基于MOOC創(chuàng)新物理實驗教學(xué)模式的研究與實踐

吳慶州，王 濤

(南京理工大學(xué) 紫金學(xué)院，江蘇 南京 210023)

基于MOOC創(chuàng)新物理實驗教學(xué)模式的研究與實踐

吳慶州，王 濤

(南京理工大學(xué) 紫金學(xué)院，江蘇 南京 210023)

提出了組織物理實驗?zāi)秸n視頻的思路，探討了設(shè)計慕課教學(xué)過程，闡述了利用慕課來實現(xiàn)物理實驗課堂的翻轉(zhuǎn). 實踐表明：在實驗教學(xué)中引入慕課的教學(xué)模式提升了實驗教學(xué)效率，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和科學(xué)實驗素養(yǎng).

慕課;物理實驗;教學(xué)模式;翻轉(zhuǎn)課堂;自主學(xué)習(xí)

大學(xué)物理實驗在多數(shù)院校中都是工科學(xué)生的入門實驗，由于其覆蓋知識面比較廣，有著豐富的實驗思想與方法，對于培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗技能、科學(xué)實驗?zāi)芰Γ岣邔W(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)有著不可替代的作用[1]. 在微課時代很多院校錄制了大量的實驗教學(xué)視頻，這些實驗教學(xué)視頻多是把實驗教學(xué)課堂直接視頻化，時間長、內(nèi)容也不夠精煉，雖然對于學(xué)生理解實驗起到了一定的幫助，但在提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動手能力等方面還是有所欠缺的. 如何更好地提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力一直是大學(xué)物理實驗教學(xué)改革中研究的熱點問題[2-4]，慕課(MOOC)的出現(xiàn)或許能給廣大教學(xué)人員提供一個新的思路[5]. 筆者結(jié)合在教學(xué)中的一些嘗試，對慕課(MOOC)構(gòu)建新的大學(xué)物理實驗教學(xué)模式進行了研究與探索.

1 物理實驗教學(xué)學(xué)時的變革歷程

隨著教學(xué)改革地不斷深入，實驗教學(xué)學(xué)時也發(fā)生了較大的變化. 實驗學(xué)時數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，但實驗教學(xué)要求卻在逐步提高.

1954年參照蘇聯(lián)的物理教學(xué)體系制定的普通物理學(xué)教學(xué)大綱中規(guī)定物理實驗的教學(xué)為90學(xué)時. 到了1962年由高等工業(yè)學(xué)校普通物理學(xué)課程教材編審委員會制定的教學(xué)大綱中物理實驗的學(xué)時數(shù)則變?yōu)?80學(xué)時. 1980年高等學(xué)校工科物理教材編審委員會編制的高等工業(yè)學(xué)校普通物理學(xué)教學(xué)大綱中實驗學(xué)時數(shù)為60學(xué)時. 1987年開始制定的課程教學(xué)基本要求將大學(xué)物理與物理實驗單獨設(shè)置，實驗課成為獨立課程，課時數(shù)基本保持不變[6]. 2008年高等學(xué)校物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會發(fā)布的理工科類大學(xué)物理實驗課程教學(xué)基本要求規(guī)定實驗學(xué)時數(shù)不少于54學(xué)時.

2008年的基本要求中提到“創(chuàng)造條件，充分利用包括網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體教學(xué)軟件等在內(nèi)的現(xiàn)代教育技術(shù)豐富教學(xué)資源，拓寬教學(xué)的時間和空間”與當(dāng)下流行的慕課(MOOC)不謀而合.

2 利用慕課翻轉(zhuǎn)物理實驗課堂，創(chuàng)新實驗教學(xué)

用越來越少的學(xué)時培養(yǎng)學(xué)生越來越強的動手能力是擺在每位實驗教師面前的大難題，尤其是當(dāng)今科技發(fā)展日新月異，新技術(shù)層出不窮，要想解決這一難題就要不斷地改革教學(xué)模式以期適應(yīng)新形式的發(fā)展，從而提高教學(xué)效果.

