智慧教學與管理在大學物理實驗中的應用

張廣斌，李香蓮，王長順，董大興

(南京航空航天大學 理學院，江蘇 南京 211100)

2015年3月第12屆全國人民代表大會第3次會議上，李克強總理提出制定“互聯網+”行動計劃，指出通過該計劃，深入推進“互聯網+”教育，促進優質教育資源的共享利用. 在教育領域，打破傳統教學觀念，充分發揮信息技術的優勢，大力推進信息技術在教學過程中的應用，促進信息技術與課程的融合，近年來成為教育研究和探索的熱點[1-5].

大學物理實驗是高等學校理工科類專業學生進行科學實驗基本訓練的必修基礎課程，是本科生所接受的進行系統實驗方法和實驗技能訓練的第一門實驗課程[6-7]，在引導學生掌握物理知識與技能、培養實踐動手能力、提高科學研究素養、提升參與實踐與科學研究內驅力、建立科學的世界觀、人生觀和價值觀方面具有非常重要和深遠的作用. 實驗課程的性質和重要性決定了其排課方式、上課形式、教學模式和考核方法不同于一般的理論課程，在課程種類多、學生體量大、課堂次數多、實驗項目全、實驗室場地有限的前提下，教學的組織和實施越來越依賴于信息技術的支持[8-11].

南京航空航天大學物理實驗中心自2001年建設并使用物理實驗開放教學網絡化管理平臺，學生在實驗內容、實驗時間、指導教師等方面有較大的自主選擇權，充分體現以人為本、自主學習、注重個性發展的教育教學理念. 伴隨信息化技術的發展和閱讀載體的變化，物理實驗中心與時俱進，將多年來的開放教學管理經驗與現代信息技術相結合，有效發揮了網絡資源和手機設備在實驗教學中的作用. 本文主要介紹智慧教學管理平臺在我校物理實驗教學中的應用情況，并對其未來的發展趨勢和方向進行展望.

1 智慧教學管理平臺在我校物理實驗教學中的具體應用

1.1 智慧教學管理平臺的構建

大學物理實驗課程針對不同學科和專業開設，開課范圍廣，學生數量多，教學和管理任務重. 以我校大學物理實驗教學為例，我校物理實驗中心每學年承擔大學物理實驗課程10余門，上課學生總數4 000多人，年均實驗課堂達2 000次，實驗總人次數近60 000. 在實驗教師和實驗室場地有限的情況下，信息化教學綜合管理系統的開發和利用有效地緩解了課程開設的壓力，為課程安排、網絡資源利用、學生選課和上課、教學數據統計等提供了極為便利的條件.

我校物理實驗中心以信息技術為依托，以學生能力培養為中心，積極深化物理實驗教學改革，逐步完善實驗教學綜合管理系統，形成了以“分層次教學、開放式管理和過程性培養”為核心的實驗教學管理理念. 以原有開放教學綜合管理系統為基礎，融合現代技術手段，更新和拓展了其功能，形成了以物理實驗中心網站和物理實驗中心微信公眾號為平臺的智慧教學綜合管理系統，如圖1所示，充分發揮了智能手機在智能選課、報告下載、在線預習、上課提醒、智能考勤、報告上傳、成績反饋等一系列教學環節中的便捷作用.

圖1 智慧教學綜合管理系統

1.2 智慧教學學習資源的豐富

伴隨信息化技術的發展和閱讀載體的變化，現代大學生已經習慣使用信息化手段作為獲取知識的重要途徑. 以智能手機為代表的移動互聯技術的發展，對一般意義上的系統學習帶來巨大沖擊，碎片化學習和泛在式學習應運而生，其作為信息化時代學習的普遍特征之一，已成為深受年輕人推崇的學習方式. 改變傳統的以實驗課堂教學為主體的學習方式，借助信息化手段，將在線資源與線下實踐有機結合，全面發揮學生在實驗課堂中的主觀能動性，構建真正“以學生為中心”的教學管理模式是實踐類課程亟需解決的問題.

