基于混合课堂的大学物理实验多层次教学与实践

连增菊，王培卿

（宁波大学 物理科学与技术学院，浙江 宁波 315211）

大学物理实验作为实践性自然科学基础课程，在培养学生的自主学习能力、科学思维能力、实践能力、合作精神和创新创造能力等方面肩负着重大的责任[1-5]。然而，在知识结构迅速更新换代的当下，传统单一的线下教学在人才培养方面越来越显得疲软无力[6-8]。自从1999年教育部出台《面向21世纪教育振兴行动计划》实施扩招以来，普通综合性大学中的大学物理实验课程一次承担的学生人数基本稳定在千人以上，有的甚至逼近3000人[9]。如此庞大的人数大大增加了教师的工作强度和重复度，从而导致教师工作激情降低，教师思想禁锢，很难发挥教师在教学中积极引导和创新性教学的作用。传统的“教师讲授实验原理步骤—学生操作—课后数据处理”的课堂教学流程，也因其单一化和模式化未能有效地激发学生的学习兴趣。因此，借助现代先进计算机技术，让教师跳出繁重的重复性工作，并对学生进行分类多层次教学显得十分必要而紧迫。另外，大学物理实验面向的是理工科类大一学生，这些学生刚从封闭式、教师陪练式的高中学习进入到开放性自主式的大学学习。很多同学并未能适应这种学习方式的变化，从而容易迷失在从无人管束到自我放任的道路中。因此，传统的线下孤立的预习模式，在自主学习能力和自制力相对薄弱的大一新生面前往往沦陷为简单的文字抄写工作，从而失去了实验预习的本来目的和意义。由于实验预习的不到位，也使得很多同学在实验课堂中疲于应付，一味地依样画葫芦缺乏自主思考的过程，对所作实验往往一知半解，甚至完全不解，更不用说创新能力和合作精神的培养。因此，建立一个有效的实时监督的预习体系帮助自制力较弱的大一新生进行有效预习并提高学生的学习兴趣是十分必要的。其中借助网络技术搭建网络预习平台和仿真平台是实现这一目标的一个十分有效的方式。另一方面，在这几千的新生中不乏优秀的学生，他们自主自律有自己的学习目标。这类学生学习主动性强，实验预习到位，做大学物理基础实验得心应手，甚至觉得有点过于简单。对于这类学生，把每次4学时的时间完全耗在基础实验上着实有点荒废时间。他们有能力也往往有强烈的愿望进行拓展实验。对这类学生进行适当的引导开展开放设计性实验将更有效地激发他们的学习兴趣和创新能力。因此，根据不同的学生的学习能力进行分层教学是十分必要而迫切的。我校对大学物理实验课程进行了线上线下混合式多层次教学的初步改革，并取得了初步的成效。本文即对我校大学物理实验课程改革中的混合式多层次教学模式进行详细介绍（教学改革模型见图1），以期给物理实验教学改革带来新的思路和方案。

图1 基于线上线下混合课堂的大学物理实验多层次教学模型

1 课前导学，视频+仿真的集中翻转

课前导学就是通过下发学习任务、观看教学视频、仿真练习和提出问题的过程，实现实验预习和激发学生学习兴趣的目的。

在实验课前一周我们下发学习任务，明确实验目的、需要熟悉的实验仪器和原理、要解决的物理问题和实验方法。让学生带着学习任务在网络平台上（我校采用超星学习通）观看学习实验原理和教学视频。教学视频包括实验原理讲解、实验步骤演示和实验注意事项。也就是说，我们把传统的实验课堂中的原理和演示部分实现了课前的线上翻转，突破这部分内容学习的时间和空间的限制，同时也为学生留出更多的课堂时间进行课堂讨论、自主思考和分层实验。线上视频长期有效，学生可以反复观看视频以求充分学习理解。视频学习之后，学生还需要完成相应的试题以便检测预习效果。线上每个视频一般在10～15分钟之间，测试题大概4～6题。学生完成整个视频观看和试题基本在25分钟之内，这个时间基本在学生的有效学习时间范围内。教师可以通过网络学习平台（超星学习通）实时监控学生视频学习情况和试题检测结果。学生的网络学习数据将计入最后的实验成绩，这在一定程度上可以实时督促学生的课前预习，避免自制力相对较弱的大一新生陷入无人监管的放羊式教学中，同时也可以让教师从繁重的人工批改预习报告的重复工作中解放出来，并能挤出更多的时间进行学生的创新能力的培养。在此环节学习中，鼓励学生碰到问题及时主动与教师和同学进行线上线下交流，此过程显著提高学生的学习效率。

