学习空间视域下的近代物理实验室建设探索

潘崇佩， 赵玮璐， 陈 靖， 徐 音， 唐柏权， 孔勇发

(南开大学 a.物理科学学院； b.基础物理国家级实验教学示范中心，天津 300071)

0 引 言

教学实验室是增强学生创新实践能力、培养综合素质人才的重要平台[1-2]。在教育改革不断深化的背景下，部分实验室出现供需失衡、效能减弱、学生参与度不足等结构性问题，对育人效果产生不利影响。而这些实验室大多具有很强的传统教学模式，其空间布局、运行模式、管理策略源于“以教为中心”的旧教学理念，因此难以与后疫情时代日渐流行的建构主义、多媒体学习、泛在化学习等新型教育形态相匹配[3-4]。为应对上述挑战，亟须在教育科学框架下寻找一种适应新形势的实验室重构与建设方案，以保障高校实验教学持续健康发展。

近年兴起的“学习空间”概念，将建构主义学习理论、信息技术与教学环境有机整合，为教室、实验室、图书馆等各类教育环境建设指出了一条可行的改革路径[5-6]。作为传统教学空间的进阶形态，学习空间遵循“以学生为中心”的设计理念，倡导教师、教学资源、信息技术、建筑布局等各个要素都为学生的学习服务，并逐步演化出智慧性、开放性、非线性等新型特征。在实践方面，学习空间将传统教室变革为主动学习教室、未来教室等各式智慧教室，已取得巨大成功[7-8]。而在实验室环境下，由于存在学生、教师、实验设备、实验环境等主客体间的多向交互作用，具有复杂度高、个性化需求突出等特点，基于学习空间的实验室建设研究正处于起步阶段。

《教育信息化2.0行动计划》指出，要开展以学习者为中心的智能化教学支持环境建设，加快建设智能教室、智能实验室等智能学习空间，推进信息技术和智能技术深度融入教育教学全过程[9]。学习空间理念与当前主流教育政策导向深度契合，为教育信息化全面融入实验教学环境提供一种整体性解决思路。依托基础物理国家级实验教学示范中心，结合物理学科专业特点，围绕环境建设、教学设计、运行管理等综合实践，重构具有学习空间典型特征的近代物理实验室，从而为高校实验类学习空间的一般性建设提供借鉴。

1 学习空间概述

1.1 学习空间发展背景及特征

学习空间是基于学习理论、学习科学与信息技术等学科基础发展而来的新兴概念，是教育范式变迁的重要节点。随着社会对于创新型、复合型、应用型人才需求不断扩大，传统课堂长期沿用的标准化教育方案及批量知识灌输的“流水线”模式受到冲击，而认知建构主义、情境认知等学习理论日益得到重视。这些新理念作用于教育环境领域，不断推进教育要素融合、学习空间应运。

学习空间涵盖“所有用于学习的场所”[10]，因此极大拓展了传统教学空间的边际，具有丰富意涵。从地点来看，学习空间并非将学习过程完全限制于课堂，而是可以发生在教室、实验室、图书馆、校园连廊等各类正式、非正式场所；从场景来看，学习空间既支持物理实境中的学习活动，也支持虚拟情境中的数字化学习；从最终目标来看，学习空间的全部要素皆是为了提升受教育者的学习体验。相比于传统教学空间注重于“教”，学习空间强调“以学生为中心”，其关注点集中于教育环境对学习活动的支持。

1.2 实验类学习空间及其建设要求

教室和实验室是高校两类典型教学场所。基于学习空间理念将传统教室改造为智慧教室，已成为近年来教育界及产业界应用的热点方向，相关研究已趋于成熟。各类智慧教室的共同特征可归纳为环境管理的便捷性以及情境感知的深入性[11]，为实验室向实验类学习空间的转变提供了参考依据。与此同时，实验室与教室环境还存在显著区别的若干特征，在设计与建设时应予以重视。

(1) 在实验仪器方面。不同于教室环境下知识在教师与学生间直接传递的过程，学生在实验室中需要自主操作教学仪器、完成实验课题，从而实现知识学习与能力培养。仪器设备作为实验室的重要组成部分，起到串联学生与教师的关键作用。实验类学习空间中教学仪器应具备一定程度的智能化，并且能够依据实验项目特点提供个性化、沉浸式学习体验。

