如何建設好實驗MOOC
——以《大學物理實驗》MOOC建設為例

何焰蘭,彭 剛,歐陽建明,鄭浩斌,陳明娟,劉一星

(國防科技大學 文理學院,湖南 長沙 410073)

MOOC課程從興起到目前的龐大規模，只用了短短不到6年的時間. 理論MOOC的發展已經超過了人們的預期，課程總數已超過10 000門，然而實驗MOOC仍在起步階段. 線上實踐環節是實驗MOOC建設的最大挑戰. 截至2019年3月，國外Coursera平臺上線課程3 246門，標有實驗的課程數量僅有6門，具有實驗環節的課程為0；國內愛課程平臺上線課程2 246門，標有實驗的課程64門，具有實踐環節的課程8門，其中4門有虛擬仿真實驗，3門有自主實驗. 作為線下實驗課程的輔助教學(如：反轉課堂)，實驗MOOC(即使不包含實踐環節)的作用是無疑的，但要作為一門完整實驗MOOC，實踐教學環節不可或缺. 目前，只有國防科技大學的《大學物理實驗》MOOC(愛課程平臺)具有虛擬仿真、自主、思想及遠程控制實驗等多種實踐性訓練環節.

理論MOOC的意義與重要性論述眾多[1-3]. 實驗課程的開設與設備、耗材及場地相關，因此對于缺乏這些條件的求學人群而言，實驗MOOC的需求更迫切，意義更重大. 實驗MOOC建設的挑戰主要來源于課程平臺的發展程度及信息化的技術難度. 本文結合國防科技大學的《大學物理實驗》MOOC(愛課程平臺)的建設經驗，探討如何建設建好一門實驗MOOC.

1 線下實驗課程的現狀和弊端

調研和分析線下課程的現狀是建設好相應線上課程的必要條件. 圖1為傳統實驗教學的常用模式，1次實驗課的時間為2～3 h，每段歷程所需時間如圖1所示.這種模式受實驗場地、儀器設備以及實驗時間的限制將會在教學流程中產生如表1中描述的弊端.

表1中僅列舉了部分弊端，但傳統實驗課堂對人才培養的局限已可見一斑. 實驗MOOC對現行弊端的解決和改善意義重大，且切實可行. 例如可以采取視頻錄像的方式將學生易缺失的知識點錄制并放置線上，學生可以利用業余閑暇時間反復觀看，此舉可大大提升課堂授課的占空比和學生實驗效率. 對于沒有實驗條件且又迫切想學習的人群，實驗MOOC是福音.

2 建設實驗MOOC的體會和建議

國防科技大學的《大學物理實驗》MOOC始建于2015年初，歷時1年，于2016年9月在軍網夢課平臺正式上線，2016年12月在愛課程平臺上線發布，成為國內首門真正意義上的實驗MOOC課程. 2018年底，該課程被認定為國家精品在線開放課程，至今已完整開課4期. 現依據本課程建設體會并結合國內外高校等教育機構的經驗，建議從以下幾個方面開展實驗MOOC的建設.

2.1 組織團隊，明確職責

好的建設團隊是實驗MOOC的重要保障. 首先應明確1名知識淵博、教學經驗豐富且有責任心的教師作為項目負責人. 項目負責人要組建好3支團隊，課程建設團隊，專家團隊以及質量監控和進程督促團隊. 首先課程建設團隊需攬括一批有經驗有責任心且熱衷于物理實驗教學的一線教師；其次，專家團隊的成員既要有校內外，甚至國內外的本學科專家，也要包括在MOOC建設上有成功經驗的其他專業課程的專家；最后，質量監控和進程督促團隊最好由校院系多級機構領導掛帥組成，以便最大限度地給予課程建設支持.

2.2 明確受眾，視野放寬

實驗MOOC建設前，一定要明確課程受益群體. 在立足本校學生的基礎上，盡可能照顧社會各層面的受眾，特別是那些無法走進真實實驗室的人群. 于我校而言，官兵是不能忽視的群體，因此我校大學物理實驗MOOC首先在軍網夢課平臺上線，各行業院校建設的MOOC也應在內部平臺先行運行.

2.3 剖析課程，厘清思路，凝聚理念

重審現有課程，并對運行狀態做深入細致的分析是建設好1門MOOC的重要環節. 任何1門課程從線下走到線上決不是簡單照搬，特別是實踐類課程. 由于“實踐功能”的開發需要較多資金和專業技術，若暫時沒有條件建設，則線上實驗課程可以先采取觀看實驗演示視頻等途徑支撐線下課程，比如翻轉課堂. 這也是建設線上完整實驗課的重要一步.