完成网络视频学习后，学生可以通过仿真实验模块进行线上预实验。此环节，学生的主要任务：①熟悉实验仪器；②熟悉实验操作过程；③提出问题。仿真实验中的虚拟实验仪器在外观结构上和功能布局上与我们线下的仪器基本一致，学生可以通过仿真实验充分熟悉实验仪器。通过仿真实验操作熟悉该实验的操作过程和需要解决的物理问题。仿真系统对学生的仿真实验操作可以进行自动打分。学生对掌握不好的实验可以进行重复操作，系统保留学生操作的最高分。这个不光可以让学生有效地检验自己的学习效果，还可以增加学生的自信心。仿真实验由于其虚拟性，整个实验过程可以随时被叫停，使得学生有充分的时间进行深入的思考并提出问题进行讨论。

通过学习通上的理论和实际操作视频的学习以及仿真实验的操作，学生可以充分地明确学习任务，理解实验理论，熟悉实验操作过程并在学习中提出有效问题。在次环节中，鼓励学有余力的同学根据实验目的可以提出与教材不同的设计方案或者改进方案，锻炼学生的自主创新能力。当然，提出一个新的或改进的实验方案是一个相对困难并需要长期思考的过程，整个方案的提出和设计可能是贯穿线上线下实验的整个过程的。后期，我们将对好的实验项目进行展示、加分等适当鼓励。

2 课堂实践，分层教学

有了前期的课程导学，线下实验课程可以根据学生的预习情况及问题收集情况进行有针对性的讲解和讨论，同时根据学生学习能力的不同安排不同层次的实验，进行因材施教，并充分发挥学生的创新能力。因此，线下的实验课堂我们主要分三个阶段进行。

第一阶段，问题分析讨论阶段。教师根据学生线上视频学习和仿真情况，对学生的疑问和前期预习进行分析，以学生在线提出的问题为主、教师补充的问题为辅进行交流讨论。对于有与教材或线上视频不同设计方案的同学可以阐述各自的设计思路，对重点和难点问题加以说明。

第二阶段，实验操作阶段。所有学生根据实验任务按要求完成实验。实验要求学生分组（1～2人）独立完成。大学物理基础实验主要培养学生动手能力、独立思考能力和严谨的科学思维能力，并加深对物理基本规律和定律的理解。因此，这个阶段的实验，我们要求学生独立完成（除了个别实验，如用拉伸法测金属丝的弹性模量，需要2人合作完成外），遇到问题要求学生先进行独立思考，如仍未能解决，可以寻求教师的帮助。由于有了前期的课前导读尤其是仿真实验操作，学生完成实验的操作时间明显比传统单一线下教学模式的操作时间短很多。据统计，个别班级的个别实验的操作时间可以比传统教学模式的操作时间缩短50%。这个阶段学生实验操作速度的提高，可以为学生腾出更多的时间进行下阶段的分层教学。

