基于MOOCs的大學物理實驗教學改革

蔡 青， 胡永金， 李星星， 吳云沛

(湖北汽車工業學院 理學院，湖北 十堰 442002)

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基于MOOCs的大學物理實驗教學改革

蔡 青， 胡永金， 李星星， 吳云沛

(湖北汽車工業學院 理學院，湖北 十堰 442002)

針對傳統大學物理實驗教學存在的問題，提出了基于MOOCs的大學物理實驗教學改革方案。該方案以學生自主學習為主，教師指導為輔的教學指導思想，以“網絡微課視頻+網絡互動+面授”為核心的改革思路，以微課視頻、在線測試和互動以及實驗拓展知識學習為輔的先進教學手段，實現對大學物理實驗教學改革。通過在物理實驗教學課堂中的應用，該改革方案不僅激發學生的學習興趣，而且提高學生自主學習的意識和創新能力，取得良好的教學效果。

大學物理實驗； 慕課； 微課； 教學改革

0 引 言

大學物理是高校理工科學生的必修基礎課程，大學物理實驗作為該課程的驗證性課程不但讓學生所學知識能夠理論聯系實際，而且對于培養學生的動手能力、分析問題和解決問題能力以及創新能力都有重要的作用[1]。傳統大學物理實驗課程的教學模式主要是：預習、實驗操作、實驗報告、課后作業、教師評分。主要存在的問題是：實驗教學內容陳舊、跟不上時代發展的步伐，實驗教學手段落后單一、現代化教學技術應用不足[2]。因此，如何通過改變傳統的教學模式來提高物理實驗教學質量以激發學生的學習積極性和創造性是目前高校物理實驗教學亟待解決的問題。

目前，全國各高校針對自身的特點和實際情況提出了多種物理實驗教學改革的方案，總結起來主要有以下幾種改革方案：①實驗教學內容的改革，主要是修改實驗教學的大綱，引入貼近實際生活的創新實驗和綜合性實驗激發學生的學習興趣和積極性[3-4]。②實驗教學手段的改革，合理安排實驗教學的各個環節，引進多媒體、網絡和智能儀器設備來改善教學質量和效果[5-6]。但是這兩類教學改革仍然沒有改變以老師教和學生被動地學傳統模式，學生思維仍然被限制在教師預定的模式下進行，同時現代化先進技術手段的應用很多時候適得其反不是激發學生的興趣，而是滋長學生的惰性。

針對以上提出的各種改革方案，本文從自身學校的特點和實際情況出發，提出了基于MOOCs[7]的物理實驗教學改革方案。該方案將MOOCs這種新的教學模式與傳統教學相融合，實現了一種新的教學模式：“網絡微課視頻+網絡互動+面授”。改革的主要思路是：①課前將翻轉課堂引入實驗教學[8]。課前學生可以利用“碎片化”的時間通過觀看視頻進行實驗原理和操作部分的預習，并且學生還可以利用網絡平臺進行師生及生生之間在線交流、學生自測和互評。培養學生的自主學習能力[9]。②課堂上老師不再進行實驗原理的講解以及操作部分的演示，而只進行答疑解惑，實現一對一的指導，協作學生完成實驗，培養學生的獨立探索能力。③課后，學生除了完成和提交實驗報告外，可以通過網絡平臺觀看實驗的拓展視頻，回答課堂預留的擴展問題以及進行實驗經驗交流和心得分享，教師可以根據網絡平臺中活躍度對學生進行一定的獎勵。課后的安排不但進一步增強學生的學習興趣，而且培養學生獨立思考的能力。該教學改革方案經過在本校的物理實驗教學中實踐，取得了較好的教學效果。

1 總體的改革方案

本文提出的物理實驗改革設計方案如圖1所示，主要分為3個部分，①課前預習環節，主要是觀看微課視頻；在線測驗、討論交流；機器評分和學生互評。②課堂實驗環節，主要是教師輔助下學生獨立完成實驗。③課后復習鞏固環節，主要是完成實驗報告；在線互動實驗心得體會；學習實驗拓展資源以及激勵機制。

