实验类在线开放课程建设探索与实践——以东南大学预备性物理实验课程为例

戴玉蓉， 朱延技， 陈小喜， 熊宏齐

（东南大学a.物理学院，b.实验室与设备管理处，南京211189）

0 引 言

2013年《中共中央关于全面深化若干重大问题的决定》中，提出“构建利用信息化手段扩大优质教育资源覆盖面的有效机制，逐步缩小区域、城乡、校际差距”，此后2015年《教育部关于加强高等学校在线开放课程建设应用与管理的意见》、2016年《教育信息化“十三五”规划》、2018年《教育信息化2.0行动计划》、2019年《中国教育现代化2035》等文件的出台，都在不断推动高校建设并向社会开放在线课程，从而利用现代技术加快人才培养模式的改革［1-5］。

同时，随着网络信息技术的发展，以及移动终端智能化程度的提高，社交网络工具已经融入在线课程，可通过手机号、QQ或微信快速登录课程进行学习，并可方便地进行资源分享；且课程中通常具有多种形式、丰富、高质量的数字化学习资源，如微视频、PPT、文本、测验和作业、讨论等，和传统课程相比，学生更易于接受。对于学习者来说，在线课程突破了传统课堂教学在时间、空间和人数上的限制，更便于按需学习；再加上今年疫情影响，普遍的网络在线授课使得在线开放课程已快速融入高校的教学实践中［6-9］。

相对于理论课程，实验类在线开放课程的建设难度更大一些。本文将结合预备性物理实验在中国大学MOOC（爱课程）平台建设在线课程的过程，介绍课程建设过程中遇到的困难，采取的解决办法，从目标分析、课程结构、内容组织、教学模式、资源建设、考核方式等方面探索实验类在线课程的建设方案。

1 我国实验类在线开放课程基本情况

在政策支持和实际需求的双重推动下，在线课程发展迅速，但同时存在着课程内容分布不均衡的突出问题：理论课程多，实验课程少；实验课程纸上谈兵多，实际操作少［10-13］。图1所示统计了智慧树、爱课程（中国大学MOOC）、学堂在线以及好大学在线这4个在线开放课程平台的物理类课程，由图中数据可见，各平台中实验课程的门数占总课程门数的平均比例在10%。图2所示统计了在目前公布的所有国家精品在线开放课程（本科类）中，实验（实践）类课程只占2%左右。

图1 各平台物理类理论课程门数与实验课程门数对比（截止2020.08）

图2 国家精品在线开放课程中理论课程门数与实验（实践）课程门数对比

以上数据充分说明，尽管在线课程建设与发展的速度很快，但是实验类在线课程和理论类在线课程的建设存在着严重的不平衡。实验类在线课程建设难，建设好更难，能建设成为国家精品在线开放课程的更是凤毛麟角。

对于实验类课程来说，如果在线课程能做到线上线下互为补充，那么实验动手就不成问题，但是对于大多数外校的选课学习者来说，很难做到同步的线下实验，那么在线学习实验的理论知识，看实验课程的教学视频，再进行理论考核，对于实验课程的学习是远远不够的，很难达到实验课程应有的教学效果，难以培养学生的动手能力及创新思维。这也是在线开放实验课程在建设之初所遇到的问题。

2 预备性物理实验在线开放课程建设

作为大学物理实验必修课的预备课程，预备性物理实验选择了在中学物理基础上的10个定性或半定量的既经典又能引起学生兴趣的实验，包括干涉法测微小量、光电池特性的研究、利用钢尺测量激光的波长、胶片密度的测定等。同时，为了后续实验课程的顺利开展，将基本工具的使用、基本电路的规则、基本光路的搭建、实验数据的处理等巧妙设计在了以上各个实验项目中。

2.1 课程目标及初期困难

课程主要面向新入学的理工科本科生开设，同时也面向非理工科学生及其他社会学习者开放，2017年开始在中国大学MOOC（爱课程）上线，到目前为止已完整开设5期。对于参加学习的本科院校理工科新生，课程目标为促进他们对一些基本概念和原理的认识、理解，及基本实验的操作，帮助他们从中学物理基础到大学物理课程的学习做好衔接，从而带动后续物理理论和实验必修课程的学习；对于非理工科学生以及社会学习者，课程的主要目标在于激发他们对物理知识的学习兴趣，提高科学文化素质，培养科学实践精神。

课程在转型为在线开放课程之初，在每个实验项目的网上资源中都提供了知识介绍、实验目的、实验原理、仪器介绍、实验内容、操作指导、数据处理、分析思考、拓展阅读等内容，同时提供了配套的教学视频、演示文稿、测验作业，相对来说，资源较为丰富。但是，在实际开课过程中，课程团队深刻体会到，仅有这些内容对于实验实践类课程来说还远远不够，在网上只通过视频、讲义、PPT、作业、测验、考试等进行实验课程的教学，就像是纸上谈兵，学生无法对实验有深刻的认识，老师无法与学生就实验而讨论，也无法客观地对学生的学习效果进行评判。

