混合式教学在物理仿真实验选修课中的探索与实践

吴 杰 蒋逢春 吴明阳

（郑州轻工业大学物理与电子工程学院 河南·郑州 450001）

大学物理实验是理工科学生进入高校后进行的第一门实践课程。通过对这门课程的学习，学生能够熟悉基本的实验方法，加深对基本物理思想的理解，从而提高分析解决问题和创新思维的能力。然而中学阶段，不同地区开设实验的多少及难易程度有很大区别，尤其是面对高考制度改革，很多考生选择其他科目而避开较难的物理，从而造成大学新生物理及实验基础差距较大。在本科院校应用型转型背景下，很多学生在规定课时内，只能被动的按照教学内容做一遍，同时，大学物理实验以学生独立使用基本实验仪器为前提，对于基础较差的同学而言，很难在规定的时间内完成实验，更没有机会多次反复验证。长此以往，学生积极性下降，不能实现理想的教学效果，也就失去了开设物理实验的真正意义。针对上述问题，我校近几年开设了物理仿真实验选修课，目前该课程结合互联网技术，通过线上预习和操作，线下辅导等环节，形成了线上为主线下为辅的混合翻转教学模式，这种教学模式以学生为核心，充分调动了学生的学习积极性，提高了选修课的教学效果。

1 仿真实验平台介绍

仿真实验技术以计算机软件和硬件为基础，通过计算机系统，模拟实验环境，展示仪器仪表，演示实验现象，还能进行仪器调节和连接、变量的测量及数据处理，完成实验教学的基本任务。相对于传统的实验教学手段，仿真实验采用信息化技术，打破时间和空间的限制，通过模拟实验环境，获得直观的实验现象，还可以展现不同视角下的仪器结构，有利于学生对实验仪器的掌握和实验技能的提升。我校最早选用的是中国科技大学的大学物理仿真软件系统，该系统由王晓蒲教授、霍剑青教授团队开发，获得国家级教学成果奖。这套实验系统包括近60个仿真实验项目，既包括力学、热学、光学、电磁学中常见的基本实验，也有核磁共振、塞曼效应、拉曼光谱扫描隧道显微镜等多个近现代物理实验，适用于学校理、工、农、林、医等各专业的学生学习，该系统单机版需要学生在仿真实验室完成实验项目。2015年我校购买了其网络版的十六个实验项目，每个项目有配套的实验简介、实验内容、实验原理、实验仪器、实验指导等资源，学生通过管理员分配的账号密码登录仿真平台，进行模拟实际来完成相应的操作，该平台支持学生随时随地进行实验操作，并记录实验时长，有利于老师管理。

2 课程内容和授课模式

物理仿真实验课面向全校理工科学生选修，以大一学生为主，每学年的春季学期开课，共30学时，授课15周，涵盖力学、热学、电磁学等多个实验项目。由于设置课程的初衷是为了让学生掌握基本仪器的使用，培养基本的实验操作技能，同时还要兼顾实验知识性和时代性，因此每学期我们精选六个涉及基本仪器较多、原理相对简单易懂、易于操作的实验项目，例如：（1）力学实验选用“利用单摆测重力加速度”，涉及游标卡尺、螺旋测微器、直尺以及秒表的使用；（2）热学实验中选用“导热系数的测量”，虽然步骤稍复杂，但是让学生了解到基础实验也能有大作用，可以激发学习的兴趣；（3）光学实验中选用“干涉法测微小量”，了解利用干涉原理测量长度的基本原理；（4）电磁学实验中选用“多用电表的设计”，让学生接触到高精度的电流表和电压表以及读数方式，并了解这些电表的级别与精度的关系；（5）近代物理实验选用“迈克耳孙干涉仪”，从引力波的证实引出该实验，让学生了解到经典实验在目前也有大作用。

在课程学习中，既要让学生对实验有总体了解，又要让他们的注意力集中到实验内容上。因此在准备的资料中，先介绍实验背景，由抽象到具体，使学生不仅了解物理实验的基本思想，并且通过仿真实验的操作和数据记录、进行严格的数据处理并得出具体的正确结果，培养严谨的科学态度。