無論哪種情形均需明確本課程特點，保留線下課程的優勢，盡可能在線上充分展示，更要能用線上技術來彌補線下課程的不足.

國防科技大學的《大學物理實驗》課程以案例性教學為特征，每個實驗項目都有各自的目標，學生通過完成相應既定目標來實現類似科研實驗過程的初級訓練. 依據多年教學經驗，借MOOC建設機遇，形成新的教學理念：明確描述每個實驗項目目標，通過啟發的方式引導學生確定實驗思想，創建建模路徑，得出測量模型，最后對測量模型條件以及注意事項進行分析. 沿著這一思路，按圖2所示的幾大功能模塊建設實驗MOOC.

圖2 《大學物理實驗》MOOC功能模塊

處于中心位置的“實驗內容情境模塊”是視頻教學的主體，對應線下教學教師講解的部分，涉及實驗原理、實驗儀器使用和操作、實驗背景以及實驗延伸和應用等方面的內容，是不可或缺的部分. 設計時，除了要求貫穿“建模”教學理念，還要求融入“三味”，即趣味、軍味(軍事特色)和品味(科學性). 教學理念實施時必須關注學生中學和大學不同階段學習和實踐思維方式的差異，從第一個實驗開始就注重大學學習方法的培養和實踐模式的訓練，以物理思想和方法為指導，建立“測量模型”而非簡單的“計算公式”，使學生從所謂“解題戰術”的思維習慣中解脫出來. 雖然“測量模型”和“計算公式”對應的是同一公式，但其思維方式及背后意義卻截然不同，因此對于物理實驗原理的講述，必須擯棄平鋪直敘，采取先明確實驗思想，再以提供實驗儀器和條件為基礎，采取設問、推理，環環相扣的方式進行探究，得到最終的測量模型[3-4].

基礎理論情境模塊主要通過視頻的方式介紹本實驗MOOC的3個方面內容，即:內容和培養目標；測量、誤差與不確定度基本概念，數據處理常用方式等內容；多種教學情境模塊和方式等，使學生能以無縫接入的方式進入實驗MOOC.

2.4 設定時間閾值，劃分知識點，注意銜接

分析每個實驗項目，提煉“知識點(要素)”. 如：實驗原理、實驗儀器使用和操作、實驗背景以及實驗延伸和應用. 提取知識點的過程按照“掰開→揉碎→提煉”的原則進行，這是后期短視頻(不超過10 min的時間閾值)制作的基礎. 課堂教學中每個實驗原理的講述在10～20 min，一般長于學習者專注時間，因此必須對實驗原理再次“斷章取義”，將要素獨立出來. 但要注意：被分割出來的“要素”，在獨立成章時一定要留有“入口”和“出口”，使學生在觀看時知道它在原理主鏈中的位置和作用！

例如“聲速的測定實驗”分為實驗原理、儀器以及總結3模塊，而實驗原理部分由于講授時間長于10 min，因此將其劃分成4個單元進行制作，如表2所示.

表2 聲速的測定實驗各視頻單元時間

2.5 用最新信息技術，實現“實踐”功能

實驗類課程如果脫離了“實踐”二字，就只能是紙上談兵，難以成課. 實踐功能的主體建議采取3種形式：虛擬仿真實驗、自主實驗以及遠程控制實驗(圖2所示).

1)虛擬仿真實驗

虛擬仿真實驗是指借助于多媒體和虛擬現實等技術在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，實驗者像在真實環境中一樣完成實驗項目，所取得的實驗效果等價甚至優于在真實環境中所取得的效果. 虛擬仿真實驗建立在虛擬的實驗環境(平臺仿真)之上，注重實驗操作的交互性和實驗結果的仿真性. 虛擬仿真實驗能創造高度仿真、排除干擾的環境，它對產生現象的條件進行了嚴格、精密的控制，排除了次要因素的影響，更容易突出現象的本質規律.

圖3是《大學物理實驗》MOOC中的2個實驗，圖3(a)為虛擬示波器，其上的所有功能按鈕與真實示波器一一對應，所產生的實驗結果完全相同，不同的是一個需要動手操作旋鈕，另一個只需鼠標操作. 邁克耳孫干涉虛擬儀器[圖3(b)所示]能克服真實實驗設備老舊的影響(如：使用一段時間后易出現螺釘滑絲導致激光光斑聚焦變差等問題)，使光干涉現象及規律更易突顯.

虛擬仿真技術不僅依賴于計算機以及信息技術，建立的模型更依賴于與該課程相關的規律以及與實驗設備和器材運行的規律.

