“大物理”教學體系下“互聯網+”虛實結合實驗教學改革與實踐

戴朝卿, 趙麗華, 呂衛君, 汪小剛

(浙江農林大學 理學院, 浙江 臨安　311300)

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“大物理”教學體系下“互聯網+”虛實結合實驗教學改革與實踐

戴朝卿, 趙麗華, 呂衛君, 汪小剛

(浙江農林大學 理學院, 浙江 臨安311300)

結合農林及生命科學實際情況,在整個大科學概念下確定農林院校物理實驗課程的目標與定位,打通課程壁壘,整合實驗教學資源,構建實施以物理學為核心、以相關專業和應用學科為延伸的公共“大物理”平臺下的物理實驗教學新體系,實現“互聯網+”的實驗教學內容以及教學過程的虛實結合。初步實踐表明,教學改革強化了公共基礎課程在學生專業發展及個性養成中的作用,突出了專業人才培養的針對性、適應性和應用性,提高了教學質量與學生學習效果。

“大物理”教學體系； 互聯網+； 虛實結合； 物理實驗

物理類實驗對培養學生科學素養和提高學生科學實驗能力、創新能力有著重要的作用[1]。20世紀80年代,國際上紛紛涌現大學基礎物理教學改革浪潮,著名的是1987年美國物理學會、美國物理教師協會共同發起的美國國家科學基金委員會支持的“大學基礎物理學規劃”[2]。近幾年來,國內一些知名重點大學,如清華大學、中國科技大學、復旦大學、東南大學、北方交通大學等也對物理實驗課程進行了教學內容、教學體系、教材建設、教學方法和教學手段等各方面的改革和探索,積累了很多成功的經驗[3-5]。目前,我校已從一所純粹農林院校發展成為一所以農林學科為特色,涵蓋農、工、管、文、理、法、經、醫、藝等九大學科門類,在校生逾兩萬人,具有本科和研究生辦學層次的多科性大學。我校物理實驗課程也進行了大力的教學改革[6-9],物理實驗教學中心也已成為省實驗教學示范中心。但目前物理實驗課程仍不能很好地適應我校人才培養要求,實驗課程內容相互脫節,缺乏統一規劃的教學體系，教師對學生個性化指導深層次交流不夠,學生創新能力培養欠缺。圍繞我校“以生態化教育理念[10],構建以社會需要為導向、學生發展為目標的多樣化人才培養體系,注重培養學生的生態文明意識、創新精神與創業能力”的人才培養要求,結合農林及生命科學實際情況,在整個大科學概念下確定農林院校物理實驗課程的目標與定位,打破實驗室原有的條塊分割,打通課程壁壘,整合實驗教學資源,從課程體系、教學內容、教學方法與手段、教學效果等方面入手,進行了各種改革。

1　構建實施物理實驗教學新體系

堅持以生為本,打通課程壁壘,合理統籌、規劃、整合實驗室資源,探索以物理學為核心、相關專業和應用學科(生物物理、環境物理、高分子物理、電工電子技術等)為延伸的公共“大物理”平臺下的物理實驗教學體系(見圖1),注重第二、三課堂與第一課堂教學內容與育人活動的聯動。

圖1　公共“大物理”平臺下實驗教學體系

構建以“三層五模”為核心、“兩個平臺”為載體多課堂聯動的大學物理實驗教學體系,注重教授物理所涉及到的先進技術和有專業代表性的成果。使“公共基礎平臺”中的“基礎性-綜合性-探索性”實驗三大層次的物理實驗更好地銜接中學內容,使學生適應從基礎教育向高等教育的轉變。精選力、熱、電、光以及農林五大“專業提高模塊”的實驗內容,銜接“大物理”相關應用學科延伸的專業課程,實現分類教學,使學生適應從公共基礎學習到專業學習的轉變。如對農林、生物類專業學生,增加物理知識在現代農業與生物學中的應用和液體表面張力的測定、光譜分析等實驗,讓學生了解現象背后的物理規律,激發學習物理的興趣,銜接生物物理、環境物理等專業課程學習。

構建“自主開放學習平臺+多重交互自學平臺”兩大平臺為載體的開放式第二課堂。借助“自主開放學習平臺”,注重不同層次的開放實驗項目與第一課堂教學內容聯動。建設由“實驗導學軟件”、“虛擬仿真軟件”、“實驗規范操作視頻”和“教學互進系統”組成的課前、課中、課后“多重交互自學平臺”。

