基于CTCL 的大学物理实验教学模式与实践

王睿垠，冯放，金长江

（东北农业大学 文理学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

大学物理实验是面向高等院校本科生开设的实践类基础课，它既是科学知识的载体，又是技术与方法的载体[1].该课程对培养学生的科学态度、科学实验能力及创新意识起着其他课程不可替代的作用[2-3].经过多年的教学实践以及农业院校之间的同行交流后发现，实验教学内容存在的问题有：（1）忽略与理论课内容间的支撑关系，二者各自封闭；（2）课程体系同质化，脱离专业需求；（3）缺少序列化设计，不利于进阶式能力培养.教学过程存在的问题有：（1）教学多采用讲授法，学生被动地接受与重复，制约了自主学习能力发展，弱化了学生对知识的理解和思考，拓展思维能力缺失；（2）线上资源与课堂教学缺乏一体化的教学设计；（3）缺少学习过程反馈数据，学习状态无法可视化，不利于教师有效监管和评价.

本文从专业设置和教学条件出发，依托在线课程平台、智能学习系统等信息化手段，结合CTCL 教育技术范式，开展以学生学习、发展、学习效果为中心的教学改革[4].经过物理实验教学实践，该教学改革方案取得了较好的教学效果.

1 CTCL 范式下大学物理实验内容的统合

CTCL 是一个由文化（Culture）、技术（Technology）、学习内容（Content）和学习者（Learner）四要素构成的学习生态系统，其核心目标是提升学习品质、促进学习者的发展[5].学生处在学习生态系统的中心，通过内容的学习，达到提升解决问题的能力，形成学科思维，适应社会转型.因此，在实验内容上以CTCL目标为导向，将实验内容与理论课程、学科思维和实验能力相统合，进而实现学生在知识、能力、素质上的全面提升.

1.1 实验内容与理论课程的相互促进

大学物理与大学物理实验是相互支撑和促进的2门课程，实际教学中很多学生将其视为独立的2 门课程.造成这种现象的原因是“重课堂教学、轻实验教学”的思想依然存在.物理实验课程学分低、课时少，使得实验课往往被视为理论课的附属品[6]；另外，理论课进度与实验内容的不同步，大大弱化了2 门课程的促进作用，影响了教学质量[7].

针对这些情况，理论课教师要尽可能地融入实验内容，积极引导学生从“坐中学”转变到“做中学”，理论课程与实验课内容彼此呼应，才能真正实现理论与实践的共振.东北农业大学开设的大学物理实验内容包含刚体力学、流体力学、液体表面现象、热力学、静电场、振动与波动以及波动光学等.以刚体力学的转动惯量概念为例，对大部分学生来说转动惯量这一概念是晦涩难懂的，如果理论课的讲解融入测定刚体转动惯量这一实验，将有效化解学生对抽象的数学定义式的理解难度.这种融入既有利于理论概念的转变和认知能力的发展，又为实验的顺利开展做好知识上的准备，为学生预习扫清了知识障碍.另外，理论课堂还能预留给实验课堂一些带有研究性、挑战性的问题，引发学生的探索兴趣，将已有实验内容纵向深挖、横向拓展，并在实验中验证、创新与实践.例如：理论课堂完成等厚干涉——牛顿环半径推导后，预留将空气膜换成液膜后的折射率、溶液浓度的推导等有挑战度的问题，留待学生对“牛顿环测透镜半径”这一实验进行拓展，继而完成理论推导的实验验证.理论课程与实验内容的相互支撑与促进，既实现了知识、能力、素质的有机融合，又有助于学生从验证性实验到综合设计性实验的能力提升，其综合分析能力、创新能力得到提高，理论教学与实验教学相得益彰[8].

