混合式教學在物理仿真實驗選修課中的探索與實踐

吳 杰 蔣逢春 吳明陽

（鄭州輕工業大學物理與電子工程學院 河南·鄭州 450001）

大學物理實驗是理工科學生進入高校后進行的第一門實踐課程。通過對這門課程的學習，學生能夠熟悉基本的實驗方法，加深對基本物理思想的理解，從而提高分析解決問題和創新思維的能力。然而中學階段，不同地區開設實驗的多少及難易程度有很大區別，尤其是面對高考制度改革，很多考生選擇其他科目而避開較難的物理，從而造成大學新生物理及實驗基礎差距較大。在本科院校應用型轉型背景下，很多學生在規定課時內，只能被動的按照教學內容做一遍，同時，大學物理實驗以學生獨立使用基本實驗儀器為前提，對于基礎較差的同學而言，很難在規定的時間內完成實驗，更沒有機會多次反復驗證。長此以往，學生積極性下降，不能實現理想的教學效果，也就失去了開設物理實驗的真正意義。針對上述問題，我校近幾年開設了物理仿真實驗選修課，目前該課程結合互聯網技術，通過線上預習和操作，線下輔導等環節，形成了線上為主線下為輔的混合翻轉教學模式，這種教學模式以學生為核心，充分調動了學生的學習積極性，提高了選修課的教學效果。

1 仿真實驗平臺介紹

仿真實驗技術以計算機軟件和硬件為基礎，通過計算機系統，模擬實驗環境，展示儀器儀表，演示實驗現象，還能進行儀器調節和連接、變量的測量及數據處理，完成實驗教學的基本任務。相對于傳統的實驗教學手段，仿真實驗采用信息化技術，打破時間和空間的限制，通過模擬實驗環境，獲得直觀的實驗現象，還可以展現不同視角下的儀器結構，有利于學生對實驗儀器的掌握和實驗技能的提升。我校最早選用的是中國科技大學的大學物理仿真軟件系統，該系統由王曉蒲教授、霍劍青教授團隊開發，獲得國家級教學成果獎。這套實驗系統包括近60個仿真實驗項目，既包括力學、熱學、光學、電磁學中常見的基本實驗，也有核磁共振、塞曼效應、拉曼光譜掃描隧道顯微鏡等多個近現代物理實驗，適用于學校理、工、農、林、醫等各專業的學生學習，該系統單機版需要學生在仿真實驗室完成實驗項目。2015年我校購買了其網絡版的十六個實驗項目，每個項目有配套的實驗簡介、實驗內容、實驗原理、實驗儀器、實驗指導等資源，學生通過管理員分配的賬號密碼登錄仿真平臺，進行模擬實際來完成相應的操作，該平臺支持學生隨時隨地進行實驗操作，并記錄實驗時長，有利于老師管理。

2 課程內容和授課模式

物理仿真實驗課面向全校理工科學生選修，以大一學生為主，每學年的春季學期開課，共30學時，授課15周，涵蓋力學、熱學、電磁學等多個實驗項目。由于設置課程的初衷是為了讓學生掌握基本儀器的使用，培養基本的實驗操作技能，同時還要兼顧實驗知識性和時代性，因此每學期我們精選六個涉及基本儀器較多、原理相對簡單易懂、易于操作的實驗項目，例如：（1）力學實驗選用“利用單擺測重力加速度”，涉及游標卡尺、螺旋測微器、直尺以及秒表的使用；（2）熱學實驗中選用“導熱系數的測量”，雖然步驟稍復雜，但是讓學生了解到基礎實驗也能有大作用，可以激發學習的興趣；（3）光學實驗中選用“干涉法測微小量”，了解利用干涉原理測量長度的基本原理；（4）電磁學實驗中選用“多用電表的設計”，讓學生接觸到高精度的電流表和電壓表以及讀數方式，并了解這些電表的級別與精度的關系；（5）近代物理實驗選用“邁克耳孫干涉儀”，從引力波的證實引出該實驗，讓學生了解到經典實驗在目前也有大作用。

在課程學習中，既要讓學生對實驗有總體了解，又要讓他們的注意力集中到實驗內容上。因此在準備的資料中，先介紹實驗背景，由抽象到具體，使學生不僅了解物理實驗的基本思想，并且通過仿真實驗的操作和數據記錄、進行嚴格的數據處理并得出具體的正確結果，培養嚴謹的科學態度。

