如何建设好实验MOOC——以《大学物理实验》MOOC建设为例

何焰兰,彭 刚,欧阳建明,郑浩斌,陈明娟,刘一星

(国防科技大学 文理学院,湖南 长沙 410073)

MOOC课程从兴起到目前的庞大规模，只用了短短不到6年的时间. 理论MOOC的发展已经超过了人们的预期，课程总数已超过10 000门，然而实验MOOC仍在起步阶段. 线上实践环节是实验MOOC建设的最大挑战. 截至2019年3月，国外Coursera平台上线课程3 246门，标有实验的课程数量仅有6门，具有实验环节的课程为0；国内爱课程平台上线课程2 246门，标有实验的课程64门，具有实践环节的课程8门，其中4门有虚拟仿真实验，3门有自主实验. 作为线下实验课程的辅助教学(如：反转课堂)，实验MOOC(即使不包含实践环节)的作用是无疑的，但要作为一门完整实验MOOC，实践教学环节不可或缺. 目前，只有国防科技大学的《大学物理实验》MOOC(爱课程平台)具有虚拟仿真、自主、思想及远程控制实验等多种实践性训练环节.

理论MOOC的意义与重要性论述众多[1-3]. 实验课程的开设与设备、耗材及场地相关，因此对于缺乏这些条件的求学人群而言，实验MOOC的需求更迫切，意义更重大. 实验MOOC建设的挑战主要来源于课程平台的发展程度及信息化的技术难度. 本文结合国防科技大学的《大学物理实验》MOOC(爱课程平台)的建设经验，探讨如何建设建好一门实验MOOC.

1 线下实验课程的现状和弊端

调研和分析线下课程的现状是建设好相应线上课程的必要条件. 图1为传统实验教学的常用模式，1次实验课的时间为2～3 h，每段历程所需时间如图1所示.这种模式受实验场地、仪器设备以及实验时间的限制将会在教学流程中产生如表1中描述的弊端.

表1中仅列举了部分弊端，但传统实验课堂对人才培养的局限已可见一斑. 实验MOOC对现行弊端的解决和改善意义重大，且切实可行. 例如可以采取视频录像的方式将学生易缺失的知识点录制并放置线上，学生可以利用业余闲暇时间反复观看，此举可大大提升课堂授课的占空比和学生实验效率. 对于没有实验条件且又迫切想学习的人群，实验MOOC是福音.

2 建设实验MOOC的体会和建议

国防科技大学的《大学物理实验》MOOC始建于2015年初，历时1年，于2016年9月在军网梦课平台正式上线，2016年12月在爱课程平台上线发布，成为国内首门真正意义上的实验MOOC课程. 2018年底，该课程被认定为国家精品在线开放课程，至今已完整开课4期. 现依据本课程建设体会并结合国内外高校等教育机构的经验，建议从以下几个方面开展实验MOOC的建设.

2.1 组织团队，明确职责

好的建设团队是实验MOOC的重要保障. 首先应明确1名知识渊博、教学经验丰富且有责任心的教师作为项目负责人. 项目负责人要组建好3支团队，课程建设团队，专家团队以及质量监控和进程督促团队. 首先课程建设团队需揽括一批有经验有责任心且热衷于物理实验教学的一线教师；其次，专家团队的成员既要有校内外，甚至国内外的本学科专家，也要包括在MOOC建设上有成功经验的其他专业课程的专家；最后，质量监控和进程督促团队最好由校院系多级机构领导挂帅组成，以便最大限度地给予课程建设支持.

2.2 明确受众，视野放宽

实验MOOC建设前，一定要明确课程受益群体. 在立足本校学生的基础上，尽可能照顾社会各层面的受众，特别是那些无法走进真实实验室的人群. 于我校而言，官兵是不能忽视的群体，因此我校大学物理实验MOOC首先在军网梦课平台上线，各行业院校建设的MOOC也应在内部平台先行运行.

2.3 剖析课程，厘清思路，凝聚理念

重审现有课程，并对运行状态做深入细致的分析是建设好1门MOOC的重要环节. 任何1门课程从线下走到线上决不是简单照搬，特别是实践类课程. 由于“实践功能”的开发需要较多资金和专业技术，若暂时没有条件建设，则线上实验课程可以先采取观看实验演示视频等途径支撑线下课程，比如翻转课堂. 这也是建设线上完整实验课的重要一步.