1) 數字化教材資源

實驗教材是學生系統學習實驗知識，有針對性地提高實驗技能的最直接的學習資源. 實驗基礎理論和實驗項目是物理實驗教材最主要的組成部分，實驗基礎理論的內容相對固定，但實驗項目部分經常因項目豐富、內容擴展、設備更新或更換等因素影響，存在一定的變動性. 在教材不易頻繁修訂的前提下，如何彌補教材部分內容與實際教學內容不一致造成的影響，是實驗教材編寫者較為棘手的問題.

信息化技術在教材方面的應用解決了這一矛盾，教材的數字化建設[12-14]成為一種趨勢，特別是將傳統紙質教材與可視化資源相結合的教材編寫形式，頗受出版社和教師的青睞. 該形式的教材是對傳統教材的在線補充，即在紙質教材每個章節的部分添加二維碼，二維碼信息包括擴展內容、補充內容、視屏講解、動畫演示等多種可編輯形式，使用者可以通過手機、平板、電腦等設備便捷獲取. 例如我校在機械工業出版社出版的大學物理實驗教材，教材把傳統教材無法呈現的實驗信息以二維碼形式展示在每個章節，既可以方便學生以傳統方式使用，又可以便于學生利用智能手機掃描獲取輔助信息.

2) 在線擴充性課程資源

實驗課堂與理論課堂相比，在有限的課堂時間內更加注重培養學生的實驗操作能力和發現問題、解決問題的能力，學生只有在大致掌握了實驗原理、操作方法、實驗設備使用、設計思路的基礎上，才能夠在實驗室有針對性地進行實驗. 因此，學生的課前預習準備對提高實踐課堂效率、提升實踐應用能力至關重要.

在線開放資源的建設和優化可以為學生更好地參與課外學習提供保障，其建設應遵循直接性、便捷性、實效性和趣味性等原則，課外學習效果可以通過課前測試予以反饋，從而提高學習資源的利用率和課堂實踐的效率. 我校物理實驗中心通過中心網站和微信公眾號為學生提供了豐富的學習和預習資源，并通過智慧化手段對學生課前學習進行適當督促和約束，這種做法起到了一定的效果，課前準備更充分，課堂實踐效果提高明顯. 在線資源建設情況如圖2所示.

1.3 學習效果評測及實踐教學評價

大學物理實驗課程是一門獨立設課的基礎實踐課程，對于培養和提高學生的科學素養和實踐動手能力具有重要的作用. 課程教學效果和學生的過程性學習成效是提高教學質量和學生綜合素質的具體體現. 學生實踐能力的培養和綜合素質提高，是由學生主動參與、教師因勢利導和評價體系動態激勵相互作用的過程，將信息化技術手段與實踐課程考核有機融合，可以實時發現學生在不同環節存在的問題，并有針對性地予以指導和反饋.

圖2 在線課程資源

我校物理實驗教學借助信息化手段對課程考核評價的具體應用如圖3所示. 物理實驗中心積極探索實踐課程的過程性培養方式和方法，深入挖掘智能手機在教學中的潛能，將信息化手段融入實踐課程的各個環節：1)課前，利用有效的在線資源開展預習；2)課堂前段，利用“雨課堂”、在線考評系統客觀評價學生課前預習和學習情況，輔助學生做好課前準備；3)課中大部分時間，利用實驗項目平臺積極開展以學生自主實踐、交互協作實踐為主體的教學模式；4)課中后段，利用“雨課堂”、在線考評系統客觀評價學生實踐環節中的相關問題，倒逼學生主動參與實驗過程.

