疫情中的大学物理实验线上教学探索

唐艳妮,李雪琴,赵云芳,刘 芯,何楚洹

(火箭军工程大学 基础部，陕西 西安 710025)

为深入贯彻落实习近平总书记关于坚决打赢疫情防控阻击战的重要指示精神，针对新冠肺炎疫情对高校正常开学和课堂教学造成的影响，教育部发布了《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》，要求各高校应充分利用优质在线课程教学资源，依托各级各类在线课程平台、校内网络学习空间等，积极开展线上授课和线上学习等在线教学活动，保证疫情防控期间教学进度和教学质量，实现“停课不停教、停课不停学”[1]. 大学物理实验课程作为一门实践课，该如何开展线上教学，引发了全国高校物理实验教师的探讨[2]. 我校物理实验中心结合大学物理实验自身特点以及本校教学进度制定了疫情期间的居家实验方案，具体方案为“慕课资源+仿真实验+设计研究+趣味演示”，基本原则是尽可能按照原有的教学大纲进行教学安排，保质保量地完成实验教学目标.

1 居家实验教学方案的制定背景

1.1 主观条件

我校大学物理实验课程安排在第3～4学期，第3学期，主要安排绪论、基础性实验和部分综合性实验，第4学期主要安排综合性实验和设计性研究性实验. 在2019年秋季学期开设的基础性实验和综合性实验中，基本涵盖了力、热、声、光、电等经典实验项目，通过1学期的学习，学生已经掌握了基本的实验技能、实验方法、实验设计思路、实验结果的分析和处理以及部分数据分析软件的使用. 同时大学物理、高等数学等通识课程均已开设，学生有一定的理论基础和数学功底. 这些都为居家大学物理实验方案顺利实施奠定了基础. 2020年春季学期的大学物理实验教学方案的主要目标是培养学生的自主学习能力、动手实践能力和探索创新精神.

1.2 客观条件

居家实验教学方案整体内容为：慕课资源+仿真实验+设计研究+趣味演示. 此方案根据丰富的网络教学资源、虚拟仿真实验平台以及便捷多样智能手机传感器等因素制定. 这些因素为居家物理实验线上教学提供了有利的客观条件.

1.2.1 慕课资源

目前网络教学平台众多，网上慕课资源丰富，在“爱课程”、“中国大学MOOC”、“学堂在线”等平台均有成熟的大学物理实验在线课程.

1.2.2 仿真实验

在疫情期间，安徽科大奥锐科技有限公司积极响应教育部号召，推出“校企同心、全力战疫、停课不停教、停课不停学”公益助力高校线上实验教学活动，全力配合高校开展在线实验课程教学并提供技术支持与保障. 我校近几年开设虚拟仿真实验，学生和教师对实验平台的使用都有基础. 1.2.3 动手做实验

做实验的关键是实验装置和测量工具，目前的智能手机中配置有大量的传感器，如：加速度、压力、时间、磁力计、光强、GPS、陀螺仪等传感器，利用这些传感器可以实现力、热、电、光等实验数据的测量. 手机应用软件如Phyphox、音频频谱分析仪、声音发生器等也可实现利用传感器进行数据的测量与分析. 因此，利用手机即可完成系列自主设计实验，如用单摆测重力加速度，用空气柱驻波法测量声速，等等，也可以利用手机的摄像功能和视频图像处理软件分析处理实验数据.

2 居家实验教学方案的实施过程

根据学生的认知特点，采用先虚后实、先理论模拟再动手实践的思路，居家实验教学方案的实施分2个阶段：第一阶段“慕课资源+仿真实验”，第二阶段“设计研究+趣味演示”.

2.1 第一阶段：慕课资源，自学实验理论；仿真实验，熟悉实验过程

通过上学期的物理实验学习，学生已经掌握了基本的实验方法和技能,具备自学物理实验理论的基础和能力. 在开课前，实验中心组织教师对“爱课程”、“学堂在线”、“中国大学MOOC”等平台的网络课程先考察学习，选取适合我校教学大纲要求和学生基础的优质网络课程. 经过教师试听试学，以“爱课程”平台的“国防科技大学的大学物理实验国家精品课”为主，以其他在线课程为辅，既达到我校教学大纲要求，又使学生有更多的选择，满足个性化学习需求. 学生根据教师的要求在一定时间内学习相关实验的教学视频，了解实验背景，掌握实验原理，熟悉实验仪器.

学生在掌握实验理论的基础上，在线进行仿真实验操作，练习实验台搭建、调试、测试和数据处理，模拟实验操作全过程. 考虑到使用实验软件人数多，网络易拥堵，安排学生分时段练习.

