基于“互联网+”的大学物理实验教学改革与实践

刘子龙,石 迪,李 雪,侯晓楠

(中国石油大学(北京)理学院 油气光学与探测北京市重点实验室,北京 102249)

2022年底,国家卫生健康委通告新冠病毒由“乙类甲管”变成“乙类乙管”[1],大学物理实验线上课堂将重新转变为线下授课,而线上课堂的优势依然值得我们借鉴与思考[2-3],有助于开发“互联网+”大学物理实验线上教学新模式。

线上教学模式对大学物理实验课程来说不仅是一种机遇,也是一种挑战。在互联网时代背景下,要充分发挥互联网教学的优势,有效提高教学质量和教学效果。这不仅要求教师要科学地设计大学物理实验课程,还要提高学生学习积极性,强化实验课的教学成效。但是由于新冠疫情不断反复,线下教学模式变得越来越不稳定,同时也暴露出颇多的问题,导致学生学习效率普遍偏低[4]。探索互联网线上教学新模式不但可以达到“停课不停教,停课不停学”的教学目的,而且可以有效地提高教学效果,保证教学工作的顺利进行。丰富多样的线上教学手段与方式能够发挥互联网技术的优势,将显著地降低疫情防控对大学物理实验教学的影响,为大学物理实验教学改革注入新的技术、理念与活力。

1 大学物理实验线下教学存在的问题

大学物理实验作为本科教育的一门重要基础性实验课程,应用性广,知识覆盖面大。旨在通过系统科学的实验教学与培养,锻炼学生的科学实验能力,启发学生的创新性思维,使学生学会分析与解决问题,但是传统的线下教学依然存在以下问题:

1.1 实验教学方式单一

传统的实验教学方式主要包括教师在课堂上讲解实验原理、讲述实验步骤和实验仪器设备使用方法等。目前许多大学物理实验课教学均采取传统的课堂模式,但由于高校的课程安排比较多,导致大学物理实验课时偏少。在有限的时间内,教师们会采用“填塞式”教学模式来传递课堂知识,使得学生自主意识较低,很难围绕实验的创新性展开深入探讨。此外,高校物理实验教学中存在着“以教师为主”的问题[5]。在教学实践中,存在照搬课本内容,师生互动交流少等问题,很难激发学生的创新思维[6]。因此,这种单一的实验教学方式对培养创新型人才有很大的不利作用。

1.2 教学资源利用率低

尽管高校拥有大量的教学资源,但是不同高校的教学水平与实验室资源存在着一定差距,其中一些高校存在实验器材短缺、仪器老化等问题。这些问题使得线下实验教学资源不能充分利用,各高校资源难以进行有效的整合与共享,造成了实验室软硬件资源与教师资源的重复与浪费。这对学生进行复杂的物理实验,提升动手操作能力是非常不利的。

1.3 考评模式不全面

当前,我国大多数高校对大学物理实验的考评仍是传统的模式,即根据学生每次实验所提交的实验报告进行综合评定。但是部分学生对待实验报告并不用心,而老师往往会根据学生提交的实验报告来判定他们的成绩。这种评价方法既不能真实地反映学生的实际操作水平,又不能充分反映学生的科学素养与创新精神[7]。

因此,基于目前线下教学存在的问题,有必要转变教学模式,结合“互联网+”大学物理实验线上教学模式,不断优化教学方法,实现教育资源的集中统一,让大学物理实验教学更加便利高效。

2 基于“互联网+”的大学物理实验教学

2.1 “互联网+”大学物理实验教学理念

“互联网+”技术的快速发展给传统课堂带来了巨大挑战与机遇,传统课堂教学模式已无法适应当下的时代需求。在教育部提出“大力推动网络学习空间建设”的背景下,新一轮全国高等教育教学改革正在稳步推进。一方面,以“网络学习空间”为核心的“互联网+”大学物理实验等课程将成为大学物理实验课堂教学的发展方向。另一方面,新课标也提出了“鼓励利用互联网开展教学活动”“互联网+”教学的新理念,这将使我国传统高校大学物理实验课程更加丰富多彩。

“互联网+”大学物理实验课堂以网络技术为基础,由线上讲课平台和虚拟仿真实验平台搭建而成,学生可以通过网络线上课堂获得不同高校的优质教学资源,学习专业的理论知识,培养严谨的实验操作能力。“互联网+”大学物理实验课堂作为一种全新的教学方式,在满足学生学习需求、提高学生学习效率的同时更注重学生能力的培养。为此,可以充分发挥互联网信息技术在教学过程中的优势,结合大学物理教学目标和自身特点制定出符合本学科特点的改革方案。一方面,实现在线资源整合,利用多样化的网络技术,为不同课程授课教师提供个性化、专业化、网络化的教学服务。另一方面,探索新课改模式下创新人才培养模式,充分发挥互联网在大学物理课堂实践和教学中所起到的支撑作用,将课堂还给学生,使学生真正成为课堂的主人[8]。