2.1 實驗教學(xué)過程的改革與創(chuàng)新

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)過程一般如圖1所示，課前通過教材進行預(yù)習(xí)，課上教師講解演示并指導(dǎo)學(xué)生完成實驗，課后學(xué)生完成實驗數(shù)據(jù)處理寫出實驗報告并上交實驗教師批改. 在這一過程中如何提高學(xué)生實驗學(xué)習(xí)效果，很多學(xué)校做了一些有益的嘗試[7-8]，例如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)建設(shè)了國家級物理虛擬仿真實驗教學(xué)中心，設(shè)計了40多個大學(xué)物理仿真實驗平臺為學(xué)生提供實驗預(yù)習(xí)[9]，取得了顯著成效；東南大學(xué)在實驗室開放教學(xué)模式上進行了大量深入地研究與實踐，取得了很好的效果[10]. 無論是虛擬實驗室，還是開放實驗室都期待通過翻轉(zhuǎn)課堂，增強學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力. 由于實驗室資源與條件的限制，很多院校至今無法建設(shè)完備的虛擬實驗室，也很難完全開放實驗室.

圖1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程圖

2.2 實驗教學(xué)中引入慕課

慕課是大規(guī)模開放的在線課程(Massive open online course,MOOC)，慕課的教學(xué)宗旨是讓學(xué)生愉快地學(xué)習(xí)，自主地學(xué)習(xí)[11]. 慕課(MOOC)自2012年大規(guī)模涌現(xiàn)以來多出現(xiàn)于理論課的教學(xué)實踐中. 慕課的這一新興的教學(xué)模式得到了廣大師生們的認(rèn)可.

當(dāng)前流行的慕課教學(xué)模式多數(shù)是學(xué)生的學(xué)習(xí)及成績的評定全部在網(wǎng)上完成[12]，這對于理論課非常合適，而對于實驗這樣需要鍛煉學(xué)生動手能力的課程卻是無法完全滿足. 實驗中如何利用慕課改變實驗教學(xué)模式值得探討.

2.3 慕課實驗教學(xué)模式的設(shè)計

過去預(yù)習(xí)是看書，引入慕課后的實驗預(yù)習(xí)就不僅僅是看看書本抄抄書本那么枯燥了，通過實驗預(yù)習(xí)小視頻來了解將要做的實驗，增強了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力.

2.3.1 實驗?zāi)秸n視頻的構(gòu)架

預(yù)習(xí)視頻主要包含實驗背景的介紹、實驗原理的簡述和實驗儀器的介紹. 在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的視頻介紹中插入探討性問題，讓學(xué)生查閱資料后課內(nèi)討論. 加強對學(xué)生自主學(xué)習(xí)的引導(dǎo). 設(shè)計一些簡易的選擇題、判斷題，在每一個實驗視頻觀看結(jié)束后由學(xué)生獨自完成的自測題. 對于預(yù)習(xí)視頻中有不理解處可以反復(fù)觀看，也可以發(fā)討論帖和其他學(xué)生或教師討論. 視頻后小自測的好處在于促進學(xué)生真的去學(xué)習(xí)而不是馬虎應(yīng)付，如果不看視頻就不知道課上將要探討的問題，若不參與自測就無法得到預(yù)習(xí)的分?jǐn)?shù). 防止為自測題抄襲，建自測題目庫，每個學(xué)生隨機抽取10～20題來答題，并在規(guī)定的時間內(nèi)完成，由計算機判分，學(xué)生有3次答題機會取最高分計入預(yù)習(xí)分?jǐn)?shù). 這樣學(xué)生在自主學(xué)習(xí)完預(yù)習(xí)視頻后對實驗有了較細(xì)致的理解，課堂上探討實驗問題和操作實驗儀器就變得相對容易了.

對于常規(guī)非設(shè)計性實驗每個實驗都拍攝相關(guān)實驗操作演示，簡單介紹實驗設(shè)備如何操作，記錄哪些數(shù)據(jù)，在實驗過程中如果遇到常見的問題該如何分析原因、如何解決. 而設(shè)計性實驗一般將設(shè)計思路及設(shè)計目標(biāo)整合到預(yù)習(xí)慕課視頻中.

2.3.2 實驗?zāi)秸n課堂的教學(xué)過程

引入慕課的實驗教學(xué)過程如圖2所示，實驗課上先由學(xué)生向教師提問，提出一些在預(yù)習(xí)時沒明白的問題，由教師帶領(lǐng)其他學(xué)生一起來回答. 該環(huán)節(jié)結(jié)束后進入問題討論環(huán)節(jié)，通過問題討論引導(dǎo)學(xué)生全面掌握實驗原理及實驗技巧. 問題一部分來源于預(yù)習(xí)慕課視頻中預(yù)留的問題，一部分來自于課堂現(xiàn)場. 討論問題后即可開始實驗，節(jié)省了講授的時間. 在實驗問題的討論過程中也可以適當(dāng)給予學(xué)生課堂表現(xiàn)分，激發(fā)學(xué)生的積極性和主動性，對于沒有仔細(xì)觀看視頻的學(xué)生來講這部分分?jǐn)?shù)就很難獲得了. 這樣的教學(xué)過程精簡了教學(xué)時間，學(xué)生有更多的時間操作儀器完成實驗，加深了學(xué)生對實驗儀器、實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果的理解. 在學(xué)生自主實驗過程中教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)學(xué)生實驗中遇到的問題，對于一些相對簡單的實驗，學(xué)生在課堂上可以完成實驗報告的處理工作. 在課堂上完成實驗報告可以有效地減少實驗數(shù)據(jù)作假及抄襲現(xiàn)象.