(2) 在师生交互方面。不同于以讲授为主的理论课，实验课程多采取“以实践为主体、讲解与实践并行”的混合授课形式。学生在实践时遇到困难，往往倾向于向教师或同学提问，在认清问题、确定下一步方案后继续实验。此过程循环往复，直至实验目的全部达成。这种渐进式学习为师生、生生之间的有效互动预留了空间。实验类学习空间需要设置问题式引导、过程化考核等突显学生主体地位的教学设计，将学习的主动权交给学生。教师应避免机械式地灌输知识和技能，而在实验流程的节点处适时介入，从而提升学生主动进行合作性、研究性学习的内驱力。

(3) 在教育技术方面。随着移动互联网、VR、AR等手段不断发展，信息化技术对于现有的实体实验起到良好的补充效果，其中虚拟仿真技术在解决高成本、高危险、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等实验问题已展现出巨大成效[12]。实验类学习空间需要依据实验项目的具体情况，提供物理空间与信息空间的有效支撑与衔接，支持学生在双重空间中灵活切换。

1.3 实验类学习空间研究现状

构建实验类学习空间需要从教学环境、方法、技术等多方面共同介入。目前，研究者大多从智慧化角度切入，进行实验类学习空间建设路径的诠释。例如，林燕奎等[13]提出从实验室规划、硬件设施、软件配套三方面进行设计，建立环境友好型的自适应智慧实验室。黎启龙等[14]提出通过智慧管理、教学、环境的现实空间和虚拟空间构建智慧实验教学中心，以物联网、云计算、虚拟现实、大数据等新兴技术推动实验中心信息化建设的新形态。余泰等[15]提出，以数字化校园建设为基础，以服务师生为导向、统一云平台为基础、未来课堂为核心、智能数据分析为支撑，构建规范、安全、可靠的智慧校园环境。以上研究工作涵盖智慧实验室、智慧实验中心以及智慧校园等不同层次，为基于学习空间理念进行近代物理实验室具体建设提供了信息化视角的宏观参考。

2 近代物理实验室运行现状及存在的问题

“近代物理实验”课程是国内外高校物理系普遍开设的专业必修课，实验项目涵盖诺贝尔物理学奖经典实验以及现代应用型实验，具有难度大、专业性强、知识学习与科研探索相衔接的特点。学校依托基础物理国家级实验教学中心下属的近代物理实验室开设这一课程，面向物理学院、电光学院和伯苓学院(基础学科拔尖班)本科生授课。

在长期教学实践中，传统近代物理实验室虽为授课任务提供了必要的软硬件支持，但仍存在一些不利于学习活动的因素，其中不乏高校教学实验室常见的共性问题，例如：

(1) 实验室布局优化程度不足。受场地限制，多个实验项目通常集中于同一实验室，其所需环境条件(如遮光、静音、消磁等)不尽相同，导致实验项目间存在一定干扰；缺少独立的学习交流区，学生在实验过程中直接讨论，易对其他同学造成影响，也不便于学生与教师间深入互动；实验室布局千篇一律，易对学生造成沉闷单调的心理暗示，不利于形成良好的学习氛围。

(2) 实验室信息化程度低。实验室未配置针对实验项目的专用集成化信息系统，学生参照纸质讲义教材或说明书进行实验，虽然能够自行搜索互联网获取资料，但针对性差、上课效率不高；实验室对于虚拟仿真实验的支持有限，虽开设了个别仿真实验项目，但未形成覆盖整个课程内容的完整项目库；教师依托纸质实验报告考核学生的学习成效，评价方式静态原始，没有产生针对学生个体的全过程电子档案。

(3) 实验室教学模式单一。实验室现有的教学环境完全面向线下教学场景建设，对于线上教学以及线上线下混合式教学模式适配不足。学生只有处于实验室中才能完成实验学习活动，降低了实验室的使用效率。实验室呈现出“信息孤岛”的状态，与学生的关联程度不强。

3 学习空间融入近代物理实验室建设实践

鉴于教学资源、信息技术、建筑布局等要素共同影响学生的学习活动，有必要在学习空间框架下统筹考虑这些因素，对现有近代物理实验室加以重构建设。这有助于提升学生在近代物理实验课程中的学习效果，也对解决传统实验室所面临的共性问题具有一定现实意义。中心立足于教学环境、教学设计、运行管理等3个方面，综合探索学习空间理念融入实验室建设的整体路径，其总体框架见图1。

图1 基于学习空间理念的近代物理实验室建设框架

3.1 环境建设

教学实验室区别于其他教学场所(如居家实验环境)的核心特征，实验室可为学生构建出一种集约化的实践学习环境，并通过实验室文化、师生共同体等隐性要素对学生个体发展施加潜移默化的影响[16]。学习空间框架下的实验室环境建设涵盖物理空间(实体空间)建设与信息空间(虚拟空间)建设两重内容。