此外,学生在“互联网+”大学物理实验课堂学习过程中,不仅可以学到大学物理实验的理论知识,而且可以在虚拟仿真平台不断地探索试验实验方法[9],让学生在掌握扎实专业知识的同时培养自己的动手实践能力,将学生从应试型人才转变为具有实践、思辨、创造能力的复合型人才,不断适应社会对各种类型的人才的要求。

2.2 “互联网+”大学物理实验教学优势

(1)学习时间、空间灵活,便于自主学习[10]。通过线上教学,学生可以在任意时间和地点学习,还可以通过对话框打字向老师提问,不受时间空间的束缚。同时线上课程一般提供录播,学生可以对知识点进行多次学习,加深记忆。

(2)课程资源丰富,教育资源平衡。即使是一些教育水平落后的地区也可以享受一线的教育资源,掌握先进的实验,增长知识,更好地阔宽视野。

(3)容易监测学生课前预习、课中表现、课后作业情况。现在的学习软件一般都有考勤签到打分系统,还可以对学生的作业进行批改审阅,大大减少了老师的工作量,同时也提高了老师检测学习情况的效率,从而根据学生学习状况及时给学生制定学习策略。

2.3 “互联网+”大学物理实验教学平台

近年来,互联网技术得到了迅猛的发展,互联网线上课堂开始不断涌现[11],各大院校都建立了各种线上课堂资源,包括教材资源、案例库、试题库、微课视频资源等。教师可以根据教学内容和难度来选择合适的线上课堂资源,使得“互联网”线上教学更加便利。同时虚拟仿真技术的发展很好的解决了线上教学无法进行实验操作的问题,比如科大奥锐物理虚拟仿真实验中心,如图1所示,移动虚拟实验Mlabs及国家虚拟实验平台等[12]。这些平台的出现使学生可以随时随地熟悉实验仪器和实验操作流程,进行虚拟仿真模拟实验,大大方便了学生的实验学习。对于虚拟仿真实验平台的使用,教师可以根据实验教学需求,向平台管理员申请开设虚拟教室。申请通过后,会在虚拟平台中创建一个虚拟教室。学生经授权登记成为合法学员,教师就可以在虚拟课堂中和学生进行“互动式”教学,方便又快捷。

中国高校慕课平台、腾讯课堂、云班课等一些上课软件及一些线上虚拟仿真平台的联合使用,不仅可以优化传统的教学模式,为学生提供便捷的学习环境,而且还可以提高学生的学习热情,提升学生学习效率,有利于大学物理实验课堂的建设与发展。

图1 科大奥锐物理虚拟仿真实验中心网页版界面

3 基于“互联网+”的大学物理实验教学实践

随着信息技术的快速发展,互联网已经成为教育领域不可缺少的新平台。如何将传统教学模式与高新技术结合起来,利用互联网技术开展好大学物理实验课程,一直是一个困扰着部分高校物理教学工作的难题。在介绍了“互联网+”大学物理实验课程概念及传统实验课堂普遍存在的问题的基础上,为有效提高大学物理实验的教学效果、更好地提升学生的综合能力,以下系统地介绍了“互联网+”大学物理实验的开展方式。

3.1 大学物理实验理论教学

(1)实验预习

教师可以通过网络教学资源和手机终端软件来完成教学计划安排,帮助学生有效地进行学习效率提升。课前预习了解实验原理及仪器的操作要领。让学生在实验课前了解实验的原理、仪器的构造和实验方法,从而提高实验预习的效果,减少实验操作和实验报告中的错误。学生可以通过中国大学慕课、腾讯课堂、云班课等线上平台预习实验的原理步骤[13],然后在虚拟仿真实验平台上进行实验操作。

(2)实验操作讲解

实验操作讲解可以分两部分进行:一是老师讲解实验的基本理论及数据的处理。理论部分可以通过腾讯课堂、腾讯会议、钉钉等软件进行讲解。线上教育软件的引入,让老师可以在任何时间地点回答学生的提问,同时线上课堂有录播,不论是老师还是学生都将更容易地发现自己的不足,学习与提升将更有针对性。二是老师可以使用物理实验室客户端或Mlabs移动虚拟实验软件等实验仿真软件介绍实验设备的构造和功能,并进行实验操作步骤和每部分原理讲解。线上教育平台与虚拟仿真软件的联合使用也将使学生对实验的理解更加深刻,学习更有积极性。