圖2 慕課模式下的實驗教學(xué)過程

3 慕課教學(xué)的具體實施探索

3.1 慕課教學(xué)模式中的角色轉(zhuǎn)變

在慕課的制作和實施過程中需要教師有較多的付出. 一些實驗有的教師帶了很多年，上課很輕松，但要將這些實驗變成慕課，就需要教師重新審視和策劃這些實驗. 在慕課教學(xué)模式建設(shè)初期，教師的付出要比傳統(tǒng)上課時多很多，資料整理、視頻攝制和腳本制作，每一步都要付出很多勞動. 在教學(xué)過程中與傳統(tǒng)實驗教學(xué)也是有所區(qū)別的，慕課教學(xué)模式中教師管得會更寬，需要了解的知識也更廣. 如果是引入其他院校的慕課資源還需要教師預(yù)先學(xué)習(xí)，然后再分享給學(xué)生.

教師在實驗課堂上由傳授變?yōu)榻饣螅M而變成知識的引領(lǐng)者. 由實驗課堂上注重教師教變?yōu)樽⒅貙W(xué)生學(xué)，教師則變成學(xué)生自主學(xué)習(xí)的推動者. 這些無一不要求實驗教師在新的教學(xué)模式中要轉(zhuǎn)變自己的角色.

3.2 慕課視頻的制作方法

由于實驗項目的相對獨立性，實驗?zāi)秸n錄制與理論課的錄制會略有不同，每個視頻獨立成章又略有關(guān)聯(lián)，能夠支持學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)需求自主選用、個性化學(xué)習(xí). 在進行制作之前需要教師根據(jù)實驗項目的特點準(zhǔn)備好相應(yīng)的資料，包含視頻資源、練習(xí)題、答案以及討論的內(nèi)容[13].

對于剛剛接觸慕課的教師來講如何制作慕課呢？最為直接的方法就是類似微課的制作，直接攝錄課堂教學(xué)，當(dāng)然應(yīng)與傳統(tǒng)課堂教學(xué)要略有差別，設(shè)計要精心，且要控制時長，一般不超過15 min為宜. 還可以直接PPT錄屏，借用免費軟件進行錄制相對更容易實現(xiàn). 也可以將以上2種合并，即現(xiàn)場講解與錄屏同步制作，用貍窩等免費軟件進行剪輯合成. 圖3即為筆者錄制的實驗室安全教育慕課視頻截圖，采用PPT錄屏與講解相結(jié)合的形式制作而成. 慕課的制作方法還有很多種，比如對話或談話錄制、白板錄制、動畫制作等，在實踐中選擇適合自己的方法即可.

圖3 講解+PPT形式慕課視頻截圖

3.3 慕課資源的選用及發(fā)布

隨著慕課的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出了大量慕課平臺，比如國外的Coursera、edX、Udacity，國內(nèi)的學(xué)堂在線、愛課程、中國大學(xué)MOOC等，這些平臺提供了豐富的教學(xué)資源. 在物理實驗?zāi)秸n教學(xué)模式中也可以直接選用這些平臺中的資源供學(xué)生學(xué)習(xí)使用. 在愛課程慕課平臺上點擊導(dǎo)航欄上的資源共享課，輸入物理實驗即可進行課程搜索. 目前可以在線學(xué)習(xí)的物理實驗課程有12門，這些課程都是來自國內(nèi)知名院校的優(yōu)秀資源.

目前很多學(xué)校也建設(shè)了自己的慕課平臺，筆者所在學(xué)校主導(dǎo)建設(shè)了口袋大學(xué)慕課平臺. 使用自主開發(fā)平臺可以根據(jù)教學(xué)中的個性化需求增添相應(yīng)功能模塊，管理功能更為豐富. 當(dāng)然，如果本校沒有慕課平臺也可以將制作好的視頻等資源發(fā)布在國內(nèi)的知名慕課平臺上，這些平臺的要求會相對高. 比如中國大學(xué)MOOC平臺必須先通過學(xué)校云申請合作后方能發(fā)布視頻資源，而且一般還要求整個課程體系制作完成后才能發(fā)布.

