智慧教学与管理在大学物理实验中的应用

张广斌，李香莲，王长顺，董大兴

(南京航空航天大学 理学院，江苏 南京 211100)

2015年3月第12届全国人民代表大会第3次会议上，李克强总理提出制定“互联网+”行动计划，指出通过该计划，深入推进“互联网+”教育，促进优质教育资源的共享利用. 在教育领域，打破传统教学观念，充分发挥信息技术的优势，大力推进信息技术在教学过程中的应用，促进信息技术与课程的融合，近年来成为教育研究和探索的热点[1-5].

大学物理实验是高等学校理工科类专业学生进行科学实验基本训练的必修基础课程，是本科生所接受的进行系统实验方法和实验技能训练的第一门实验课程[6-7]，在引导学生掌握物理知识与技能、培养实践动手能力、提高科学研究素养、提升参与实践与科学研究内驱力、建立科学的世界观、人生观和价值观方面具有非常重要和深远的作用. 实验课程的性质和重要性决定了其排课方式、上课形式、教学模式和考核方法不同于一般的理论课程，在课程种类多、学生体量大、课堂次数多、实验项目全、实验室场地有限的前提下，教学的组织和实施越来越依赖于信息技术的支持[8-11].

南京航空航天大学物理实验中心自2001年建设并使用物理实验开放教学网络化管理平台，学生在实验内容、实验时间、指导教师等方面有较大的自主选择权，充分体现以人为本、自主学习、注重个性发展的教育教学理念. 伴随信息化技术的发展和阅读载体的变化，物理实验中心与时俱进，将多年来的开放教学管理经验与现代信息技术相结合，有效发挥了网络资源和手机设备在实验教学中的作用. 本文主要介绍智慧教学管理平台在我校物理实验教学中的应用情况，并对其未来的发展趋势和方向进行展望.

1 智慧教学管理平台在我校物理实验教学中的具体应用

1.1 智慧教学管理平台的构建

大学物理实验课程针对不同学科和专业开设，开课范围广，学生数量多，教学和管理任务重. 以我校大学物理实验教学为例，我校物理实验中心每学年承担大学物理实验课程10余门，上课学生总数4 000多人，年均实验课堂达2 000次，实验总人次数近60 000. 在实验教师和实验室场地有限的情况下，信息化教学综合管理系统的开发和利用有效地缓解了课程开设的压力，为课程安排、网络资源利用、学生选课和上课、教学数据统计等提供了极为便利的条件.

我校物理实验中心以信息技术为依托，以学生能力培养为中心，积极深化物理实验教学改革，逐步完善实验教学综合管理系统，形成了以“分层次教学、开放式管理和过程性培养”为核心的实验教学管理理念. 以原有开放教学综合管理系统为基础，融合现代技术手段，更新和拓展了其功能，形成了以物理实验中心网站和物理实验中心微信公众号为平台的智慧教学综合管理系统，如图1所示，充分发挥了智能手机在智能选课、报告下载、在线预习、上课提醒、智能考勤、报告上传、成绩反馈等一系列教学环节中的便捷作用.

图1 智慧教学综合管理系统

1.2 智慧教学学习资源的丰富

伴随信息化技术的发展和阅读载体的变化，现代大学生已经习惯使用信息化手段作为获取知识的重要途径. 以智能手机为代表的移动互联技术的发展，对一般意义上的系统学习带来巨大冲击，碎片化学习和泛在式学习应运而生，其作为信息化时代学习的普遍特征之一，已成为深受年轻人推崇的学习方式. 改变传统的以实验课堂教学为主体的学习方式，借助信息化手段，将在线资源与线下实践有机结合，全面发挥学生在实验课堂中的主观能动性，构建真正“以学生为中心”的教学管理模式是实践类课程亟需解决的问题.

1) 数字化教材资源

实验教材是学生系统学习实验知识，有针对性地提高实验技能的最直接的学习资源. 实验基础理论和实验项目是物理实验教材最主要的组成部分，实验基础理论的内容相对固定，但实验项目部分经常因项目丰富、内容扩展、设备更新或更换等因素影响，存在一定的变动性. 在教材不易频繁修订的前提下，如何弥补教材部分内容与实际教学内容不一致造成的影响，是实验教材编写者较为棘手的问题.

信息化技术在教材方面的应用解决了这一矛盾，教材的数字化建设[12-14]成为一种趋势，特别是将传统纸质教材与可视化资源相结合的教材编写形式，颇受出版社和教师的青睐. 该形式的教材是对传统教材的在线补充，即在纸质教材每个章节的部分添加二维码，二维码信息包括扩展内容、补充内容、视屏讲解、动画演示等多种可编辑形式，使用者可以通过手机、平板、电脑等设备便捷获取. 例如我校在机械工业出版社出版的大学物理实验教材，教材把传统教材无法呈现的实验信息以二维码形式展示在每个章节，既可以方便学生以传统方式使用，又可以便于学生利用智能手机扫描获取辅助信息.

2) 在线扩充性课程资源

实验课堂与理论课堂相比，在有限的课堂时间内更加注重培养学生的实验操作能力和发现问题、解决问题的能力，学生只有在大致掌握了实验原理、操作方法、实验设备使用、设计思路的基础上，才能够在实验室有针对性地进行实验. 因此，学生的课前预习准备对提高实践课堂效率、提升实践应用能力至关重要.