第三阶段，对于学有余力的学生，完成课程内容后，根据学生需求进行分层次实验教学。对于有创新方案的同学，可以根据自己的设计方案进行自主实验（教师提供相应的辅助器材，并提供相应的帮助）。对于动手能力较强并且对相应实验的补充内容有兴趣的同学，可以进行该实验的补充实验，教师提供相应的引导和讨论。如，在完成“用霍尔元件测量磁场”实验后，我们可以让学生自主设计实验测量霍尔元件的电学性质；在完成“用扭摆法测定物理转动惯量”后，可以让学生利用转动定律测量给定钢丝的切变模量。这阶段的实验主要是对学生学习能力的进一步拓展，培养他们的创新能力和团队合作能力。因此，此阶段实验，我们鼓励学生成立团队小组，分工完成。这阶段的实验出于学生自愿不强制要求，但是我们可以通过加分、参加各类实验竞赛入门资格的方式鼓励学生参与。这阶段的实验需要学生的团队合作和自主创新能力，难度比基础实验稍大，耗时也相对较长，因此这部分的实验有时候不能在课堂上一次完成。鉴于此，我们把实验室向这部分学生开放，鼓励学生利用课余时间继续完成这部分实验。最终能顺利完成实验的，往往是对物理实验真正感兴趣的学生，这为我们下一阶段的拓展实验奠定了基础，也物色了人才。

3 课后分层拓展，适时翻转

这一环节是对前期学习的巩固、升华，并为下一阶段的自主创新做准备。学生完成线下实验后首先必须完成相应的实验数据处理和思考题。教师利用网络课程论坛以及 QQ等社交工具为学生创设实验反思和经验分享的空间社区。学生可以在这些空间社区里交流彼此的疑问及收获，并根据教师推荐的相关资源拓展实验内容。

对于动手能力较强并对实验感兴趣的同学根据学生的情况进行前期的创新性实验探索。这些实验探索主要包括研究性探索实验和实验竞赛。对于这些学生，教师可以结合学生目前的知识结构提供相应的前沿性物理问题。教师和学生课后可以就提供的物理问题进行线上线下充分的讨论，并组队讨论提出可能的设计方案，为后期的创新实验做准备。对这类学生，教师鼓励学生尝试运用Origin、Excel、Maple、Matlab等软件对大学物理实验数据进行处理。对程度好的同学，还可以鼓励学生用Matlab，C语言，Python等模拟实验的动态过程。让学生熟悉常用数据处理和模拟工具，对后期的创新性实验的数据处理和模拟工作做准备。教师根据学生长期交流和讨论的情况最终推荐学生进行创新实验及竞赛实训，为将来的毕业论文、科研工作及各类竞赛，如“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛、全国大学生学术竞赛（CUPT）、大学生创新实验竞赛等做好准备。在这个阶段中，我们鼓励学生在课程空间社区中分享各自好的经验，对于好的作品我们通过视频拍摄、仿真制作等后期制作逐步补充到线上学习资料中，从而为将来学生的自主学习提供更为丰富而完善的学习资料。

此环节的实施，在巩固和提升学生的前期学习内容，培养学生的团队合作能力，激发学生的创新创造能力的同时，也能有效地为教师物色适合实施创新实验和各类实验竞赛的优秀学生。为了能更加有效地进行分层教学，我们最近依次开设了“开放性创新实验”“物理竞赛实训”等拓展实验课程。经过几年的课程建设，学生的学习兴趣、动手能力和创新意识明显增强，参加各类实验竞赛的学生人数逐年上升。同时，我校在物理实验竞赛中也取得了多项奖项的突破。我院在中国大学学生物理学术竞赛、挑战杯、互联网+、大学生创新实验竞赛等斩获的奖项逐年增多，并获得全国一等奖、二等奖等好成绩。

4 结语

基于线上线下混合课堂的多层次教学为大学物理实验教学改革提供了一个新的思路和方案。该教学模式充分利用了当下网络技术的优势，通过线上视频导学、仿真实验、线上实时或异步互动等各类线上活动，结合线下基础实验、实验竞赛和开放创新实验，充分调动学生的学习兴趣，避免传统教学的枯燥性与说教性，同时把教师从繁重的重复性简单工作中解脱出来，留出更多的时间精力来真正培养学生的学习力、创造力和团队合作能力。另外，通过分层教学，充分考虑学生的个体差异，因材施教，提高课堂教学效能，并有效锻炼学生发现问题解决问题的能力和动手操作能力，营造多层次的实验创新氛围，培养学生的团队合作和创新创造能力。