无论哪种情形均需明确本课程特点，保留线下课程的优势，尽可能在线上充分展示，更要能用线上技术来弥补线下课程的不足.

国防科技大学的《大学物理实验》课程以案例性教学为特征，每个实验项目都有各自的目标，学生通过完成相应既定目标来实现类似科研实验过程的初级训练. 依据多年教学经验，借MOOC建设机遇，形成新的教学理念：明确描述每个实验项目目标，通过启发的方式引导学生确定实验思想，创建建模路径，得出测量模型，最后对测量模型条件以及注意事项进行分析. 沿着这一思路，按图2所示的几大功能模块建设实验MOOC.

图2 《大学物理实验》MOOC功能模块

处于中心位置的“实验内容情境模块”是视频教学的主体，对应线下教学教师讲解的部分，涉及实验原理、实验仪器使用和操作、实验背景以及实验延伸和应用等方面的内容，是不可或缺的部分. 设计时，除了要求贯穿“建模”教学理念，还要求融入“三味”，即趣味、军味(军事特色)和品味(科学性). 教学理念实施时必须关注学生中学和大学不同阶段学习和实践思维方式的差异，从第一个实验开始就注重大学学习方法的培养和实践模式的训练，以物理思想和方法为指导，建立“测量模型”而非简单的“计算公式”，使学生从所谓“解题战术”的思维习惯中解脱出来. 虽然“测量模型”和“计算公式”对应的是同一公式，但其思维方式及背后意义却截然不同，因此对于物理实验原理的讲述，必须摈弃平铺直叙，采取先明确实验思想，再以提供实验仪器和条件为基础，采取设问、推理，环环相扣的方式进行探究，得到最终的测量模型[3-4].

基础理论情境模块主要通过视频的方式介绍本实验MOOC的3个方面内容，即:内容和培养目标；测量、误差与不确定度基本概念，数据处理常用方式等内容；多种教学情境模块和方式等，使学生能以无缝接入的方式进入实验MOOC.

2.4 设定时间阈值，划分知识点，注意衔接

分析每个实验项目，提炼“知识点(要素)”. 如：实验原理、实验仪器使用和操作、实验背景以及实验延伸和应用. 提取知识点的过程按照“掰开→揉碎→提炼”的原则进行，这是后期短视频(不超过10 min的时间阈值)制作的基础. 课堂教学中每个实验原理的讲述在10～20 min，一般长于学习者专注时间，因此必须对实验原理再次“断章取义”，将要素独立出来. 但要注意：被分割出来的“要素”，在独立成章时一定要留有“入口”和“出口”，使学生在观看时知道它在原理主链中的位置和作用！

例如“声速的测定实验”分为实验原理、仪器以及总结3模块，而实验原理部分由于讲授时间长于10 min，因此将其划分成4个单元进行制作，如表2所示.

表2 声速的测定实验各视频单元时间

2.5 用最新信息技术，实现“实践”功能

实验类课程如果脱离了“实践”二字，就只能是纸上谈兵，难以成课. 实践功能的主体建议采取3种形式：虚拟仿真实验、自主实验以及远程控制实验(图2所示).

1)虚拟仿真实验

虚拟仿真实验是指借助于多媒体和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者像在真实环境中一样完成实验项目，所取得的实验效果等价甚至优于在真实环境中所取得的效果. 虚拟仿真实验建立在虚拟的实验环境(平台仿真)之上，注重实验操作的交互性和实验结果的仿真性. 虚拟仿真实验能创造高度仿真、排除干扰的环境，它对产生现象的条件进行了严格、精密的控制，排除了次要因素的影响，更容易突出现象的本质规律.

图3是《大学物理实验》MOOC中的2个实验，图3(a)为虚拟示波器，其上的所有功能按钮与真实示波器一一对应，所产生的实验结果完全相同，不同的是一个需要动手操作旋钮，另一个只需鼠标操作. 迈克耳孙干涉虚拟仪器[图3(b)所示]能克服真实实验设备老旧的影响(如：使用一段时间后易出现螺钉滑丝导致激光光斑聚焦变差等问题)，使光干涉现象及规律更易突显.

虚拟仿真技术不仅依赖于计算机以及信息技术，建立的模型更依赖于与该课程相关的规律以及与实验设备和器材运行的规律.

