方法。因此，缺少了对实验数据的人工处理环节不利于学生综合能力的提高。

(二)缺少实验报告撰写环节

部分高校在开展“互联网+大学生物理实验”课程教学时，将实验的预习、数据处理、实验结论、实验反思等所有环节模块化，通过云平台推送的题库对学生进行考察，不需要学生再撰写完整的实验报告。

虽然此举能够将课堂“移动”起来，学生可以随时随地在线完成实验报告，并及时与教师进行交流，但是“互联网+大学物理实验”课程还要求培养学生的逻辑思维与科研写作能力。模块化完成实验报告虽能够给师生带来便利，但它弱化了学生对实验的整体把控和梳理实验脉络的能力。同时，学生自始至终都没有自主完成一篇完整的实验报告，对学生科研写作能力的培养也会大打折扣。

(三)实验成绩仅由预习效果和实验数据决定

一些高校在开展“互联网+大学生物理实验”课程教学时，将学生实验成绩的评定交由系统完成，即实验成绩仅由预习效果和实验数据决定。

虽然此举能够保证学生的实验成绩不会带有教师的主观因素，但该考评方式过于看重客观数据，而没有为学生留下自由发挥的空间，学生只要按要求完成预习及实验便可以拿到高分，缺少了对实验进行深入反思与总结的过程，因此降低了学生探究科学的积极性。

三、“互联网+大学物理实验”课程教学改革的措施

(一)强化学生对实验数据进行人工处理的环节

在物理实验中，原始实验数据的处理主要包含两部分：一是推导间接物理量，二是计算实验误差(不确定度)。通过对实验数据的人工处理，既可以让学生更深层次地理解和掌握实验原理，又可以促使学生掌握基本的数据处理方法，如作图法、最小二乘法、逐差法等。在教学实践中，笔者探索了实验数据人工处理的方法，并结合具体的实验进行阐述。

在“不良导体导热系数的测定”实验中，学生通过实验操作获取如下3个表格的原始实验数据。其中表1为加热待测样品时ε-t数据记录表，ε1代表在加热筒厚底侧面小孔内测得的电压值，ε2代表在铜盘侧面小孔内测得的电压值，单位为mV，每隔4分钟便记录一次这2个物理量的值，共记录56分钟。表2为移去待测样品后ε-t数据记录表，其中ε为铜盘自然冷却时盘侧面小孔内测得的电压值，单位mV，每隔30秒记录一次该物理量的值，共记录420秒。表3为铜盘和橡胶相关物理量的测量值表，包含了铜盘直径、厚度和质量以及橡胶的直径和厚度，通过取平均值的方法来提高测量精确度。

在实验教学中，笔者要求学生将上述表格记录在实验报告纸上，并在课堂上完成实验数据的处理，其中包含：(1)基于表2，通过作图法或线性回归法计算表1稳态时刻对应的直线斜率；(2)将切线斜率数值带入导热系数计算公式，求出导热系数λ的值。之后，要求学生上交纸质版原始实验数据、处理过程及计算结果，由任课教师给出意见和建议，若实验数据不理想，则要求学生分析原因，必要时重做实验。实验报告经任课教师审阅通过后，学生登录实验系统，在课堂上将实验所得的原始数据和计算结果上传至云端，系统会根据实验结果误差给出实验得分。