2)自主實驗

自主實驗主要指學生利用身邊簡易設備和元器件材料，以課程提供的教材和電子資料為指導，自行搭建簡易實驗，完成實驗目標的實踐活動. 這種方式類似于哈佛大學的“home-lab”，學生利用發放的裝有各種小工具的實驗箱，以家庭作業的形式完成實驗. 這種成本相對較低能實現遠程動手操作的實驗方式，可以彌補學生在虛擬仿真實驗情境模塊中無法實際動手操作儀器的缺陷，最大程度地實現對學生自主實驗設計、操作和完成實驗能力的培養. 圖4所示的是《大學物理實驗》MOOC中“用鋼尺自制實驗觀察李薩如圖形”和“確定CD和DVD的軌道距”的2個實驗[3]，其涉及的實驗器材很容易從日常生活中獲得，物理現象明顯且易量化測量.

(a)用鋼尺自制實驗觀察李薩如圖形

(b)確定CD和DVD的軌道距圖4 自主實驗實例示意

3)遠程控制實驗

遠程控制實驗指通過本地PC，利用網絡技術和控制技術實現對遠程實驗儀器設備的操控，通過遠程攝像頭和遠程數據采集傳感器實現對遠程實驗現象的觀察和實驗數據的采集，從而完成相應實驗. 遠程控制實驗可以彌補仿真與虛擬實驗的不足，在實現軟件共享的同時，更重要的是做到實驗硬件資源共享. 它是一種“虛(擬儀器面板)—(硬件設備)實(體)—真(實)實驗場景”的新模式.

圖5是教學團隊開發的“牛頓環遠程控制實驗”. 利用CCD獲取牛頓環干涉圖樣，攝像頭獲取位置讀數，用步進電機實現對牛頓環干涉圖像的調焦和物鏡位置的改變，從而可以利用網絡完成經典的大學物理實驗項目.

圖5 牛頓環遠程控制實驗

4)思想實驗

思想實驗是在理性思維中設計和構造出純粹的、理想化的儀器設備和研究對象，并對它進行純粹的理想化的實驗操作和控制，使與實驗對象的某些因素以絕對簡化、純化、被設定、限制的形式表現出來，然后通過對理想化對象的感知和描述，發現和獲取科學事實與自然規律的思維活動. 這一過程既不需要現實的器材設備，更沒有實際的實驗操作步驟. 因此理想實驗完全不受現實中客觀物質條件的制約，在某種程度上能夠得到比物化實驗更多的材料.

思想實驗最初主要是從物理學中發展起來的，這與物理學主要始于研究宏觀物體的運動有關，例如牛頓的大炮，當發射的炮彈速度達到一定的大小時，炮彈就永遠不會掉到地球上，這一思想實驗后來發展成了目前廣泛應用的衛星. 到了近代，它逐漸從思辨的形式轉變為科學的思想實驗. 在科學日益發展的今天，人類的認識活動越來越遠離日常的直觀經驗和直覺，科學研究活動所需的儀器設備日益純化、理想化，物化實驗有時無法滿足科學發展的需要，運用思想實驗進行科學研究就成為必然.

思想實驗并不是任人天馬行空去建造空中樓閣，必須依靠人們所熟知且被普遍接受的經驗數據，經過嚴密的邏輯分析來完成. 通過思想實驗，可以達到對學員實驗思想、理想化條件下實驗思維、邏輯思維能力以及實驗方案設計能力的培養. 在這個模塊里簡要介紹了思想實驗的概念，給出了物理學歷史上的10個最著名的思想實驗的介紹(見圖6)，并鼓勵學生自擬題目完成設計.

圖6 物理學歷史上的10個最著名的思想實驗示意

5)演示實驗

演示實驗主要指教師通過視頻或(在線視頻)的方式，向遠程學生演示實驗操作，展示實驗現象，引導學生對演示現象觀察、思考、分析，最終得出結論. 演示實驗最大的特點是激發學生興趣、吸引學生注意力，進而達到對學生實驗素養的培養. 演示實驗的設計不僅應該反映科學新成就、新發明和新創造，還應與實際生活相聯系.

實驗MOOC應以虛擬仿真實驗為主體，結合遠程控制實驗、自主實驗、演示實驗和思想實驗可進行多方位的實踐活動. 各種實踐環節相輔相成，在沒有傳統實驗教學儀器、場地的情況下，線上實現對學生實踐能力的培養.

2.6 拓展思維，開發并創新實驗室管理功能，線上服務實驗教學

實驗課程必然依賴于相應的實驗室，牽涉到實驗場地和儀器設備等硬件條件. 實驗室管理的優劣直接影響到實驗課程的教學質量，這里不去論證和涉足實驗室系統管理的機制，僅提幾點建議，希望益于實驗室的良性運行乃至更好地服務教學，使得管理與教學運行相互促進.