(3)实验报告撰写

通过线上的一些教学平台,学生可以直观地理解并验证理论知识,做到理论与实践相结合。在居家实验的操作过程中,学生通过线上直播或者视频录制的方式对实验过程进行一一讲解并记录实验数据,而仿真实验各个环节的操作具有实时、动态可记录性,可以随时查阅实验数据。居家实验报告的撰写以云文档存储,上传至云班课、雨课堂、超星学习中心、学校线上教学系统等平台,以便教师考核。教师在批改完实验报告后,总结实验操作和数据处理中存在的问题,在下次上课时给学生讲解。

3.2 实验案例分析

授课教师通过线上实验教学对实验理论原理进行讲解后,可以安排学生进行相关实验操作实践,对于一些简单的物理实验,可以设计一些居家可操作的物理实验,不但可以提升学生的学习热情和物理素养,而且锻炼了学生的动手能力,对知识的理解也将更深刻。对于一些复杂的实验或对仪器要求比较高的物理实验,可以利用科大奥锐、移动虚拟实验Mlabs等仿真实验平台来实施教学,增加教学的专业性和教学手段的丰富性。

(1)居家实验案例(拉脱法测液体表面张力系数α)

液体表面由于分子间的相互作用存在一种张力,即表面张力。通过拉脱法居家测量不同液体表面张力系数,可以使学生更好的理解表面张力的概念,解释生活中的科学现象,提升学生对大学物理实验的兴趣。

实验步骤如下:

a)准备一张A4纸,裁剪成V型纸条做砝码;

b)用线做三个线圈作为自制天平的一部分;

c)准备四个回形针,其中两个扣在一起;

d)剩下两个其中一个弯成“门”字型,长度为l,和最后一个回形针扣在一起;

e)把它们分别挂在两个线圈上,作为自制天平的两边;

f)最后把三个线圈连在一根吸管上,自制天平做好;

g)在门型针下面放液体容器,将门型针浸入液体,将天平调平;

h)在另一端逐渐增加纸质砝码,直至门型针拉出的液体膜破裂,记录增加砝码重量F,得到表面张力f=F/2;

i)用直尺测出门型针长度即可计算出液体表面张力系数α=f/l。

(2)虚拟仿真实验案例(相位法测波长、声速)

通过相位法测定超声波在空气中的传播速度,可以使学生了解压电陶瓷换能器的功能,学会示波器的使用,掌握测量声速的方法,具体实验界面见图2。

实验步骤如下:

a)查看帮助文档和仪器介绍,了解实验内容;

b)按照电路图,正确连接导线;

c)调节超声声速测定仪;

d)调节信号发生器的谐振频率,当示波器信号幅度最大时记录系统的谐振频率f;

e)改变超声声速测定仪两个换能器间的距离,使示波器屏幕上出现李萨如图形;

f)缓慢调节移动标尺间距,每次出现李萨如图经过半个波长,记录移动标尺位置x1,x2……,逐差法计算波长λ;

g)利用公式计算声速v=λf;

h)整理实验仪器,断开连线。

图2 科大奥锐仿真相位法测波长、声速实验

3.3 大学物理实验能力考核

在传统的考核方法中,教师通常会根据期末考试成绩和实验结果来评定学生的总分。通过常规的测试,虽然可以反映出学生掌握部分理论知识的水平,但并不能真正体现他们的实际操作能力和日常上课状态。对于平时喜欢回答问题以及课下作业完成情况较好的同学无法给出一个全面的评估。

当教师使用“互联网+”大学物理实验线上教学模式时,对学生学业成绩评估时教师可以把学生的实验操作成绩、知识理论水平、出勤率及课下作业完成情况等作为衡量学生最终成绩的重要指标。在考试中,考核的只是学生对一部分知识的掌握情况,而对于不同指标的全面评估将更加准确。教师可以将各部分成绩满分设置为100分,然后只需对不同的成绩指标设置不同的权重即可得到学生的最终成绩(如大学物理实验成绩=实验操作成绩×0.5+知识理论成绩×0.3+出勤率及课下作业成绩×0.2)。通过线上考核来进行成绩评定不仅节省了老师的大量批改与计分时间,同时成绩评定的结果也更加准确与公平,大大方便了教师对学生学习情况的评估。

4 结 论

通过对大学物理实验教学的改革与实践,构建了以学生为主体的“互联网+”大学物理实验教学新模式,对创新型人才的培养模式展开了积极的探索,充分发挥了“互联网+”线上教学的积极作用。“互联网+”大学物理实验线上教学具有很大的灵活性,突破了时间和空间的限制,学生不仅可以通过“互联网+”线上平台进行实验知识的理论学习,还可以通过居家物理实验和虚拟仿真平台实现线上实验的操作,大大增强了学生的物理思维能力和独立实验能力,培养了学生善于思考、主动探究、勇于创新的精神。同时,这种新型教学模式将不断提高大学物理实验教学的质量和效率,为“新工科”背景下的大学物理实验教学提供有益的借鉴。