1.1 課 前

課前預習是教學非常重要的環節，做好課前預習不但能夠培養學生的獨立自主學習能力，而且為后續的課堂實驗提供了有利保障。實驗課實踐性較強，操作類的知識需要反復練習才能熟練掌握。傳統的大學物理實驗教學模式下學生通過閱讀教材進行預習，學生對實驗儀器的了解不夠直觀，也無法通過反復操作增加實驗操作的熟練程度。MOOCs模式下大學物理實驗教學改革讓學生在課前根據自己的時間規劃和學

圖1 物理實驗改革設計方案結構圖

習習慣觀看微課視頻進行預習，把握學習進度。通過觀看微課視頻進行實驗原理、實驗儀器介紹、操作演示、現象演示等內容的學習。通過觀看“實驗儀器介紹”視頻可以直觀地了解儀器的構造原理，調節方法以及實驗現象，既降低了學生對文字理解的難度，又增加了感性認識[10]。通過觀看“操作演示視頻”掌握實驗操作過程、步驟。觀看“現象演示”、“實驗要領”能幫助學生順利地解決操作過程中出現的問題，使實驗完成率得到提高從而提高了學生的自我效能感。學生可以下載微課視頻到移動端反復觀看，加深印象。課前，學生也可以通過網絡使用在線“仿真實驗”，在虛擬的實驗室里進行實驗操作的練習，仿真實驗仿真性較強，不受時間和空間的限制，學生可以隨時隨地進行操作部分的練習。

1.1.1 微課制作

首先，微課教學以短為特色，時長一般是5～10 min，資源內容較小，一段微課只講授一個知識點，并標注內容主題[11]，學生可以有選擇地重復觀看自己需要的內容。微課不僅具備視頻資源的優勢亦可以有效降低學習者的認知負荷。在進行視頻制作時應該注意微課具備的獨立性、完整性、示范性、代表性創新性的特點[12]。此外，視頻制作應該遵循微課設計的核心：①設計思路應以學生中心。②課程設計注重內涵，規范化精細化。③將課程內容進行分解，合理切分知識點，一個知識點一個視頻。④盡量使用豐富的啟發性素材。改革后的大學物理實驗教學將老師課堂講授的部分精心制作成微課視頻。MOOCs教學模式下微課的設計必須支持和促進學習者個性化學習，幫助學生順利完成實驗。下面以邁克爾遜干涉儀實驗為例，詳述微課制作內容以及制作重點。見表1。

邁克爾遜干涉儀驗目的是了解邁克爾遜干涉儀結構、原理及調節和使用方法；觀察等傾干涉條紋，學會測量He-Ne激光的波長；學習測定鈉光雙線的波長差。首先，將教學內容分成：①實驗原理與應用、②實驗儀器介紹等4個知識點錄制長5～6 min的視頻片段。不同的教學內容視頻制作重點也不一樣，在邁克爾遜干涉實驗中，由于視頻中需要展示光路圖方便學生理解實驗原理，這一部分的視頻以動畫的方式展示最為合理。學生覺得生動有趣，便于對知識的理解和記憶。在“實驗儀器介紹”的視頻中，視頻除了要展示真實的實驗儀器，更需要將儀器的局部進行放大，以便學生更好的觀摩，增加學生對實驗儀器的熟悉程度。