圖3 智慧化考核手段在課程中的應用

2 智慧教學管理平臺的完善及在實驗課程中的應用前景

我校物理實驗中心積極探索，以原有教學模式為基礎，以信息化手段為支撐，逐步構建了符合時代發展和本身需要的智慧教學管理平臺，信息化手段貫穿在學生實驗的各個環節. 該體系的構建，充分體現了“以學生為中心”的教學理念，重視課堂實踐效果，注重對學生主體的過程性培養.

實踐課程的主陣地在課堂，實驗教學的主要目的是培養學生實踐技能和綜合素質. 展望未來，智慧教學管理平臺在大學物理實驗教學中的進一步應用主要體現在基于信息化技術為依托的課程體系完善、教學模式改革和教學服務方面.

2.1 線上教學與線下實踐相結合的實驗課程教學體系的構建

建設高質量的在線開放課程，可以為學生課外學習、課堂實踐、課后總結等提供更多循環可用、便捷高效的在線資源，特別是以此為基礎開展線上教學與線下實踐相結合的課程教學模式[15-16]，將成為基礎實驗教學發展的一種趨勢. 線上教學即學生在課前通過豐富的在線開放課程資源熟悉實驗原理和實驗方法，掌握儀器的使用和注意事項，初步形成實驗的設計思路，為課堂實踐做好準備；線下實踐即實驗教師精心設計、創新教學組織形式，學生帶著任務進實驗室，充分利用在線資源、教師指導和學生之間的討論協作等完成相應實驗任務.

相比于理論課程，這種線上教學與線下實踐相結合的課程教學體系更加適合物理實驗教學的學習規律和小班化的教學管理形式，不僅可以充分發揮課程資源在不同環節的優勢，促使教師不斷豐富教學模式，積極開展小組實驗、討論式和探究型等多種形式的混合式教學，還可以進一步發揮學生在課堂中的主體作用和教師的輔助作用，為深化教學改革提供更廣闊的空間.

2.2 關聯在線課程資源與教學綜合管理系統，構建課程對學生的過程性管理和培養體系

在新工科建設和振興本科教育的新形式下，實驗教學管理理念和教學培養理念更加注重實踐教學效果、課程質量和對學生的過程性培養，也越來越依賴于信息技術的支持.

在信息技術手段支撐下，課程可以將在線開放課程資源與教學管理系統有效對接，形成學生個人實驗信息庫或個人實驗檔案，信息庫含有實驗選課信息、相應實驗的在線資源、在線練習與測試等，全程記錄和跟蹤學生的學習過程和學習動態，形成課程對學生的過程性培養和管理. 該體系的完善，既能夠使學生便捷利用信息資源，對學生的課外學習形成約束，又可以為教師開展混合式教學提供保障，提高課程質量.

2.3 構建全開放的智慧教學新模式

現有開放教學管理模式下，學生借助信息化手段在實驗內容、實驗時間、指導教師等方面有較大的自主選擇權，充分體現了開放教學自主性、人性化、靈活性的特點，為教學組織和課程管理提供必要保障. 但究其本質而言，現有開放改變的只是課程的管理形式和組織形式，課程內容、課程對學生的要求以及課堂組織形式等并沒有發生本質變化.

深化傳統開放教學模式改革，深層次發揮信息技術的教學輔助功能，構建全開放的實驗教學模式是大膽的嘗試. 課程在統籌考慮資源利用、學生層次、學習動機、專業需要、內容設置、課堂組織、教學設計、實踐效果、教學評價及安全保障等一些列因素的前提下，打破原有限制，創新組織形式，對學生開展全開放的教學模式.

3 結束語

信息技術的迅猛發展和智能手機的普遍使用為大學物理實驗有效推進智慧教學改革提供了廣闊的空間，既豐富了教學資源，改善了教學組織、管理和考核方式，又為學生提供了更多便捷的服務，激發了學生學習的積極性和主動性，有效地提高了物理實驗的教學質量和效果. 信息技術與教育教學的融合發展已成為我國教育信息化發展的主題，并將繼續引領實踐課程的深刻變革和不斷創新.