3.1.1 物理空间建设

物理空间建设需要考虑用户便捷性、仪器可用性、实验室安全性等条件。近代物理实验课程所涉及的设备种类较多、价格昂贵，光学、电学、磁学等不同仪器的使用条件不尽相同。从提升空间利用率、减少实验干扰等角度出发，应当将各类实验项目合理区隔。其次，应在实验区域外设置单独的师生讨论室，以便调配适当的信息化技术，从而使师生交互效果达到最佳。

综合以上因素，借鉴分散式、扁平化的智慧教室房间结构，将近代物理实验室重构为图2所示的建筑布局，使用轻钢龙骨与石膏板将实验室空间分隔为多个子空间，并针对新布局重新规划消防，以满足实验室安全要求，建设后的实际场景见图3。这种布局的优势在于保证较为清晰的功能分区以及行动路线，营造出课堂环境的整洁感与秩序感；学生在子空间中以小组形式进行实验，不易受其他组别学生干扰，有利于调动其自主学习、自主探索的氛围，提升其对实验课程学习的重视程度。

图2 重构后的近代物理实验室布局

图3 重构后的近代物理实验室实际场景

3.1.2 信息空间建设

信息空间是物理空间的重要延伸与补充。近代物理实验室信息空间建设具体包含面向实体实验的专用信息系统建设与虚拟仿真实验项目整合两部分。

(1) 建设针对实体实验的集成化信息系统。基于LAMP架构和Bootstrap前端框架编写了面向近代物理实验课程实体实验的自建信息系统。系统具有友好的人机交互界面，内容涵盖课程讲义、仪器说明以及教师筛选整理的精品教学资源链接(见图4)。这一系统可供学生在实验过程中随时进入信息空间浏览相关资料，提高其信息搜索的指向性。除提供丰富的多媒体资料外，这一系统还可用于收集学生课前预习时存在的疑难问题，便于教师课前掌握学生的学习动态，从而针对性地进行交流讨论。

图4 近代物理实验自建信息系统界面

(2) 整合虚拟仿真实验项目库。鉴于很多近代物理实验涉及核辐射、低温、高压等极端条件，在教学实验室中实际开设这些专业性实验存在一定困难，使用虚拟仿真实验代替实体实验成为一种较为理想的解决方案。依据近代物理实验课程大纲及选课专业人才培养目标，对“国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台”上线的70余项物理类、核物理与工程类实验题目进行测试与筛选，与学校自行开发的4项虚拟仿真实验项目整合，形成面向物理、电光、基础学科拔尖班等不同类别学生的虚拟仿真实验项目库，支撑不同需求的学生在信息空间中开展个性化学习活动。

3.1.3 双空间融合

物理空间与信息空间的建设为学生学习活动给予不同维度的支持，其功能并非彼此割裂，而是存在内在关联。从环境心理学角度出发，通过在实验室不同功能区域中设置相应二维码载体，吸引学生自然过渡到信息空间的对应功能区，从而实现物理空间与信息空间耦合。例如，在子实验室的实验台面放置相关诺贝尔奖科学家的原始论文及肖像照，引导学生自行扫码、更深入地学习实验背景；在隔墙上张贴往届学生所作的优秀海报，引导学生关注、了解并评价朋辈的实验结果。物理空间与信息空间二者融合的具体形式汇总于图5。由此构建出具有课程特色的实验室文化，使学生获得沉浸式实验学习氛围。

图5 物理空间与信息空间的衔接方式

3.2 教学设计

学习空间环境建设重塑了传统实验室的硬件基础，进而为教学实验室应用层面带来了变革的潜在可能。改造后的近代物理实验室不仅支持常规的线下授课模式，同时也为线上以及线上线下混合式授课方式提供便利条件。

3.2.1 对于线下教学形态的支持

线下授课是常规教学实验室普遍应用的教学形式。近代物理实验课程采用小组式学习方式，学生以2～3人为一组，通过“预习—讨论—实验—讨论—报告”的形式进行实验探究。重构后的近代物理实验室在各个环节体现出“以学生为中心”的核心理念。

(1) 思辨式预习讨论。学生在课前访问实验信息系统的预习模块，完成实验项目预习任务，并以PPT形式完成预习报告。学生进入实验室，将自己的预习报告向同组同学及教师讲解展示，而后对彼此预习报告中的细节进行辩证性互评，最后教师将存在的预习问题与学生进行深入讨论。实验室提供完备的摄录设备，将全过程以视频形式记录。