表1 加热待测样品时的ε-t数据记录表

表2 移去待测样品后的ε-t数据记录表

表3 铜盘和橡胶相关物理量的测量值

(二)强化实验报告撰写环节

传统的“大学物理实验”课程教学要求每组学生上交纸质实验报告，学生任务繁重，且存在相互抄袭的现象。若每组实验均不写实验报告，对学生科研写作能力的培养会打折扣。基于此，笔者设计了实验报告撰写方案，即以在线撰写模块化实验报告为主，提交完整纸质版实验报告为辅，具体做法可以用一个示例说明。例如，若某班的大学物理实验共分为14小组，其中必做实验12组，选做实验2组，则要求2组选做实验均上交完整的纸质版实验报告，内容包含实验目的、实验仪器、实验原理、实验方法及步骤、实验数据处理、结论和实验结果反思等部分。对于必做的12组实验，为每个实验设计相应的电子版实验报告，报告的每个部分不再局限于单一形式，而是融合了选择题、简答题、填空题、判断题等多种形式。其中实验数据处理环节按照上章节所述方案在课堂上完成，实验结论和实验结果反思可设置为简答题形式，其他实验报告部分可根据实验自身的特点设置相应的形式，也可以同时含多种形式。通过这种方式，既能够锻炼学生的科研论文写作能力，又可以随时随地地在线完成实验报告，同时减轻了师生的任务量。

例如，在“分光计的调节与使用”实验中，实验数据处理环节按照上述方案在课堂上完成，实验目的可以设置为填空题，比如“学习用两种方法测量三棱镜的顶角”等。实验仪器、实验原理和实验方法及步骤(部分内容)可以设置为选择题和判断题。实验方法及步骤(部分内容)、实验结论和实验思考可以设置为简答题，例如“分光计的调节包含哪些基本步骤”“在调整望远镜时为什么要将平面镜放置在垂直于平台两螺钉连线的位置”“什么叫视差，怎样判断有无视差存在，本实验中进行哪几部调节时要消除视差、如何消除”等。这些内容学生均通过实验系统完成，教师需要审阅的工作也通过云平台完成，最终的实验报告成绩由系统统计得出并发布到学生端和教师端。

(三)改革实验成绩评定方法

传统的课程考核仅由预习效果和实验数据决定，而笔者认为最佳的实验成绩评定方案应是系统评分与教师评分相结合。因此，在教学实践中，笔者探索了对实验课程进行科学考核的方法。

首先，学生的必做实验成绩包含实验预习、实验得分和在线完成的实验报告3部分内容，这3部分评分比例可设置为2∶5∶3。学生在线作答预习题，系统直接给出预习成绩；学生完成实验，得到实验数据并处理之后，经教师审阅通过后，将原始实验数据及处理结果上传至云端，系统依据实验数据误差给出实验得分；对于在线完成的实验报告，客观题系统可以直接打分，主观题则由教师在线评阅给分。选做实验成绩由纸质版实验报告决定，由教师评阅打分后上传至系统。必做实验与选做实验的成绩比例可按照具体课程安排设置(例如大学物理实验A可按照7∶3设置)。最终，学生的成绩由系统计算并绘制成相应的图表，并生成学生成绩单和相关分析报告，供师生查阅。

四、“互联网+大学物理实验”课程教学改革的成效

(一)提高了学生学习的积极性

教学实践表明，“互联网+大学物理实验”课程改革后，学生学习的积极性明显提高，学生对实验的预习更充分，师生互动交流频繁。尤其是在实验过程中，学生的怀疑、批判和探究意识增强，对实验的观察和操作过程更加严谨，数据处理更加高效，实验报告整体质量有所提高。

(二)提升了学生的学习效果

教学实践表明，学生能够在实验报告中对实验过程及结果进行反思，并能总结个人的心得体会，实验报告的撰写质量有明显提高，实验综合成绩也有明显提高。

“互联网+大学物理实验”课程是新一代信息技术发展的产物，与传统“大学物理实验”课程相比，它具有教学方式灵活多样、师生交流实时便捷、实验资源利用率高、可探究空间广阔等诸多优势，因此，越来越多的高校开始应用。然而，“互联网+大学物理实验”课程还在发展期，还有很多改革措施有待深入研究。笔者未来还将结合教学实践深入研究“慕课”等教学模式与传统“大学物理实验”课程的最佳结合方法，将互联网深度融合到教学实践中，使高等教育与现代科技发展“无缝对接”，进而开拓学生视野，提高学生学习的积极性，培养学生的创造性思维，以适应新时代对创新人才的需求。