大学物理实验自适应学习系统的设计与探索

蒋 芸，王亚芳，董爱国，周惟公

（1. 中国地质大学（北京） 数理学院，北京 100083；2. 保定理工学院 工程技术系，河北 保定 071000）

大学物理实验课程是大学生进行科学研究的入门课程，旨在对学生进行实践能力、创新能力的培养和训练，使其能够将知识运用于实践，解决实际问题。经过多年的教学积累，现有的课程内容比较丰富，体系比较稳定。近年来的教学改革主要集中在教学模式上，包括开放式教学、分层次教学、模块化教学、慕课、微课和仿真软件等。这些改革为实验教学开辟了很多新的思路，其目的在很大程度上都是为了提高学生学习的主动性[1-13]。但在教学中仍然存在学生兴趣不高、疲于应付等消极学习状态，不利于学生实践动手能力的培养和教学质量的提高。与此同时，我们发现电子游戏特别是网络游戏有巨大的吸引力，无论青少年还是成年人都会被其吸引，甚至沉迷其中。网络游戏的吸引力从哪里来？能不能让物理实验具有同样的吸引力，让学生变被动为主动呢？一些教育工作者开始研究电子游戏与各学科教学的结合问题，例如开发教育游戏，或者在教学中使用游戏化手段改变知识建构等[14-17]。本文将从心理学角度分析网络游戏的设计特点，并结合物理实验教学过程，尝试建立自适应的大学物理实验教学系统，让学生在轻松有趣的环境中，通过学习和训练，获得知识并培养能力。

1 自适应物理实验教学系统的心理学分析

1.1 大学物理实验教学存在的问题

通过对物理实验课程中教师和学生教与学行为的调研和分析，发现存在以下几方面问题：①学生学习动力不足，不能进行主动学习，希望教师尽可能多讲，愿意模仿教师或其他学生的实验操作，其结果是只停留在完成任务获得学分上，而不能从能力上获得应有的提高。②在独立操作过程中，学生不懂得掌握实验进度，不能独立判断操作是否正确，或者由于害怕失败或者损坏仪器，不敢轻易试错，在结果出错时不会分析问题所在，其结果往往是放弃努力，兴趣也随之消失。③教师在学生实验时，既不应指导过度，使学生自身训练不足，也不能指导过少，使学生困惑过多难以完成实验。但由于学生个体能力存在差异，教师的作用往往不能很好地把握。

1.2 自适应学习系统的心理学基础

解决这些问题的关键在于提高并维持学生的学习动机，使学生能够进行主动学习和训练。教育心理学指出，一般学生的学习动机分为两类：一为内源性动机，由个体内在兴趣、好奇心或成就感需求等内部原因引起；二为外源性动机，由外在的奖惩或者害怕失败等原因引起[18]。

与课程学习相比，流行网络游戏的吸引力正是来自于它提供了一个完全符合人类心理的系统，从内源和外源两个方面激励游戏玩家。首先，无论是短期看还是长期看，游戏都提供非常迅捷丰富的反馈，游戏对你的操作能给出即时、准确的反应，而且这种反应符合因果逻辑关系。短期来看，一个简单的操作，如果成功了，系统就会给出正向的积极的结果；如果失败了，系统就会告知并提示出错原因。在游戏过程中，系统还会给出进度条，告知完成了多少，还需要做多少。长期来看，通过系统反馈，能够使玩家清楚自己的状态，给玩家下一步行动指示，并通过激励，促使他们采取下一步行动。这种系统反馈就是心理学上的外源性动机，即通过及时提供反馈信息，进行适当表扬或批评，并对掌握的知识和能力进行合理的外部奖励[17,19-20]。游戏往往还是一个自适应系统，经过反馈的长期积累，它可对玩家的操作水平做出评价，给予成绩排行或者等级徽章，并根据情况给出下一步的系统难度。在适当的难度（平衡状态）下，玩家很容易进入到心理学上的“心流”状态，即忘记外界，专注于当前工作的状态，避免了由于过于困难或者过于简单使玩家感到焦虑或无聊。玩家在获得正向反馈时，成就感和自豪感油然而生，就像奥运夺冠和获得诺贝尔奖一样，找到一种幸福感。这种情况会不断刺激或者维持玩家的兴趣，形成内源性动机，从而让玩家继续游戏[21-22]。