2)自主实验

自主实验主要指学生利用身边简易设备和元器件材料，以课程提供的教材和电子资料为指导，自行搭建简易实验，完成实验目标的实践活动. 这种方式类似于哈佛大学的“home-lab”，学生利用发放的装有各种小工具的实验箱，以家庭作业的形式完成实验. 这种成本相对较低能实现远程动手操作的实验方式，可以弥补学生在虚拟仿真实验情境模块中无法实际动手操作仪器的缺陷，最大程度地实现对学生自主实验设计、操作和完成实验能力的培养. 图4所示的是《大学物理实验》MOOC中“用钢尺自制实验观察李萨如图形”和“确定CD和DVD的轨道距”的2个实验[3]，其涉及的实验器材很容易从日常生活中获得，物理现象明显且易量化测量.

(a)用钢尺自制实验观察李萨如图形

(b)确定CD和DVD的轨道距图4 自主实验实例示意

3)远程控制实验

远程控制实验指通过本地PC，利用网络技术和控制技术实现对远程实验仪器设备的操控，通过远程摄像头和远程数据采集传感器实现对远程实验现象的观察和实验数据的采集，从而完成相应实验. 远程控制实验可以弥补仿真与虚拟实验的不足，在实现软件共享的同时，更重要的是做到实验硬件资源共享. 它是一种“虚(拟仪器面板)—(硬件设备)实(体)—真(实)实验场景”的新模式.

图5是教学团队开发的“牛顿环远程控制实验”. 利用CCD获取牛顿环干涉图样，摄像头获取位置读数，用步进电机实现对牛顿环干涉图像的调焦和物镜位置的改变，从而可以利用网络完成经典的大学物理实验项目.

图5 牛顿环远程控制实验

4)思想实验

思想实验是在理性思维中设计和构造出纯粹的、理想化的仪器设备和研究对象，并对它进行纯粹的理想化的实验操作和控制，使与实验对象的某些因素以绝对简化、纯化、被设定、限制的形式表现出来，然后通过对理想化对象的感知和描述，发现和获取科学事实与自然规律的思维活动. 这一过程既不需要现实的器材设备，更没有实际的实验操作步骤. 因此理想实验完全不受现实中客观物质条件的制约，在某种程度上能够得到比物化实验更多的材料.

思想实验最初主要是从物理学中发展起来的，这与物理学主要始于研究宏观物体的运动有关，例如牛顿的大炮，当发射的炮弹速度达到一定的大小时，炮弹就永远不会掉到地球上，这一思想实验后来发展成了目前广泛应用的卫星. 到了近代，它逐渐从思辨的形式转变为科学的思想实验. 在科学日益发展的今天，人类的认识活动越来越远离日常的直观经验和直觉，科学研究活动所需的仪器设备日益纯化、理想化，物化实验有时无法满足科学发展的需要，运用思想实验进行科学研究就成为必然.

思想实验并不是任人天马行空去建造空中楼阁，必须依靠人们所熟知且被普遍接受的经验数据，经过严密的逻辑分析来完成. 通过思想实验，可以达到对学员实验思想、理想化条件下实验思维、逻辑思维能力以及实验方案设计能力的培养. 在这个模块里简要介绍了思想实验的概念，给出了物理学历史上的10个最著名的思想实验的介绍(见图6)，并鼓励学生自拟题目完成设计.

图6 物理学历史上的10个最著名的思想实验示意

5)演示实验

演示实验主要指教师通过视频或(在线视频)的方式，向远程学生演示实验操作，展示实验现象，引导学生对演示现象观察、思考、分析，最终得出结论. 演示实验最大的特点是激发学生兴趣、吸引学生注意力，进而达到对学生实验素养的培养. 演示实验的设计不仅应该反映科学新成就、新发明和新创造，还应与实际生活相联系.

实验MOOC应以虚拟仿真实验为主体，结合远程控制实验、自主实验、演示实验和思想实验可进行多方位的实践活动. 各种实践环节相辅相成，在没有传统实验教学仪器、场地的情况下，线上实现对学生实践能力的培养.

2.6 拓展思维，开发并创新实验室管理功能，线上服务实验教学

实验课程必然依赖于相应的实验室，牵涉到实验场地和仪器设备等硬件条件. 实验室管理的优劣直接影响到实验课程的教学质量，这里不去论证和涉足实验室系统管理的机制，仅提几点建议，希望益于实验室的良性运行乃至更好地服务教学，使得管理与教学运行相互促进.