隨著互聯網技術的飛速發展，人們獲取知識的方式更加快捷、準確。目前教育部和各省份已推出大批的高校精品在線課程，因此在高等教育中引入信息技術已經勢不可擋，同時也促進教師的角色從傳道受業解惑者轉變成知識引領者。本課程依托河南省精品在線課程-大學物理實驗及仿真，利用線上資源和仿真平臺引導學生自主學習，同時結合線下輔導的混合式教學模式，以提高學生科學探究能力和創新能力。具體安排如下：課程第一周教師進行面授課程，講解課程的意義、授課模式、使用平臺介紹以及學習要求，讓學生了解掌握該課程的學習方法。其余周次每周發布公告，明確本周學習內容，并在課表時間進行實驗的理論學習和演示的在線直播和個別輔導答疑。學生在第二周通過線上資源及仿真平臺完成學習內容并提交作業。

每個實驗項目分為理論學習2學時和在線操作2學時，為了充分調動學生學習的主動性和積極性，每個實驗項目完成之后，教師在平臺公告或者QQ群眾公布完成任務較好的前十名學生。同時針對學生在學習過程中反饋的問題，任課老師及時反饋，每學期對自測題和討論主題等模塊進行更新。

3 考核方式

本課程考核重點在于檢查學生是否掌握儀器的使用方法、是否深刻理解實驗內容、是否能夠熟練操作實驗內容以及是否能夠完整的進行數據處理，考核學生對每一個實驗項目的領悟、理解程度，因此本課程進行的是過程性考核。這樣有助于有計劃的課程學習，而且在學習過程中看到過程和成績之間的聯系更有助于完成課程的學習目標。每一個實驗項目考核成績為15分，由三部分構成：預習與自測題4分，實驗作業8分，主題討論3分，六個實驗項目共計90分；課程結束任選一個實驗項目按照論文發表的格式撰寫一篇完整的實驗報告（大作業），分值為10分；滿分為100分。其中：

（1）預習和自測題：每個實驗項目都有對應的課件和視頻資料，學生可以在規定或者其它時間進行實驗預習，然后在線自測，根據瀏覽時長和答題情況給出成績。

（2）實驗作業：由于理工學生課程繁多，為了充分利用網絡平臺，要求學生對操作的關鍵步驟和數據記錄頁面截屏，并對測量數據進行數據處理和實驗分析，然后把這份文檔上傳至平臺的對應作業欄目，通過教師批改和學生互評方式給出最終作業成績。

（3）主題討論：為了促進學生的積極性，每一個實驗項目都有對應的主題討論，學生進行有效參與。所謂有效參與是指：對主題發表自己的認識和體會，以及上傳搜集的資料等，而不是簡單的復制粘貼。

（4）大作業：該作業在所有實驗項目操作完成之后進行，要求能體現出對學習內容理解的深度和廣度，并在在規定時間內提交到課程大作業上。另外為了提高以后的教學效果和水平，要求學生在實驗報告后面寫出實驗體會，對該課程的教學方法、教學效果、學習目標等進行評價和反饋。

4 經驗和總結

物理仿真實驗作為選修課，經過多年的探索，形成了利用在線課程、線上為主線下為輔的混合式教學模式，為學生提供了自主學習的平臺，彌補了傳統實驗的不足，但同時也存在一些問題，下面分別進行闡述。

（1）解決了因學生物理實驗基礎參差不齊所導致的教學困擾。問卷調查顯示，相當一部分同學的選課原因是因為中學沒有很好的開設相關實驗課或者認為自己動手能力差。從每年報名選修課的學生年級分布看，85%以上是大一新生。很多學生認為，這個課程為他們提供了自主學習的平臺，線上為主的教學模式可以讓他們根據自己的實際情況安排實驗進度，使他們有充足的時間對實驗現象和結果進行分析，能夠激發主動學習的積極性，有利于實驗儀器的掌握和實驗技能的提升。目前這門課程的教學思路與方法得到了學生的認可和好評，選修人數每年均達到最多容納人數。

（2）為實踐課程作為選修課以及遠程開課提供了渠道。特別是今年疫情期間，學生遠離學校，不能正常進入實驗室進行實踐課程。但是線上為主的混合式教學模式不受時間空間的限制，只需一臺聯網電腦，隨時隨地可以利用線上資源進行實驗預習、在線操作和完成作業，老師也可以通過布置簽到和批改作業起到督促作用，很好的保障了物理實驗的學習效果，目前該課程不僅在我校正常進行，其他高校也在利用我校課程正常開展物理實驗的教學工作，積極響應了教育部“停課不停學”的號召。

（3）物理仿真實驗作為作為一門線上線下結合的公共選修課程，當前還存在一些需要解決的問題。比如不能實現全員通過，因為該課程考核重在過程，所以少數學生難以按照要求堅持下去，從而導致課程不及格人數要比其它門次偏高；另外部分作業采取同學間互評方式，有時存在打分不客觀等問題。如何更好的發揮選修課大學物理仿真實驗的優勢，達到最佳的教學效果，還需要在實踐中不斷地探索完善。