根据以上分析，如果形成符合心理学的物理实验教学系统，就能使学生在课程学习中及时获得反馈，引导其认识问题所在，并进行主动学习、寻找解决方案。同时，系统还应根据学生的学习情况选择适当难度的实验，作为学生的下一个实验任务，即建立自适应系统，这样就能明显改善目前的状况。

2 自适应物理实验教学系统设计

2.1 系统组成与流程

本项研究利用各种新型教学手段将已有的各种物理实验教学资源组织起来，包括理论知识教材、课件和相关题目、网络教学视频、相关的网络慕课资源、仿真软件、实验室实体仪器等，形成合理的复合型教学系统。系统的基本构想如图1所示。

图1 自适应物理实验教学系统流程图

2.2 系统使用方法

学生在使用这个系统时有唯一的注册账号，全部操作和成绩记录在该账号上。对于理论知识的学习，学生可通过阅读教材和观看视频完成，之后使用账号参加考核，在电脑或手机上回答选择题或判断题，如果一次性答对，系统给予奖励分，如果多次尝试后答对，系统则只给予基本分，积分值达到一定要求后，方可进入仿真实验操作题目。这样能使学生在对题目进行认真思考后作答，对把握不大的题目可以增加训练次数。

对于仿真实验，过程中的每个关键操作都需要学生进行判断。系统不会直接给出结论，但如果需要可以进行提示或给出原理，启发学生思考。系统允许实验误差的存在，并会给出对结果的影响。如果在短时间内完成实验，且结果误差较小，会得到高分，反之会得到基本分。因此，系统鼓励学生在做好充分准备的前提下，集中精力完成实验。实验失败的学生可以借助系统进行反复练习，或者反复学习理论知识，并重新进行测试。仿真实验成绩达到一定积分后，可以在选定时间进入开放实验室进行实际实验操作。如果在选定时间内没能完成实验，系统则会扣除积分，积分过低则需要重新进行理论题学习和仿真实验，满足积分要求后再重新获得进入实验室的机会。

实际实验和仿真实验的结果不一定完全一致。如果学生在实验过程中遇到问题，可以向教师求教，教师一般只会给出提示，而不会直接给出答案，并会根据提示情况适当扣除积分，学生也可自行返回理论学习或仿真实验阶段查找原因，此时不会扣分。对于在实验中主动思考、主动发现问题和正确解决问题的学生，系统会适当给予奖励积分。教师根据学生实验情况和数据处理情况给出的成绩，会转换为积分。

完成理论答题、仿真实验和实际实验并获得积分后，学生可以进入下一步，如果积分较高可以选择其他模块的实验，如果较低则需要完成同一模块的其他实验，达到一定积分后再选择其他模块。当总积分达到要求后视为训练完成，系统会根据学生学习情况给出成绩，结束课程。

2.3 系统特点

此系统将实验分成理论知识准备、实验预操作（仿真实验）和实际操作三个部分，均为积分制，可以独立使用，并且相互联系。

（1）系统中的每个实验均由具体的理论知识和明确的实验任务组成。在学习过程中，学生首先需要弄懂物理概念等理论知识，其次要规范操作流程，降低实验的盲目性，并初步形成解决问题的思路和方法。这符合实验物理课程的教学目的，即通过完成实验任务培养学生运用已有知识解决实际问题的能力及创新能力。

（2）系统中的知识点或操作要点，是以问题或提示形式出现的。这就要求学生进行有针对性的思考或查询，促进学生的主动学习，培养其好的学习习惯和探索精神。

（3）对于每个知识点和操作要点的学习，系统都会通过奖励或惩罚给予及时反馈。对学生作答的正确与否及时进行确认，有助于学生及时发现问题、纠正错误，了解自己的学习进度，并调整学习方法，有助于刺激和维持学生的学习乐趣，激发其进一步学习的愿望。