1)实验室的安全规范条例线上服务教学

不同类型的实验室有其自身特性，必须明确各项安全保障的措施，并有相应的文档资料. 每个学生在进入实验室之前应该熟知这些规定. 这部分内容可以做成短视频，借助实验MOOC供实验者学习，网上学习者应获得认证方可进入实验室[6].

温哥华肿瘤研究中心的大楼内有动物、生物以及光学等实验室，涉及的面很广，相关的安全课程甚至涉及如何应对突发袭击事件的内容. 中心有规定必须依据中心的要求在互联网上学习相关的安全视频课程并获得相应证书后才能取得门卡. 即使已有门卡的长期工作者，也会被要求学习新的安全科目. 笔者的研究因为涉及光学实验室，被要求进入UBC大学的物理系的网络课程学习有关激光的6个单元的安全知识课程如图7所示.

(a)安全条目

(b)激光对皮肤的伤害

(c)激光对眼睛的伤害

(d)获得的证书图7 激光安全知识学习示意

2)仪器设备的技术资料线上服务教学

实验课程涉及的仪器设备是实验室财产的一部分，属于实验室管理范畴. 将各种仪器设备的原理部分和实物，乃至仪器容易出现的故障及排查方法等用视频展现并存档，无疑对实验室的管理以及维护能起到积极有效的帮助. 这部分资料上线并服务教学，可使学生在空暇时间自由浏览，从而起到辅助教学的作用.

3)利用先进信息技术构造“仪器市场”和创新实践平台，实现资源共享

利用虚拟仿真实验技术对实验室常用的实验仪器及大型设备进行制作，将这种具备多种“仿真仪器”类似“仪器市场”[7]的创新平台的入口链接放置于“实验MOOC”的平台上. 在平台技术的支撑下，学生可进行相关实践活动：

a.利用虚拟仿真仪器进行学习，学习者能进行简单的相关仪器的细致观察(3D)或使用训练；

b.学生通过终端实验选题，在平台的“仪器市场”上选取所需的实验仪器线上进行相关创新实验.

智能化的开放式平台，还可以拓展为与企业等接轨的研究性实训平台，实现仪器设备特别是特殊的或大型仪器设备的共享，激发学生学习的积极性，提高自主学习以及创新能力.

2.7 建立管理机制，把控质量，提高效益

1)团队职责

课程建设团队的主要任务：凝练教学理念，建立教学体系和结构，完成线上建设. 质量监控和进程督促团队不定期召开会议,听取汇报，督促进度，协调关系并把控质量；专家团队参加建设团队举行的质量研讨会，把握每一个实验内容的科学性和准确性，保证产品“出口”的质量.

2)过程控制

实验教案包括教学方法和手段，由团队教师根据多年教学和科研经验精心打磨和设计，其内容的系统性和完整性必须以教学理念为核心. 在《大学物理实验》MOOC建设中，对于教学内容、方法和手段，汲取和借鉴了教改课题“精益思想和博雅教育”的思想和方法[8-10]，采取建模方式并根据实验条件，与学生共同探究实验原理，关注实验间的联系与区别以及实验的延伸与应用. 对于这些共识，团队首先形成文字并发放至每个团队成员作为指南，如图8所示.

图8 《大学物理实验》MOOC质量标准示意

建设过程中，反复进行交流研讨. 为明确责任，各项交流必须有相关人员纸质签字确认，责权分明,减少失误，提升效率. 流程如图9所示.

图9 质量管理流程图

a.项目负责人审核：按照质量标准审核并协助完善PPT初稿；对交流的内容签字确认.

b.课程建设团队讨论：实验内容准确性，实验方法、实验技能把关；签字确认.

c.项目负责人再审核：在新的起点上进一步审核；签字确认.

d.专家讨论：实验内涵、实验思想、科学性以及准确性等把关，画龙点睛，精益求精；签字确认.

e.负责人最后审核：最后再完善，出口. 签字确认.

3 结束语

实验MOOC的建设同理论MOOC一样有着重要的意义，对于缺乏实验条件的人群而言，实验MOOC的需求更迫切. 文中仅依据《大学物理实验》MOOC建设的体会，对如何建设实验MOOC提出了一些粗浅建议. 希望有越来越多具备实践主体的优秀实验MOOC线上涌现，实现实验教育资源共享.