随着互联网技术的飞速发展，人们获取知识的方式更加快捷、准确。目前教育部和各省份已推出大批的高校精品在线课程，因此在高等教育中引入信息技术已经势不可挡，同时也促进教师的角色从传道受业解惑者转变成知识引领者。本课程依托河南省精品在线课程-大学物理实验及仿真，利用线上资源和仿真平台引导学生自主学习，同时结合线下辅导的混合式教学模式，以提高学生科学探究能力和创新能力。具体安排如下：课程第一周教师进行面授课程，讲解课程的意义、授课模式、使用平台介绍以及学习要求，让学生了解掌握该课程的学习方法。其余周次每周发布公告，明确本周学习内容，并在课表时间进行实验的理论学习和演示的在线直播和个别辅导答疑。学生在第二周通过线上资源及仿真平台完成学习内容并提交作业。

每个实验项目分为理论学习2学时和在线操作2学时，为了充分调动学生学习的主动性和积极性，每个实验项目完成之后，教师在平台公告或者QQ群众公布完成任务较好的前十名学生。同时针对学生在学习过程中反馈的问题，任课老师及时反馈，每学期对自测题和讨论主题等模块进行更新。

3 考核方式

本课程考核重点在于检查学生是否掌握仪器的使用方法、是否深刻理解实验内容、是否能够熟练操作实验内容以及是否能够完整的进行数据处理，考核学生对每一个实验项目的领悟、理解程度，因此本课程进行的是过程性考核。这样有助于有计划的课程学习，而且在学习过程中看到过程和成绩之间的联系更有助于完成课程的学习目标。每一个实验项目考核成绩为15分，由三部分构成：预习与自测题4分，实验作业8分，主题讨论3分，六个实验项目共计90分；课程结束任选一个实验项目按照论文发表的格式撰写一篇完整的实验报告（大作业），分值为10分；满分为100分。其中：

（1）预习和自测题：每个实验项目都有对应的课件和视频资料，学生可以在规定或者其它时间进行实验预习，然后在线自测，根据浏览时长和答题情况给出成绩。

（2）实验作业：由于理工学生课程繁多，为了充分利用网络平台，要求学生对操作的关键步骤和数据记录页面截屏，并对测量数据进行数据处理和实验分析，然后把这份文档上传至平台的对应作业栏目，通过教师批改和学生互评方式给出最终作业成绩。

（3）主题讨论：为了促进学生的积极性，每一个实验项目都有对应的主题讨论，学生进行有效参与。所谓有效参与是指：对主题发表自己的认识和体会，以及上传搜集的资料等，而不是简单的复制粘贴。

（4）大作业：该作业在所有实验项目操作完成之后进行，要求能体现出对学习内容理解的深度和广度，并在在规定时间内提交到课程大作业上。另外为了提高以后的教学效果和水平，要求学生在实验报告后面写出实验体会，对该课程的教学方法、教学效果、学习目标等进行评价和反馈。

4 经验和总结

物理仿真实验作为选修课，经过多年的探索，形成了利用在线课程、线上为主线下为辅的混合式教学模式，为学生提供了自主学习的平台，弥补了传统实验的不足，但同时也存在一些问题，下面分别进行阐述。

（1）解决了因学生物理实验基础参差不齐所导致的教学困扰。问卷调查显示，相当一部分同学的选课原因是因为中学没有很好的开设相关实验课或者认为自己动手能力差。从每年报名选修课的学生年级分布看，85%以上是大一新生。很多学生认为，这个课程为他们提供了自主学习的平台，线上为主的教学模式可以让他们根据自己的实际情况安排实验进度，使他们有充足的时间对实验现象和结果进行分析，能够激发主动学习的积极性，有利于实验仪器的掌握和实验技能的提升。目前这门课程的教学思路与方法得到了学生的认可和好评，选修人数每年均达到最多容纳人数。

（2）为实践课程作为选修课以及远程开课提供了渠道。特别是今年疫情期间，学生远离学校，不能正常进入实验室进行实践课程。但是线上为主的混合式教学模式不受时间空间的限制，只需一台联网电脑，随时随地可以利用线上资源进行实验预习、在线操作和完成作业，老师也可以通过布置签到和批改作业起到督促作用，很好的保障了物理实验的学习效果，目前该课程不仅在我校正常进行，其他高校也在利用我校课程正常开展物理实验的教学工作，积极响应了教育部“停课不停学”的号召。

（3）物理仿真实验作为作为一门线上线下结合的公共选修课程，当前还存在一些需要解决的问题。比如不能实现全员通过，因为该课程考核重在过程，所以少数学生难以按照要求坚持下去，从而导致课程不及格人数要比其它门次偏高；另外部分作业采取同学间互评方式，有时存在打分不客观等问题。如何更好的发挥选修课大学物理仿真实验的优势，达到最佳的教学效果，还需要在实践中不断地探索完善。