(2) 个性化实验选单。预习讨论环节结束后，小组根据实验信息系统提供的任务选单进行选择。根据项目不同难度，实验任务可分为基础性实验、综合性实验和探究性实验。实验目标具有层次性，教师根据学生的专业方向及预习效果进行适当建议，学生可根据自身兴趣灵活搭配个性化的实验内容。在每一个任务节点完成后，学生小组在师生讨论室中与教师分析实验结果，并确定下一阶段实验方案。最终教师根据实验完成度、选单难度等内容对实验过程进行整体性评估。微弱信号检测实验项目任务选单(见表1)。

表1 “微弱信号检测”实验任务选单

(3) 多媒体作业考核。目前各高校实验课程的考核形式多以纸质实验报告为主，其缺点在于评价方式单一，灵活性不足，容易出现学生机械式摘录教材甚至抄袭作业的情况。对于满足录制条件的部分实验，重构后的近代物理实验室为学生开放多媒体作业考核的选项。学生在实验过程中，可以利用实验室提供的摄录软硬件设备将实验过程中的关键实验步骤、实验结果进行记录，最终以视频的形式提交报告。相比于传统的纸质实验报告，视频报告考核方式涵盖影像、声音、文字等多维信息，对于学生的语言表达、团队合作以及信息整合能力具有良好的锻炼效果。

3.2.2 对于混合式教学形态的支持

受益于MOOC技术的发展，线下教学模式“预习—讨论—实验—讨论—报告”的流程可被整体移植至“线上+线下”混合式教学中。其中，预习阶段仍由学生在课前通过实验室信息空间提供的预习模块完成，讨论阶段由学生小组与教师在线上会议室中完成。其他学习环节在线下完成。

3.2.3 对于线上教学形态的支持

重构后的近代物理实验室支持虚拟仿真实验、实体实验两类线上教学活动。对于虚拟仿真实验，学生可借助信息空间所整合的虚拟仿真实验项目库实现“预习—实验—报告”一站式自主学习，并通过线上会议室与教师随时保持互动与讨论。对于实体实验，教师与助教可利用实验室为每个子空间所搭载的计算机及多机位摄像头完成实验课程的实时直播。在实体实验线上教学过程中，学生与教师通过互联网实时交流，在教师引导下确定实验方案，并在教师帮助下远程完成实验操作。这种教学形式的创新之处在于教师与学生的角色互换，学生藉由教师或助教指引操作实验仪器、观察实验现象并获得最终的实验结果。这一过程侧重于锻炼学生分析并处理突发问题的能力。

3.3 运行管理

学校已为设备、家具、试剂、技术安全等实验室常规管理活动建立了统一的信息化平台。对于这些环节，近代物理实验室严格遵照学校要求执行相关管理工作。与此同时，重构后的实验类学习空间还具备“以学习者为本”的管理特征，在实验信息系统中体现。

(1) 实验预约模块。近代物理实验课程采用定时制与小组预约制结合的选课方式，具有较强的灵活性。学生采用预约制上课，有助于激发其自主学习意识，引导其合理规划自身学习活动。实验信息系统提供上课预约模块，方便学生基于其学业任务灵活确定自己的实验时间。

(2) 学习档案模块。重构后的实验室可支撑思辨式预习讨论、个性化实验选项以及视频作业等多项教学步骤，这些环节均以影音文件形式留下历史记录，形成覆盖教学全过程的多媒体档案，从而全方位刻画出学生的学习画像。学生在实验课结束后可回顾自身的学习档案，对于实验成效形成自我评估与反思。

(3) 作业展示模块。课程结束后，学生可将自己完成的多媒体作业上传至实验信息系统的作业展示模块。经过长期迭代，逐渐形成包含各个年级、不同学生的实验课程朋辈资料库。这些历史积淀采用影音文件方式，真正做到“千人千面”，既杜绝了抄袭实验报告状况，也为选课新生带来较好的引导与激励作用。

4 结 语

作为一项系统性工程，教学实验室建设需要教育技术、教育环境、教学方法等诸多要素的协同配合，其综合成效对于高校创新实践类人才培养具有重要影响。在当前传统教学空间面临解构与重塑压力的背景下，加速推进教学实验室改革无疑具有迫切的现实意义。

聚焦于学习空间“以学生为中心”的核心理念，围绕赋能学生学习活动的整体目标，以近代物理实验室建设为案例，在实验室空间布局、教学设计、运行管理等层面进行了综合性探索实践，从而为教学实验室适配一流本科教育需求给出一种可操作、可移植的解决方案，亦为实验类学习空间一般性建设提供研究支撑。