1)實驗室的安全規范條例線上服務教學

不同類型的實驗室有其自身特性，必須明確各項安全保障的措施，并有相應的文檔資料. 每個學生在進入實驗室之前應該熟知這些規定. 這部分內容可以做成短視頻，借助實驗MOOC供實驗者學習，網上學習者應獲得認證方可進入實驗室[6].

溫哥華腫瘤研究中心的大樓內有動物、生物以及光學等實驗室，涉及的面很廣，相關的安全課程甚至涉及如何應對突發襲擊事件的內容. 中心有規定必須依據中心的要求在互聯網上學習相關的安全視頻課程并獲得相應證書后才能取得門卡. 即使已有門卡的長期工作者，也會被要求學習新的安全科目. 筆者的研究因為涉及光學實驗室，被要求進入UBC大學的物理系的網絡課程學習有關激光的6個單元的安全知識課程如圖7所示.

(a)安全條目

(b)激光對皮膚的傷害

(c)激光對眼睛的傷害

(d)獲得的證書圖7 激光安全知識學習示意

2)儀器設備的技術資料線上服務教學

實驗課程涉及的儀器設備是實驗室財產的一部分，屬于實驗室管理范疇. 將各種儀器設備的原理部分和實物，乃至儀器容易出現的故障及排查方法等用視頻展現并存檔，無疑對實驗室的管理以及維護能起到積極有效的幫助. 這部分資料上線并服務教學，可使學生在空暇時間自由瀏覽，從而起到輔助教學的作用.

3)利用先進信息技術構造“儀器市場”和創新實踐平臺，實現資源共享

利用虛擬仿真實驗技術對實驗室常用的實驗儀器及大型設備進行制作，將這種具備多種“仿真儀器”類似“儀器市場”[7]的創新平臺的入口鏈接放置于“實驗MOOC”的平臺上. 在平臺技術的支撐下，學生可進行相關實踐活動：

a.利用虛擬仿真儀器進行學習，學習者能進行簡單的相關儀器的細致觀察(3D)或使用訓練；

b.學生通過終端實驗選題，在平臺的“儀器市場”上選取所需的實驗儀器線上進行相關創新實驗.

智能化的開放式平臺，還可以拓展為與企業等接軌的研究性實訓平臺，實現儀器設備特別是特殊的或大型儀器設備的共享，激發學生學習的積極性，提高自主學習以及創新能力.

2.7 建立管理機制，把控質量，提高效益

1)團隊職責

課程建設團隊的主要任務：凝練教學理念，建立教學體系和結構，完成線上建設. 質量監控和進程督促團隊不定期召開會議,聽取匯報，督促進度，協調關系并把控質量；專家團隊參加建設團隊舉行的質量研討會，把握每一個實驗內容的科學性和準確性，保證產品“出口”的質量.

2)過程控制

實驗教案包括教學方法和手段，由團隊教師根據多年教學和科研經驗精心打磨和設計，其內容的系統性和完整性必須以教學理念為核心. 在《大學物理實驗》MOOC建設中，對于教學內容、方法和手段，汲取和借鑒了教改課題“精益思想和博雅教育”的思想和方法[8-10]，采取建模方式并根據實驗條件，與學生共同探究實驗原理，關注實驗間的聯系與區別以及實驗的延伸與應用. 對于這些共識，團隊首先形成文字并發放至每個團隊成員作為指南，如圖8所示.

圖8 《大學物理實驗》MOOC質量標準示意

建設過程中，反復進行交流研討. 為明確責任，各項交流必須有相關人員紙質簽字確認，責權分明,減少失誤，提升效率. 流程如圖9所示.

圖9 質量管理流程圖

a.項目負責人審核：按照質量標準審核并協助完善PPT初稿；對交流的內容簽字確認.

b.課程建設團隊討論：實驗內容準確性，實驗方法、實驗技能把關；簽字確認.

c.項目負責人再審核：在新的起點上進一步審核；簽字確認.

d.專家討論：實驗內涵、實驗思想、科學性以及準確性等把關，畫龍點睛，精益求精；簽字確認.

e.負責人最后審核：最后再完善，出口. 簽字確認.

3 結束語

實驗MOOC的建設同理論MOOC一樣有著重要的意義，對于缺乏實驗條件的人群而言，實驗MOOC的需求更迫切. 文中僅依據《大學物理實驗》MOOC建設的體會，對如何建設實驗MOOC提出了一些粗淺建議. 希望有越來越多具備實踐主體的優秀實驗MOOC線上涌現，實現實驗教育資源共享.