1.2 实验内容与学科思维的相互融合

新世纪的课程设置理念强调以社会发展需要为导向，培养专业人才；课程结构方面突出各维度课程类型之间的平衡，重视基础课、专业课、实践课在比例、内容等方面的支撑与融合.农科院校沿用的实验教材验证性实验过多，综合性、设计性以及与专业交叉的内容过少，不利于提升专业核心素养.因此，在实验内容和实验方法选择等环节，调整原有的课程内容，并根据学校专业特点增加学科应用内容，从而为基本专业素质的养成助力.在了解专业培养目标以及相关专业课后，对物理实验课程内容做出调整与改革.在内容分类方面，既注重农科与工科的大类划分，也要兼顾细分学科.以水利学院和电气与信息学院开设的工科大学物理实验课程为例，在总学时相同的情况下，考虑到专业技能和学科思维的养成，对具体实验内容和实验方法均做相应调整.针对农业水利工程、水文与水资源专业，除已有的测液体粘滞系数外，新增了雷诺数的测定与流型观察等流体力学类实验，相应减少电学实验；对于电气与信息学院，除示波器的使用外，增加声速的测量、测磁场、噪声的检测与分析等实验，减少流体力学与刚体力学实验.土壤水的保持和运动与水的物理性直接相关，因此测定液体表面张力系数时，工科专业的学生选择拉脱法，而农学专业的学生则采用最大泡压法，针对不同专业的学生选择不同的实验方法，有助于学生理解土壤学中的附加压强、浸润现象、毛细现象等内容.因此，大学物理实验作为一门实践型基础课，无论是在实验内容还是实验方法上，都要兼顾学科思维的建立与养成.

1.3 实验内容的序列化设计

大学物理实验一般分基础性实验、综合性实验、研究性实验3 个层次.基础性实验主要培养学生的基本动手能力、仪器的基本使用方法和撰写规范的实验报告.综合性实验由多项实验任务组成，目的是培养学生的综合分析能力以及应用多学科知识解决实验问题的能力.作为有挑战度的研究性实验，是指学生通过查阅文献、合理设计实验方法、恰当选用器材、完成数据处理以及分析改进方案等.研究性实验能激发学生勇于探索的科研精神和创造性思维，有助于培养学生的团队协作能力、创新能力和沟通能力.完成综合性实验和研究性实验的综合能力和高级思维不是一蹴而就的，需要通过实验内容的训练逐步提升.在实验教学中，将前后关联的几个内容按照由浅入深、循序渐进的原则构成一个由简到繁的系列，即将实验内容重组并序列化，有助于实现进阶式的能力提升.例如：惠斯通电桥测电阻→电势差计的原理及电动势的测定→集成电路温度传感器的特性测量及应用→电桥法制作热敏电阻温度计这一序列.实验项目按进阶序列进行，注重实验思想的提炼和实验关联[9]，逐步拓展方法中电桥法测电阻→补偿法测电动势→温度与电量的线性转换法→电阻值与温度的非线性转换法.通过该序列，学生由浅入深地理解电学元件和电桥相关知识，完成从低阶到高阶的能力过渡，最终实现基本技能训练与研究探索的统一.

2 CTCL范式下教学过程的优化

CTCL 范式是站位于学习角度的，强调技术的运用要与学习者的状况以及学习内容相适应，使彼此间达到最好的融合状态，进而达到改变学习者的学习方式、提升学业水平、改善学习者的综合素质的三重境界.目前，基于CTCL 的学习活动设计已在教育领域获得很好的教学效果[10].因此，以CTCL 范式为导向，利用现代教育技术对课前预习、课堂指导以及课后分享3个环节进行优化，以提高学生的学习效率、效果和效能.CTCL 范式与物理实验改革对照见图1.

图1 CTCL 范式与物理实验改革对照

2.1 预习环节

传统的预习模式非常单一，学生阅读教材后撰写报告即可.这种预习模式引发的弊端有：（1）单一的预习资料导致抄书现象严重；（2）知识准备不足时，预习难度大，影响实验完成质量；（3）无法监督与考核预习效果，学生存在侥幸心理，久而久之失去了学习的主动性和积极性.现代教育技术的飞速发展和广泛应用将有效解决这些弊端.首先，针对每个实验题目录制了模块化的教学视频，完成了大学物理实验的MOOC制作.视频分演播室原理讲解和实验室操作2部分.实验原理讲解多由生活案例或前沿应用导入，进而引发学生的学习兴趣，原理讲解多采用动态图片及动画演示呈现，高效地解决了学生知识准备不足问题.操作视频对仪器构造、实验现象、表盘读数、操作方法与流程、注意事项等均有详细介绍和特写.学生通过自主学习网络预习系统平台的MOOC资源，生动丰富的影像资料和实拍特写使预习效果得到极大提升.物理实验中心已完成大学物理实验网络教学共享平台的创建，推出了微信公众号——东北农大物理，可实现物理实验项目查询和介绍、在线测评、课程答疑等功能.此外，还制作了以本校真实题目拉脱法测液体的表面张力系数、空气的比热容比、衍射光栅测钠光波长等为原型的虚拟仿真操作软件.通过鼠标的点击与拖拽等操作，营造辅助或者部分替代传统实验硬件操作环节.虚拟仿真排除了实验中的干扰因素，学生在调节中可实时观察各种参量、内部结构以及操作动作的变化，模拟真实的实验过程.学生通过虚拟操作，建立对仪器结构、设计原理、读数方法的直观认识[11].在“互联网+”与“智能+”大背景下，在线课程平台、智能学习系统、人机交互环境、虚拟仿真等为学生创造了时时能学、处处可学、人人皆学的条件和环境，实现了个性化的学习.