在线开放资源的建设和优化可以为学生更好地参与课外学习提供保障，其建设应遵循直接性、便捷性、实效性和趣味性等原则，课外学习效果可以通过课前测试予以反馈，从而提高学习资源的利用率和课堂实践的效率. 我校物理实验中心通过中心网站和微信公众号为学生提供了丰富的学习和预习资源，并通过智慧化手段对学生课前学习进行适当督促和约束，这种做法起到了一定的效果，课前准备更充分，课堂实践效果提高明显. 在线资源建设情况如图2所示.

1.3 学习效果评测及实践教学评价

大学物理实验课程是一门独立设课的基础实践课程，对于培养和提高学生的科学素养和实践动手能力具有重要的作用. 课程教学效果和学生的过程性学习成效是提高教学质量和学生综合素质的具体体现. 学生实践能力的培养和综合素质提高，是由学生主动参与、教师因势利导和评价体系动态激励相互作用的过程，将信息化技术手段与实践课程考核有机融合，可以实时发现学生在不同环节存在的问题，并有针对性地予以指导和反馈.

图2 在线课程资源

我校物理实验教学借助信息化手段对课程考核评价的具体应用如图3所示. 物理实验中心积极探索实践课程的过程性培养方式和方法，深入挖掘智能手机在教学中的潜能，将信息化手段融入实践课程的各个环节：1)课前，利用有效的在线资源开展预习；2)课堂前段，利用“雨课堂”、在线考评系统客观评价学生课前预习和学习情况，辅助学生做好课前准备；3)课中大部分时间，利用实验项目平台积极开展以学生自主实践、交互协作实践为主体的教学模式；4)课中后段，利用“雨课堂”、在线考评系统客观评价学生实践环节中的相关问题，倒逼学生主动参与实验过程.

图3 智慧化考核手段在课程中的应用

2 智慧教学管理平台的完善及在实验课程中的应用前景

我校物理实验中心积极探索，以原有教学模式为基础，以信息化手段为支撑，逐步构建了符合时代发展和本身需要的智慧教学管理平台，信息化手段贯穿在学生实验的各个环节. 该体系的构建，充分体现了“以学生为中心”的教学理念，重视课堂实践效果，注重对学生主体的过程性培养.

实践课程的主阵地在课堂，实验教学的主要目的是培养学生实践技能和综合素质. 展望未来，智慧教学管理平台在大学物理实验教学中的进一步应用主要体现在基于信息化技术为依托的课程体系完善、教学模式改革和教学服务方面.

2.1 线上教学与线下实践相结合的实验课程教学体系的构建

建设高质量的在线开放课程，可以为学生课外学习、课堂实践、课后总结等提供更多循环可用、便捷高效的在线资源，特别是以此为基础开展线上教学与线下实践相结合的课程教学模式[15-16]，将成为基础实验教学发展的一种趋势. 线上教学即学生在课前通过丰富的在线开放课程资源熟悉实验原理和实验方法，掌握仪器的使用和注意事项，初步形成实验的设计思路，为课堂实践做好准备；线下实践即实验教师精心设计、创新教学组织形式，学生带着任务进实验室，充分利用在线资源、教师指导和学生之间的讨论协作等完成相应实验任务.

相比于理论课程，这种线上教学与线下实践相结合的课程教学体系更加适合物理实验教学的学习规律和小班化的教学管理形式，不仅可以充分发挥课程资源在不同环节的优势，促使教师不断丰富教学模式，积极开展小组实验、讨论式和探究型等多种形式的混合式教学，还可以进一步发挥学生在课堂中的主体作用和教师的辅助作用，为深化教学改革提供更广阔的空间.

2.2 关联在线课程资源与教学综合管理系统，构建课程对学生的过程性管理和培养体系

在新工科建设和振兴本科教育的新形式下，实验教学管理理念和教学培养理念更加注重实践教学效果、课程质量和对学生的过程性培养，也越来越依赖于信息技术的支持.

在信息技术手段支撑下，课程可以将在线开放课程资源与教学管理系统有效对接，形成学生个人实验信息库或个人实验档案，信息库含有实验选课信息、相应实验的在线资源、在线练习与测试等，全程记录和跟踪学生的学习过程和学习动态，形成课程对学生的过程性培养和管理. 该体系的完善，既能够使学生便捷利用信息资源，对学生的课外学习形成约束，又可以为教师开展混合式教学提供保障，提高课程质量.

2.3 构建全开放的智慧教学新模式

现有开放教学管理模式下，学生借助信息化手段在实验内容、实验时间、指导教师等方面有较大的自主选择权，充分体现了开放教学自主性、人性化、灵活性的特点，为教学组织和课程管理提供必要保障. 但究其本质而言，现有开放改变的只是课程的管理形式和组织形式，课程内容、课程对学生的要求以及课堂组织形式等并没有发生本质变化.

深化传统开放教学模式改革，深层次发挥信息技术的教学辅助功能，构建全开放的实验教学模式是大胆的尝试. 课程在统筹考虑资源利用、学生层次、学习动机、专业需要、内容设置、课堂组织、教学设计、实践效果、教学评价及安全保障等一些列因素的前提下，打破原有限制，创新组织形式，对学生开展全开放的教学模式.

3 结束语

信息技术的迅猛发展和智能手机的普遍使用为大学物理实验有效推进智慧教学改革提供了广阔的空间，既丰富了教学资源，改善了教学组织、管理和考核方式，又为学生提供了更多便捷的服务，激发了学生学习的积极性和主动性，有效地提高了物理实验的教学质量和效果. 信息技术与教育教学的融合发展已成为我国教育信息化发展的主题，并将继续引领实践课程的深刻变革和不断创新.