作为新型共享资源和新型的教学模式，慕课实现了教育资源的最优化配置，并在实践中取得了较好的成果[3-4]. 慕课模式也存在问题，如学生在自主学习中缺乏自觉性[5-6]，且线上教学，师生空间分离. 为了督促学生学习，帮助学生了解知识掌握程度，及时查漏补缺，测试环节必不可少.

为了检验学生实验理论及仿真操作的学习效果，教学组依托仿真实验软件提供的预习考核功能，教师根据重难点，提前设计每个实验的测试卷，包括客观题和操作题，客观题检验学生的实验理论学习效果，操作题检验学生实验操作规范性. 通过有学有考的方式，不仅能够督促学生认真学习，而且利用软件的数据统计优势，可以即时得出成绩统计分布图，为线下教学辅导提供参考依据.

2.2 第二阶段：设计研究，落实学思践行；趣味演示，激发实验热情

学生通过慕课资源学习，加深了对实验原理和物理知识的理解掌握，通过仿真实验熟悉了实验内容及操作过程，但作为实验课，最主要的任务还是要培养学生的动手实践能力和解决实际问题的能力. 基于此，在教学计划中安排了设计性研究性实验内容，让居家物理实验课不仅要“动动脑”，还要“动动手”.

我校物理实验中心组织教师编写设计性研究性实验项目资源库. 每个实验项目只提供大的研究方向，每个研究方向下按照基础、提升到进阶和选做，逐步提高难度，分阶段设置研究问题，引导学生研究. 通过设置分层次实验项目资源库，既能避免学生初次做设计性研究性选题的迷茫，又让学生有自主研究空间；既能保证基础薄弱学生可以完成基本的学习任务，又能让有能力的学生有挑战性. 在实验项目选题中，更鼓励学生自拟题目，如通过变通测量物理量、测量方法、测量仪器等方式设计新的研究内容，建议参加2020年CUPT竞赛的学生把竞赛题目作为设计性研究性实验选题，深入研究.

学生根据选择的实验项目，利用日常生活中的常见材料和手机传感器软件，自主设计搭建实验装置. 通过亲自设计实验，使学生从单纯的操作者变成设计者，这一角色的转变，使学生尝试了实验从设计、实施、取得结果到撰写论文的全过程. 通过课题研究模式培养学生基本的科研素养和科研习惯. 既让学生解脱电脑屏幕的束缚，又锻炼了学生的创新思维；既有挑战，又有成就感.

考虑到学生封闭在家，长时间面对电子设备学习，情绪容易烦躁，繁重的学习任务也会给学生心理上增加负担，在第二阶段的教学计划中还安排了趣味演示实验. 教师在微信群中发居家趣味演示，鼓励学生“秀一秀”，通过“搓锅接力”，观察在实验室中用演示仪器鱼洗才能看到的平面驻波现象，如图1所示. 通过“水中漂比赛”，观察水的表面张力，如图2所示. 通过“玩”的方式，寓学于乐，既活跃了学习氛围，拉近了师生之间的关系，又激发了学生对物理实验的学习热情，丰富了疫情期间的教学内容和形式.

图1 平面驻波演示

图2 表面张力演示

2.3 授课方式及互动交流

大学物理实验线上教学采用直播加辅导的授课方式，通过直播课介绍实验任务、实验要求及实验方案举例. 通过微信群组与学生互动交流，推送演示视频、软件使用说明、参考文献等材料供学生参考，鼓励学生小组讨论，相互借鉴，通过思维碰撞，促进对知识的理解. 学生利用碎片化时间做实验，时间分配灵活自由. 针对共性问题，教师通过语音、书写拍照、短视频、实物演示等方式辅导答疑，通过灵活多变的形式，使线上教学不枯燥，声音和图像实时传递，师生互动性更强.

3 居家实验教学方案实施中应注意的问题

3.1 让学生明确阶段性学习目标

学生在宽松舒适的环境中学习，会有很多干扰因素，没有督促，容易产生惰性. 因此在居家实验教学中要让学生明确每个阶段的学习目标，如在第一阶段的自学慕课、虚拟仿真实验教学中，要求学生1个星期完成1个实验项目，教师设置预习考核试卷，在线考核，考核成绩计入平时成绩，实现全过程考核. 在第二阶段的设计性研究性实验，由于时间周期长，采用组长负责制. 学生每星期向组长汇报实验进展情况及存在问题，组长向教师汇报，教师及时了解整体实验进展情况.