表1 邁克爾遜干涉儀實驗微視頻的設計

1.1.2 線上互動環節的設計

MOOCs是由微課視頻、互動、在線測試等要素組成，在線互動是不可缺少的環節。建構主義者認為交互是學習產生的必要條件。互動亦有2種方式：①學生在觀看微課視頻的過程中通過在線軟件進行測試，自查學習情況，檢測理論知識的掌握程度。測試的成績可按比例計入總成績，提升課程評價體系。互動環節的設計方案如下:在微課視頻中嵌入各種小測驗(通關游戲)，要求做出第一個試題才可以繼續觀看視頻然后再進行測試。學生在觀看完視頻后，可以進行模擬測驗，檢查這一部分知識的掌握程度，測驗結果由機器評判或同伴互評。②MOOCs教學模式下除了提供視頻資源、文本材料和在線答疑外，還為學習者形成交互性社區，建立交互參與機制。學生觀看視頻的過程中通過“彈幕”瀏覽器以及各種社交平臺與教師及學生討論互動協作學習。在線討論可以增加學生的參與度，提高對大學物理實驗的興趣，并加深了對實驗內容的理解，提升了學習效果。同時，學生可通過彈幕及社交平臺尋找到有共同興趣愛好的人，搭建有有共同興趣的學習圈，協作學習[13]。

1.2 課 堂

傳統課程教學中，教師提供的資源和活動往往先定了知識傳授與學生探究的邊界，學習者學什么和怎么學都是預先計劃好的。傳統的物理實驗教學由老師講授、學生學習的模式難以提升實驗的效果，學生的興趣也得不到激發，更壓制學生的創造性。“網絡微課視頻+網絡互動+面授”的教學模式下將傳授知識過程放在課外，知識內化的過程放在課堂上，學習變得更自主，更能啟發學生學習的興趣。課堂上教師是課堂的組織者不再是知識的講解和傳授著，出現比較多的問題進行講解教師著重講解學生在線討論最多的問題和測試中錯誤率最高的問題，并引導學生進行課堂上討論[14]。討論結束后，由教師提供理論進行總結。然后，教師拋出若干預設的問題讓學生思考例如“邁克爾遜干涉儀的調整及使用”實驗內容要求學生記錄實驗數據和理論數據。繪制頻率—理論波長和實驗測試波長的變化曲線，并進行分析討論。從數據表中可以看出頻率—理論波長變化曲線，理論波長與頻率成反比，符合公式c=1/f，而測試波長大體趨勢也是與頻率成反比，但可見存在誤差。存在的誤差是由哪些因素組成的，留給學生去思考。學生帶著問題進行實驗操作。在實驗過程中教師協作學生進行探究性的實驗研究和互動交流活動，實現學生個性化學習。在新的教學模式下，學生的主動性和創造性得到提升。

1.3 課 后

1.3.1 實驗報告與思考題交流

在這個環節中學生合理處理實驗數據，寫出完整的實驗報告。思考題既可以由學生獨立思考完成，也可以在平臺上在線互動交流。并且利用網絡平臺尋找相同興趣的學生，特別是同時修同一實驗項目的學生，自行組成學習小組，自行安排網上學習交流和面對面互動。學生可以通過相互討論獲得其它更多的想法和其他人思考和解決問題的方式，對拓展思維的全面性十分有幫助且充分發揮了學生的主觀能動性。

1.3.2 實驗心得分享和總結

對實驗心得分享和總結也是比較重要的環節。首先，學生在實驗操作的過程中總會遇到困難和障礙，這些困難和障礙是如何解決的、如何克服的，每個實驗的完成技巧是什么，善于學習的學生會對此做出總結。其次，各個實驗項目有何特點，難易程度，以及與專業課的相關度，學生也會進行交流。通過分享和總結環節，可將上大學物理實驗課的學生同時設計為學習者和輔導者。

1.3.3 激勵環節

MOOCs環境下的物理實驗教學對學生的自制力要求很高。在虛擬學習社區中學習者很容易缺乏自制力、歸屬感與學習的主動性，需要其具有較高的信息素養、自我效能感、管理能力、調節能力[15]。因此，學生自主學習的積極性需要用獎勵和激勵來保證。管理心理學把激勵看成是“持續激發動機的心理過程”。激勵水平越高，完成目標的努力程度和滿意度也越強，工作效能就越高；反之，激勵水平越低，則缺乏完成組織目標的動機，工作效率也越低。激勵的目的在于激發學生正確的行為動機，調動學生的積極性和創造性，以充分發揮他們的智力效應，做出最大成績。