本校的学生在线学习的同时，可以配套进行线下的实验操作，但是对于更多的外校同学和社会学习者来说，因实验条件的限制很难做到同步的线下实验。那么对于无法进行实验的同学来说，在线学习实验的理论知识，看实验课程的教学视频，再进行理论考核，对于实验内容的掌握和练习是远远不够的，很难达到实验课程应有的教学效果，难以培养学生的动手能力及创新思维。

2.2 解决方案

为解决上述问题，在第2期开课的同时，课程团队对课程资源进行了细致的梳理，并进行了3方面的建设与改进。①增加了小动画，增强同学对部分实验原理的理解；②增加或改进了实验操作的微视频，使同学们对实验过程有了更加感性的认识；③也是最重要的措施，是进行了与课程内容相应的虚拟仿真实验的开发与建设，每个实验项目的实验要求、实验操作及数据处理都与该课程的线下实体实验保持一致。

以上改进基本完成后，第3期开课在校内服务器上对学生进行了开放试点，课程在常规的公告、课件、作业、考试、讨论等栏目外，增加了“虚拟仿真实验”自定义栏目，学生们普遍认为仿真实验体验真实感很强，能够引起学习兴趣，与讲义、课件、视频、小动画、讨论、作业、考试等相结合（见图3），学习效果很好。

图3 课程学习页面-课件栏

如图4所示，学生在课程中点击“虚拟仿真实验”栏目，可进入虚拟仿真实验平台，完成实验并提交之后系统自动批改给分，同时教师可在此基础上复核修改学生得分。以干涉法测微小量实验为例（见图5），学生可在课程中通过课件、讲义、视频、动画演示、讨论区、练习题等学习实验原理，了解实验步骤，然后进行虚拟仿真实验。学生所完成的虚拟仿真实验的成绩将对接进入在线课程的域外成绩部分，最后按预定规则计入本课程的总分。

图4 课程学习页面-虚拟仿真实验栏

图5 干涉法测微小量虚拟仿真实验的教学过程

课程计分规则如下：域外成绩即虚拟仿真实验成绩占60%，该成绩由实验操作及数据报告组成，它们的具体比例按照每个实验项目的类型及难度在仿真实验平台后台设置；在线作业占20%，得分按照计分标准由教师批改或学生互改，系统计算累加；在线讨论提问答疑占10%，讨论成绩按学生在讨论区的活跃度和内容质量评判；在线考试占10%，题目由系统从题库中随机抽取。

以上考核计分方式对于校内、校外学生和社会学习者都相同。课程总成绩以实验成绩为主，更符合实验课程的特点。但对于校内学生来说，仍然可以选择线下实体实验（虚拟仿真实验与可选的实体实验相对应），如果学生选择该方式，那么其在线虚拟仿真实验部分的成绩由线下实体实验成绩代替，比例不变。

2.3 教学效果

经过第3期在线课程与虚拟仿真实验配套进行的试点及磨合，第4期开始面向校内外学生及社会学习者，全面实施网络在线课程＋虚拟仿真实验的开课模式。作为一门在校内只是以课外自主选修为主的小众型实验课程，在新模式推出后的第4期选课学习总人数超过3 000人，疫情期间的第5期选课人数突破4 000人，且有部分学校的老师将预备性物理实验作为源课程开设了SPOC课程。

图6所示为5期选课人数一览（其中第3期处在仿真实验建设及完善期间，只在校内服务器进行了开放试点，因此选课人数较少），由图可看出，从第1～第2期，因小动画和微视频等课程资源的丰富，选课人数增加，但总体人数还不多。第4期开始因为配套的虚拟仿真实验的全面开放，选课人数激增至第2期的3倍，第5期选课人数增至第2期的4倍。

图6 5期选课人数一览

第5期结课后，系统所给出的所有提交了作业、考试、讨论并完成虚拟仿真实验的学习者总体成绩分布如图7所示。由图中人数可看出，获得成绩者（注：只参与学习而未提交作业及未参加考试者无法获得成绩）占总选课人数的77%；在获得成绩的学习者中，优秀占26.0%，合格占62.7%，不合格占11.3%，这样的分布数据说明课程黏性较好（弃课率低），深度参与学习者多（获得成绩者多），完成度也较好（成绩分布合理），课程开设较为成功。

图7 第5期成绩统计（中国大学MOOC课程后台截图）

3 结 语

预备性物理实验课程在我校已开设近20年，课程主要目的为给部分中学物理教学要求较低或物理实验条件不好的新生补课，从而使得全校新生的整体物理实验水平填平补齐，提高教学起点，理工科新生可根据自己的兴趣和基础，在课外自主选择该课程的学习［14-15］。现在网络在线开放的教学模式使得课程进一步从校内拓展到了校外，目前课程在线开放已进行了5期，选课学生所在学校超过60所，既有来自985、211及双一流建设高校的学生，也有来自普通本科院校、高职高专的学生以及部分社会学习者。

课程团队将在现有的课程建设基础上，继续从突出学生个性培养、改变学生学习方式入手，改变传统教学方法，通过现代信息技术、综合应用多种手段，并根据实验课程的人才培养目标，不断精选实验内容，为学生创造一个宽松、自主、个性化学习的在线物理实验学习环境。从而争取面向更多学校及社会学习者开放，为更多的有需求的学习者提供学习资源。