3.2 以学生为中心，急人之所急，需人之所需

为有效开展线上教学，实验中心多次征求学生意见，问卷调查了解学情，不断改进教学计划. 如在问卷中，“你希望怎样进行设计性研究性实验教学”的问题，结果见图3. 大多数学生具有独立探索研究的欲望，对于这些学生，教师要“散养”，给他们足够的探索空间. 还有部分学生希望教师设定目标和关卡，自己进行“闯关”式学习研究，对于这些学生，教师要做好向导，预设问题.

图3 学习方式喜好调研结果

为了解学生在实验过程中的困难，有针对性辅导，设置问题“关于设计性研究性物理实验，你希望得到哪方面的指导?” 结果反馈见图4，学生主要在实验选题、数据处理软件使用和论文书写方面存在困惑. 针对学生的问题，实验中心教师查找资料，及时补充实验项目资源库. 对居家实验中涉及比较多的软件，如手机传感器Phyphox、视频追踪分析软件Tracker、数据处理软件Origin等，为学生推送软件安装包、使用说明视频资料. 以参考论文为例向学生讲解论文的一般要素、书写重点、图表比例分布等.

图4 资源需求调研结果

在实验周期设置上，最初计划14天完成1个设计性研究性实验，但通过沟通调研，学生理论课程满，学习压力大，为缓解压力，保证实验质量，实验周期做了适当延长.

4 居家实验教学的启发与思考

停课不停学既是应对疫情，实现“不停教、不停学”的重要举措，也是对我国“互联网+教育”教学应用能力和应用成果的全面检阅，更是全社会开展教学信息化协同创新的一次契机.

4.1 促进大学物理实验混合式教学改革

当前教育资源不断更迭，线上教学工具不断更新，促使混合式教学迅速发展. 混合式教学可以把传统教学方式的优势和网络化教学的优势结合起来，既发挥教师引导、启发、监控教学过程的主导作用，又充分体现学生作为学习过程主体的主动性、积极性与创造性[7-8]. 通过此次线上教学，把教学资源(如慕课资源)、校际共享以及新型教学手段(如虚拟仿真、智慧课堂、雨课堂等)，与实践教学结合起来. 通过此次探索可以为后期的物理实验教学改革提供方向.

4.2 大学物理实验翻转课堂从理念到实践的深入

翻转课堂是信息技术支撑下的当代世界课堂教学形态的典范之作，它为教与学的发展提供了新的思路[9-10]. 翻转课堂致力于整合教育资源、转变教学方式、提高教学效率[11-13]. 在“慕课资源+仿真实验+设计研究+趣味演示”教学模式中，教师不再按传统的大学物理实验教学模式，学生课前依据实验教材写预习报告，课上教师讲解示范，学生重复实验、测量数据、验证现象及处理结果. 而是充分体现学生的主体地位，教师的主导作用，教师在课前把更多的资源推荐给学生，让学生自主学习，发现问题，教师有针对性地解决问题. 这个教学过程正是翻转课堂教学理念的体现. 但由于是在特殊时期，没有结合课堂教学，如果要在后期的教学中继续翻转课堂教学，还需要不断总结现有经验，深入实践.

4.3 自主设计研究思想从短期到常态的发展

在科学技术飞速发展的当下，社会迫切需要创新型人才，大学物理实验作为工科院校的基础实验课程，如何能够通过增强综合性和实践性培养学生的创新意识和创新能力，也是迫切需要解决的问题. 在宅家教学实践中，学生能够根据教师的问题导向进行自主研究，在研究中尝到了在实验室不曾有的失败和挫折，也因为自己的创意设计更有成就感. 通过独立完成设计、安装、测量整个过程，更能锻炼学生抗挫能力和探索精神. 这种教学方式也可以考虑推广到日常教学中，教师在实验教学设计中借鉴设计性研究性实验的教学形式，以问题牵引为线，鼓励学生发散思维，从每个基础实验项目逐步培养学生的创新意识.

5 结束语

在此次特殊背景下，根据先虚后实、先理论模拟再动手实践的思路，设计了“慕课资源+仿真实验+设计研究+趣味演示”的教学模式，在此模式下的教学形式、教学内容体现了线上线下混合、先学后教翻转、设计研究创新等实验教学改革的重要方向[14-15]. 通过线上教学，既是对前期教学资源建设的检验、教学理论研究的实践，也是积累经验的过程. 作为特殊时期的线上实验教学，有很多经验值得后期的实验教学借鉴，但也存在特殊性，需要教师在后期的教学中不断梳理存在的问题，总结方法经验，进一步完善.