利用互聯網優化研究創新型實驗教學

李曉春，李新梅，徐富新

(中南大學 物理與電子學院,湖南 長沙 410083)

計算機及網絡技術的飛速發展，最終引發了學習的革命. 近10年來，各種基于網絡視頻的教與學的方法被學校、教師、學生不斷地實踐、比較、總結. MOOC(Massive open online courses)[1-2]、SPOC(Small private online course)[3]、翻轉課堂[4]、混合式[5]教學等，都是基于網絡的典型教學方法. 知識的學習過程史無前例地多樣、豐富、簡便. 教師作為知識的傳授者的作用已經大大地弱化；作為指導、答疑解惑者，也即將面臨人工智能的挑戰，教學改革勢在必行. MOOC平臺上雖然有大量的教學資源，為學習提供便捷，但主要是理論課的學習視頻，實驗方面的MOOC視頻則相對較少. 大學物理實驗作為理工科學生的基礎實踐能力培養課程，一直是綜合性大學的公共必修課，其教學效果廣受關注. 本文以大學物理實驗課程中的“黏度測定”實驗為例，將線上學習與線下實踐相結合，探索研究創新型實驗教學的新途徑，并最終實現知識轉化為能力.

1 線上視頻資料準備與在線學習

實驗教學首先是知識的教學. 網絡視頻教學以前，學生進實驗室前都通過實驗教材進行預習，得到該實驗的相關理論知識；通過實驗課堂教師結合實驗儀器的講解，得到實驗操作的知識. 這種學習知識的方式，學生花的時間過多，而知識片面，并且不如視頻自學方便. 開展視頻教學以后，將理論知識PPT講解、結合儀器的實驗操作講解、前期的現場實驗等都制作成視頻微課，部分實驗項目還有虛擬實驗預做，這些資料都建立鏈接，上傳到實驗中心網站，學生可以隨時隨地通過網上視頻在線學習. 學生需要提前進行線上學習，才被允許到實驗室進行實驗. 這樣就大大地減少了占用課堂的時間，為線下課堂實踐贏得了時間. 圖1是中心網站線上預習部分的相關鏈接截圖. 圖2是“黏度測定”實驗操作知識預習的微課視頻截圖.

圖1 線上預習鏈接截圖

(a)

(b)圖2 操作知識預習

由于實驗操作微課視頻是在教學實施前制作，制作視頻時，將儀器結構打開，讓學生通過視頻看到實驗儀器的內部結構、工作原理、測量原理，這對學生操作儀器至關重要. 傳統教學中，通常難以拆開儀器展示給學生觀察，學生聽了教師對儀器的介紹后，也難以理解. 視頻教學的方式，給予學生對于儀器和實驗目標的透徹理解，理論知識和操作知識的提前在線學習，為學生設計研究型實驗、創新型實驗提供了極大的幫助. 在此基礎上，設計出超過基本實驗內容的研究創新型實驗. 部分操作較難的實驗，還拍攝了前期學生實驗的全程視頻，也上傳到網上，學生可以通過線上視頻學習，觀摩實驗的全部過程.

2 線下知識認證和課前設計

在線上學習完理論知識和操作知識后，學生需要課前設計好自己的實驗，完成預習(設計)報告，才可以進入實驗課堂教學環節. 實驗課堂教學的第一環節是通過師生之間、生生之間面對面的交流，對線上所學知識進行確認、加深，或者修正、補充，同時檢查學生的預習報告. 我們主要利用 “雨課堂”的課堂互動功能，教師通過單選題和多選題，對本實驗的知識點進行課堂測試，發現學生線上學習存在的問題，并有針對性地進行互動、解答，幫助學生掌握本實驗的基本理論知識、操作及應用. 圖3(a)上部為黏度測定實驗多選題，下部為學生答題情況. 多選題范圍覆蓋實驗原理、儀器操作及讀數等基本知識內容. 面對實驗儀器，通過多選題幫助學生學習，實現知識翻轉. 雨課堂具有現場測試，現場統計答題情況的功能；就某個主題，還可以利用雨課堂的“彈幕”功能，進行集體互動討論，引導學生思考.

(a)

(b)圖3 翻轉課堂多選題測試及結果

自2017年下學期至今，有1 805位學生[圖3(b)]選做了黏度測定實驗，圖4是其中的2個實驗班的教學調查. 從調查結果來看，大部分學生贊同雨課堂互動、線上線下結合的教學模式.

(a)

(b)圖4 教學調查及其結果

3 線下的課間實踐

通過實驗課堂教學的第一環節，已經達到了傳統的實驗教學目的，學生對于該實驗的知識和操作已經了然于心，動手操作儀器僅僅是驗證的過程，難度很小. 但是，設計線上線下結合的實驗教學方案，知識翻轉只是基本目的，更重要的目的是要實現能力翻轉.

為此，課前，要求學生針對教師布置的實驗測試相關的研究性內容進行思考和準備，并安排實驗課堂教學的第二環節予以實施. 針對黏度測定實驗的基本實驗內容，安排了2個研究性的實驗內容[圖2(a)]：1)溫度對黏度的影響；2)小球直徑對黏度的影響. 課堂教學的第二環節要求學生選擇其中一項作為研究內容，對黏度進行深入探索. 學生也可以自選題目，進行自由探索.

實驗課堂教學第二環節，是在學生完成了第一環節的知識翻轉后進行的，是對其所掌握知識的應用、挖掘和提高，屬于能力范疇. 因此，把從知識進入到能力訓練的第二環節稱之為能力翻轉.

通過線上的知識性學習，以及線下實驗課堂教學第一環節的知識翻轉后，學生都能夠較好地完成研究性實驗內容. 學生普遍反映，研究性實驗內容比起單純的某個物理量測量有趣. 完成1個實驗，不算學生線上的視頻自學時間，在3個學時的實驗課堂時間內，約0.5個學時用于知識翻轉，2.5個學時用于能力翻轉. 從時間分配看，更多的課堂時間，用在了學生能力訓練上. 而能夠這樣教學，要歸功于線上的自學，將學生的學習知識和簡單操作的內容提到了課前.

4 結束語

相對于整個物理學理論，某個實驗的教學具有知識點相對單一、有限的特點，也容易挖掘、拓展、啟迪思維. 因此，特別適合于微課視頻教學，訓練學生的研究創新能力. 本文的實驗教學設計，通過學生線上自主學習網絡視頻，把傳統的知識學習過程簡化，方便高效且不占課堂教學時間. 傳統的線下實驗課堂的教學時間，主要用來實現知識的翻轉和能力的翻轉，提高了傳統的課堂教學時間在人才能力培養中的價值和效率. 從教學實踐情況來看，也受到了廣大學生的認可和歡迎.