如何激勵學生認真完成實驗是一個艱巨的任務。激勵的方式多種多樣，可以根據自己課程的需要設計不同的激勵方案。幫助和激勵學習者在自由、自主的學習環境中保持學習動力。例如可以通過在網絡或社區里“曬成績”,“有獎答題”等方式達到獎賞、激勵的目的。對于成績非常優秀的學生，老師采取各種手段進行激勵。這種激勵要從心理層面滿足學生的需求，滿足學生的尊重需求、自我實現需求。

1.3.4 拓展環節

課后，學生在完成整個實驗環節后可以根據自己的學習興趣有選擇地下載并觀看課程拓展資源(課程拓展資源包括教材大綱，素材庫。素材庫主要包括電子教案、典型例題、學習輔導、習題解答、網絡課件等模塊)。課后的拓展環節開拓了學生的視野，延伸了物理實驗課的外延。

2 大學物理實驗改革的效果

MOOCs教學模式是“網絡微課視頻+網絡互動+面授”方法的應用，得到了學校老師和學生的歡迎，提高了大學物理實驗課的效率。大學物理實驗的教學模式更加合理，注重學生在學習過程中自主性和創新性。這次改革收到了如下效果：

(1) 學生的創新能力提高了，在參加大學物理實驗競賽中學生的制作和論文多次獲獎。

(2) MOOCs教學模式下，逐步改變“教與學”的關系，從“以教師為中心”向“ 以學生為中心”轉變。

(3) 改革課程評價體系，建立了多元化考核和激勵辦法。課后的激勵措施提高了學生對大學物理實驗的熱情。改革后的大學物理實驗將每次在線測試成績與平時成績、期末考試成績按一定比例計入總評成績。這樣既能反映出學生的真實水平，又能調動學生平時學習的積極性。建立合理有效的考核辦法和激勵機制，發揮考核對實驗教學的推動作用，調動學生積極性，是提高物理實驗教學質量的重要環節。

(4) 互動環節加深了教師與學生以及生生之間的互動、交流。自主交流和互動，營造輕松愉快又具有吸引力的學習氛圍和環境。

3 結 語

針對目前大學物理實驗教學存在的問題，本文提出了基于MOOCs的大學物理教學實驗改革。該改革方案主要的工作有：①將實驗教學的指導思想轉變為以學生學習為主，教師指導為輔。②將MOOCs這種新的教學模式與傳統教學相融合，實現了一種新的教學模式：“網絡微課視頻+網絡互動+面授”。③實現了簡單實用的微課視頻，并搭建了實驗教學互動平臺以及測試系統。該改革方案經過在本校實驗教學中應用，不但激發了學生的學習興趣，還培養了學生獨立自主的學習能力和創新意識，取得了良好的教學效果。

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Research on University Physics Experiment Teaching Reform Based on MOOCs

CAIQing，HUYong-jin，LIXing-xing，WUYun-pei

(College of Science，Hubei University of Automotive Technology，Shiyan 442002, China)

In view of the problems existing in the traditional physical experiment teaching, this paper puts forward the reform program of university physics experiment based on MOOCs. For realizing the teaching reform of the university physical experiments, the program takes the idea that experiment is given priority to students’ autonomous learning, teaching guidance is complementary as the teaching guiding ideology, “network micro-lecture + network interaction + face-to-face teaching” is the core of the reform idea which is supplemented by the advanced teaching method of micro-lecture video, online testing and interaction, and the experiment development knowledge. Through the application of the program in the physical experiment teaching classroom, the reform program not only stimulates the students’ learning interest, but also improves the students’ autonomous learning awareness and innovation ability, and has achieved good teaching effect.

university physics experiment； MOOCs； micro-lecture； teaching reform

2015-12-10

國家自然科學基金(41474067)；湖北省教育廳科研基金(B20122301)

蔡 青(1975-)，女，吉林長春人，碩士，實驗師，研究方向：工商管理。Tel.:13636263569；E-mail: caiq6666@sina.com

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A

1006-7167(2016)09-0177-04