2.2 课堂环节

为检测预习效果，将全班分成3 个讨论小组（每组约10 人），课前将3 个问题分给各小组.讨论题目因实验内容而异，一般为应用（不能与MOOC 视频重复）、原理及拓展（基本原理、衍生原理等）、流程及细节等.考虑到农业院校物理实验学时情况，检测时将根据授课班级的专业对重点实验题目进行考查，如工程学院重点考查力学类实验.教师利用10～15 min 开展组间讨论.讨论时每组随机选出2 人，通过学生的展示（发言或提前准备的PPT）及对学生的提问，检测学生预习程度，其它2 组学生和教师为发言的2人打分.打分的基本标准有：（1）实验原理阐述是否正确；（2）实验装置的功能及使用方法解说是否正确；（3）操作流程、实验结果的读取，注意事项等是否正确.为提高学生的参与度，小组打分取2 人中的最低分，教师打分取2 人的平均分.讨论结束后，教师进行提炼和总结，对预习测试中错误率高、讨论区有争议的问题要给出清晰解释.这种问题引导下的小组讨论模式，有利于学生进行探究式与个性化学习，相对轻松自由的学习氛围大大提高了学生的学习兴趣和动力，“乐学”的学习心理有利于对知识的深入理解和同化吸收.提出实验具体要求后，还要让学生带着问题去完成实验，如落球法测液体黏滞系数时如何去除非匀速下落过程，如何让钢球沿量筒轴线下落，如何计时更精确等问题，用实验中遇到的问题来激发学生的主动性和创造性[12].

指导实验时，针对学生的认知差异开展个性化教学.学生提问时，先是通过组间同学的交流、探讨来解决，有争议时，教师予以演示或明确说明.生生间以及师生间的互动不仅提高了课堂的生动性，而且使学生获得多角度的想法和更多解决问题的方式，进而拓宽学生的思维.课堂环节非常符合CTCL 范式倡导的自主学习+协作学习模式，即学生先通过自主学习进行知识的自我构建，尝试用新的认知来解决问题，并在问题解决过程中发现困难，这一困难最终在教师的指导以及同学的协作努力下得以解决.

2.3 分享环节

在网络平台讨论区，学生提出遇到的困难和障碍，分享实验心得和技巧，通过师生间以及生生间的在线互动交流，既提高了学生的参与度，又提高了学生的沟通能力和表达能力[6]22.此外，教师也在评论区提出优质讨论题目，吸引学生展开互动讨论，教师对讨论要做出提炼和总结，针对参与讨论的学生，可给出评价和激励（体现在平时分）.

3 考评方式精准化、数据化

CTCL 范式十分注重学习分析技术，强调对学生学习情况进行可视化分析与诊断，注重学习过程的评价和学习者特点的差异性评价，因此最终的实验成绩由预习测评、讨论区发言、课堂展示、实际操作、互评报告等过程性数据构成：（1）MOOC 预习平台的在线测试成绩，占总成绩的10%；（2）课上小组讨论成绩，取其他2 个讨论小组的打分（取最低分）和教师打分的平均值，占总成绩的30%；（3）教师对学生操作能力、解决问题的能力、完成质量等打分，占总成绩的40%；（4）学生将实验报告上传至网络平台讨论区，采用生生互评的方式，随机抽取3 名同学为其打分（取3 个分数的平均值），占总成绩的20%.这种全景式的评价方式既能更好地激励学生，又能促进课程教学的持续改进和迭代更新.

综上所述，以CTCL 教育范式为导向，对大学物理进行了以学生学习及学生发展为中心的内容建设和以学习效果为中心的教学改革，实现了知识传授、能力培养和价值塑造的统一.经过一学期的实践与应用，取得了良好的教学效果.互动式、智能化、开放性、多样性的智慧教学方式，延伸了学生知识的广度、认知的深度，激发出学生更多的活力和更高的效率，培养了学生自主学习能力、协作能力、综合能力和创新意识，真正实现了从“坐中学”到“做中学”的蜕变.