深入研究與相關應用學科對應的專業物理實驗,強調專業技能的熟悉和掌握,分流培養科研型和應用型人才,以達到創新創業型人才的培養目標。專業實驗基于“大物理”概念來建設,是近代物理實驗向專業學科的延伸和擴展。“大物理”的概念下的專業實驗立足物理基礎,面向機械設計、木材工程、高分子材料、生物科學與技術、環境科學、環境工程、電子信息、計算機等應用專業開設高分子物理、生物物理、環境物理、電工電子學、電工電子技術基礎等相關實驗課程。

注重學生的科研訓練,緊跟科學研究前沿,加強學生科研能力的培養,同時適應各應用領域對與生產相聯系的實用技術的需要,加強學生技術研發能力的培養。針對不同專業的特點,中心采取多樣化的培養模式。學生自主設計科研型實驗,開展結合科研課題的實驗研究,或者是實驗儀器設備改造,或者實驗制作,引導和鼓勵學生提出新的實驗項目。學生經過選題、調研、擬定實驗計劃、制訂方案與技術路線,以及實驗室初步審查后進行答辯,接受教師與同學的提問。經課程教師組確認后進入實驗室開展工作。實驗中心提供所需實驗設備。

2　基于“互聯網+”的虛實結合的實驗教學

2.1仿真實驗和真實實驗內容串接

公共“大物理”實驗教學體系是以物理學為核心、以相關專業和應用學科為延伸的新型實驗教學體系。大學物理實驗與專業實驗間存在知識內容的斷層,開發虛擬仿真實驗來修補這些知識的斷層成為最佳解決方案。深層次分析真實實驗模塊知識點間的聯系,用仿真實驗串接真實實驗模塊知識點,保障“專業提高模塊”中的實驗層層遞進、螺旋式上升設計思想的實現,使虛擬仿真實驗在大學物理真實實驗與專業真實實驗間起到知識橋梁作用(見圖2),加強學生創新能力的培養。

圖2　公共“大物理”實驗教學體系下實驗內容虛實結合

以對機械設計、電子信息等專業學生開設的示波器模塊實驗為例,闡釋公共基礎與專業基礎實驗教學的聯系與互補。這些專業的學生后續學習“電工學”、“模擬電子線路”等課程,而傳統“大學物理實驗”課程中由于實驗課時限制,基礎性實驗“示波器的原理和使用”不能滿足學生對知識的要求。學生除熟練使用示波器測頻率和幅度,還需對相位深入認識。因而在示波器模塊里拓寬教學的廣度和加深教學深度,從實驗“RC電路相頻特性的研究”到“RLC串聯諧振電路的研究”,難度逐步加深,而利用示波器測兩個正弦波的相位差這個知識點也循環反復應用。設計性實驗“用示波器測量電容的設計與實現”中，學生利用示波器測量相位差或電壓大小的方式測量一個未知電容的大小,這樣學生可以開拓思路,靈活應用所學實驗方法,并且和“電工電子技術”課程相關知識建立銜接。

精選模塊知識內容,注重模塊知識的系統性和任務型學習,銜接專業課程,解決學生從公共基礎學習到專業學習的轉變,突出能力培養的適應性問題。每個模塊具有獨立性、系統性、層次性和專業傾向性,各模塊知識層層遞進、螺旋式上升,按照基本操作(做實)-應用儀器(學活)-探索設計方案進行創新實驗(探究)3階段實施,突出學生能力的培養過程。專業提高實驗模塊充分開發利用仿真實驗,實現實驗內容的虛實結合。圖3 展示了光學模塊中“光譜分析與應用”實驗模塊教學內容的虛實結合過程。

2.2基于互聯網+實現教學過程虛實結合

利用自行研發的導學軟件、虛擬仿真、教學視頻、教學互進系統和BBS論壇等互聯網+的網絡化教學資源及實驗室門禁與教學監控等現代化教學管理體系,進行課前預習自學、課堂教學研討、課后反饋拓展的“一體兩翼”實驗教學(見圖4),實現教學過程的虛實結合。以課堂為主體中心,課前、課后為兩翼,“中心”帶動“兩翼”齊飛,三者緊密結合解決學生適應素質的培養和適應能力的培養等問題。