（4）通过采用积分制形成了自适应系统，并根据学习效果调节实验难度，构建了个性化的学习环境。当前一阶段的学习和操作获得足够积分后，才能进入下一阶段，这就要求学生必须做好预习。如果由于出错或拖延了时间而减少积分，有可能退回到上一个学习阶段，这就督促学生要认真对待每一步，并迫使其努力分析错误原因尽量争取拿高分。如果回到上一阶段，系统会根据其错误原因，给出新的理论学习题目，弥补理论知识学习的不足。由于某个实验题目的积分将决定后面可选实验的范围，这种基于学生自身水平的学习，起到了鼓励学生不断努力的作用。当遇到困难时，可以通过训练或寻求帮助过关，对于一些追求高分的学生，允许其通过系统刷分，所付出的努力均能得到回报。此系统将原先含混的总成绩变成清楚的积分，不但能促进学生学习并完成实验任务，也有助于学生成绩评定的公平性。

3 实施与效果

根据上述基本设计思路，对自适应大学物理实验教学系统进行了初步探索。在此基础上，通过RLC谐振电路实验和霍尔效应实验对该系统进行了实践应用。

在RLC电路实验中，教师给出的题目涉及基本原理、规范操作、数据处理、实验任务等。学生在实验前或实验过程中，回答问题获得积分，当达到满分积分的60%以上时，可进入实践操作环节。当遇到问题时，学生可以通过教材、课堂指导、网络查询或者讨论等方式进行学习，但在操作环节要求学生独立完成。一般来说，学生回答问题的积分在满分积分的70%左右，学生独立完成实验的积分可达满分积分的90%左右，即可以顺利完成实验。课后调查显示，针对问题寻找答案并及时获得反馈，有利于实验的顺利进行。同时，这些问题可以起到引导学生思考方向、加深思考深度的作用，有效促进学生独立思考能力和实际动手能力的提升。

在霍尔效应实验中，在验证霍尔效应和应用元件测磁场等基本实验任务基础上，增加了扩展内容，包括数字化磁场测量仪、霍尔电流计和数字化霍尔电流计使用等。学生在完成基本实验任务后，由教师进行评价，如果结果在合理范围内，可得到70%的成绩。之后，可以选择完成扩展内容，获得相应的高分成绩。实践中，有30%～40%的学生选择尝试了扩展内容，约10%的学生能够完成全部扩展内容，获得 90%以上的成绩。但如果没有加分的鼓励，可能只有 5%左右的学生会尝试扩展题目。显然，积分制对学生学习有明显的促进作用。但当有的学生试图完成全部扩展内容时，其基本实验任务的完成难免过于匆忙，所得到的数据难免比较粗糙，而面对扩展内容时难免思路不清。这说明，选择适当难度的内容对学生的学习非常重要，难度适当时，学习效果最佳。

4 结语

这种模拟网络游戏设计的过关升级型教学系统的实现，需要理顺理论与实践的各种关系，需要将常见的教学手段进行合理应用，也需要少量的系统化开发，这在目前的技术条件下是可以实现的。

但该系统对教师、课程设计、实验软硬件的要求大大提高。首先，要求有大量的不同层次的理论题目，而这些题目应该形成一个可以按照层次分布的随机抽取的考题库；其次，仿真题目也要求针对不同操作给出相应的反馈和提示线索，并根据学生的操作情况打分；第三，对于实际实验操作，要配合网络环境，使学生可以及时查找理论知识，同时，实验室控制系统也需要与学生的学习信息管理建立联系，以保证系统的正常运行。

以目前已有的软硬件条件看，部分实验可以满足此系统的要求，基础题目、仿真实验和真实实验都能很好配合。但是对于研究型和设计型实验，由于中间一般没有仿真软件，则要求学生根据实验目的和现有仪器，在设计实施方案和理论知识问题方面进行积极探索，并通过与教师的交流随时补充理论知识、调整实施方案并开展实验等。