3.4 慕課教學(xué)模式的應(yīng)用實踐

當(dāng)前少部分院校已經(jīng)開始在部分實驗教學(xué)中采用了慕課教學(xué)模式，比如哈爾濱石油學(xué)院、西南科技大學(xué)、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)等院校[14]. 筆者所在學(xué)校也選取了部分實驗項目，在學(xué)院2015級電信專業(yè)部分學(xué)生中進行了慕課教學(xué)模式的試點工作，從實驗的效果來看結(jié)果比較符合預(yù)期. 這里總結(jié)光電效應(yīng)和普朗克常量的測定實驗中的教學(xué)設(shè)計與教學(xué)實踐. 此次實驗開課前2周告知學(xué)生如何通過本校的慕課平臺觀看此次課程，并發(fā)布了本次實驗課的相關(guān)要求. 為學(xué)生設(shè)計了2段慕課視頻，分別是預(yù)習(xí)視頻和操作講解視頻. 在預(yù)習(xí)視頻中向?qū)W生介紹光電效應(yīng)的歷史背景，幫助學(xué)生更深入地了解實驗的歷史淵源及當(dāng)代的科技應(yīng)用，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣. 同時在自測題目中留下相應(yīng)問題，操作講解視頻供給學(xué)生自主學(xué)習(xí)使用，可以提前觀看也可以課上觀看，沒有提過多要求.

實驗課上學(xué)生提問環(huán)節(jié)平均用時5 min左右，討論視頻中留下的問題平均用時15 min左右，討論后開始實驗. 相對傳統(tǒng)教學(xué)模式在實驗操作過程中學(xué)生要求指導(dǎo)的問題明顯減少，學(xué)生實驗成功率近100%. 對實施慕課教學(xué)和未實施慕課教學(xué)的班級進行對比，實驗成績的統(tǒng)計如圖4所示. 從成績統(tǒng)計結(jié)果來看，試驗班的本次實驗成績明顯好于普通班級. 試驗班低分段學(xué)生數(shù)略少于普通班. 普通班的成績70～79占比與80～89幾乎一樣多，中等成績過多，說明實驗中隨眾的人比較多. 而從試驗班成績可以看出80～89分?jǐn)?shù)段的人數(shù)明顯多于70～79分?jǐn)?shù)段人數(shù)，90分以上的有3人，說明通過慕課教學(xué)模式可以提升一部分中等生的成績，突出一部分優(yōu)秀生的成績. 實驗成績的提升標(biāo)志著學(xué)生對知識的理解應(yīng)用能力、自主學(xué)習(xí)能力和動手能力都得到了相應(yīng)提高.

圖4 試驗班和普通班成績分布圖

4 結(jié)束語

在全球慕課高速發(fā)展的背景下，參考國內(nèi)外知名教育機構(gòu)關(guān)于慕課的研究成果，尤其是在實驗教學(xué)方面的研究成果，設(shè)計自己的實驗?zāi)秸n資源或利用已有的優(yōu)秀慕課視頻資源，將其應(yīng)用到實驗教學(xué)中對于提升物理實驗教學(xué)效果有著舉足

輕重的意義. 根據(jù)物理實驗課程的特點加強融入慕課教學(xué)模式的探索，對于提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、動手能力和創(chuàng)新意識有著積極的作用.

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[責(zé)任編輯：郭 偉]

Research and practice of the teaching model of innovative physics experiment base on MOOC

WU Qing-zhou， WANG Tao

(College of Zijin, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210023, China)

An idea about how to organize MOOC video of physics experiment was presented, how to design the teaching process of MOOC was discussed, and how to use MOOC to achieve the flipped class of physics experiment was also explained. The practice had shown that the introduction of MOOC teaching model in experiment teaching was of better effect to enhance the efficiency of experimental teaching, and could improved students’ self-study ability and accomplishment of scientific experiment.

MOOC; physics experiment; teaching model; flipped classroom; self-learning

2017-01-17；修改日期：2017-03-20

高等學(xué)校物理實驗課程教學(xué)研究項目(No.01-201601-05)；江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃立 項課題(No.D/2016/01/06)；南京理工大學(xué)紫金學(xué)院教育教學(xué)改革與研究項目(No.20160102007)

吳慶州(1981-)，男，江蘇沛縣人，南京理工大學(xué)紫金學(xué)院講師，碩士，主要從事物理實驗教學(xué)與創(chuàng)新教育研究.

G642.423

B

1005-4642(2017)08-0040-04