3　結語

公共“大物理”教學體系下虛實結合的物理類實驗教學改革與實踐非常必要。該教學改革使公共“大物理”概念下的實驗教學過程成為有機生態整體,強化了公共基礎課程在學生專業發展及個性養成中的作用,突出了專業人才培養的針對性、適應性和應用性,提高教學質量與學生學習效果。從一個學年的實施情況來看,師生普遍對教學改革舉措表示歡迎,學生學習積極性和主動性得到了很大程度的提高,獲得了顯著的育人成果。近3年來,教師指導的國家、省、校級大學生創新項目超過10項,指導學生第一作者發表的SCI論文超過15篇,學生獲得專利超過20項,此外,學生還獲得了省“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽一等獎、省大學生物理科技創新競賽一、二、三等獎等各類獎項。

圖3　實驗教學內容虛實結合

圖4　實驗教學過程的虛實結合

References)

[1] 錢鋒,熊宏奇,葉善專.物理實驗課程“多重交互”教學模式的創建與實踐[J].中國大學教學,2009(11):31-32.

[2] 趙佳,惲瑛.大學基礎物理學規劃第三次通訊[J].國際物理教育通訊,1989(4):8-12.

[3] 董有爾,郜江瑞,王彥華,等.四種教學模式連動,全過程開展研究性物理實驗教學[J].實驗技術與管理,2012,29(5):6-9.

[4] 張春平,初建崇,胡慧.大學物理實驗多元化考核方式的探索[J].實驗技術與管理,2015,32(4):223-225.

[5] 戴玉蓉,熊宏齊,張遠明,等.貫徹通識教育理念構建新生引導性實驗實踐課程[J].中國大學教學,2012(2):71-73.

[6] 趙麗華,戴朝卿,王悅悅.大學物理實驗生態化教學新體系的探索與實踐[J].實驗技術與管理,2013,30(5):167-170.

[7] 戴朝卿,趙麗華,汪小剛.農林院校物理實驗課程學習過程監控及測評體系探析[J].實驗技術與管理,2015,32(6):208-210.

[8] 戴朝卿,趙麗華,儲修祥,等.地方農林院校物理實驗教學示范中心建設實踐[J].實驗室研究與探索,2011,30(12):87-89.

[9] 戴朝卿,趙麗華,儲修祥.農林院校大學物理實驗第二課堂建設初探[J].物理與工程,2009,19(3):48-50.

[10] 陳敬佑.建設可持續發展的生態大學[J].教育,2007(11):35.

Reformandpracticeof“Internet+”andvirtual-actualcombinationofphysicsexperimentalteachingbasedonteachingsystemofgeneralizedphysics

DaiChaoqing,ZhaoLihua,LüWeijun,WangXiaogang

(SchoolofSciences,ZhejiangA&FUniversity,Lin’an311300,China)

Consideringcurrentsituationofagriculture,forestryandlifesciences,thegoalofphysicsexperimentinagriculturalandforestryuniversitiesisestablishedbasedonconceptofgeneralizedphysics.Aftergettingthroughthecoursebarrier,andintegratingexperimentalteachingresources,anewsystembasedonconceptofgeneralizedphysicsisestablished,which,takingphysicsascoreofinthenewsystem,extendstotherelatedapplieddisciplines,andthevirtual-actualcombinationofteachingcontentsofphysicsexperimentsbasedonInternetisrealized.Preliminarypracticesindicatethatthesereformsstrengthentheroleofpublicbasiccoursesinthestudents’professionaldevelopmentandpersonality,highlightthepertinence,adaptabilityandapplicationofprofessionalpersonneltraining,andimproveteachingqualityandstudents’learningeffect.

teachingsystemofgeneralizedphysics;Internet+;combinationofsimulationandreality;physicsexperiment

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.054

2015- 11- 08

全國教育信息技術研究“十二五”規劃課題(146241639)；浙江省教育廳科研項目(Y201225628)；浙江省高校實驗室工作研究重點項目(ZD201403)

戴朝卿(1980—),男,浙江金華,博士,副教授,研究方向為實驗教學、管理與研究.

E-mail：dcq424@126.com

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1002-4956(2016)5- 0205- 04