大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與探索

蔣 蕓，王亞芳，董愛(ài)國(guó)，周惟公

（1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京） 數(shù)理學(xué)院，北京 100083；2. 保定理工學(xué)院 工程技術(shù)系，河北 保定 071000）

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是大學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究的入門課程，旨在對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練，使其能夠?qū)⒅R(shí)運(yùn)用于實(shí)踐，解決實(shí)際問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)積累，現(xiàn)有的課程內(nèi)容比較豐富，體系比較穩(wěn)定。近年來(lái)的教學(xué)改革主要集中在教學(xué)模式上，包括開(kāi)放式教學(xué)、分層次教學(xué)、模塊化教學(xué)、慕課、微課和仿真軟件等。這些改革為實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)辟了很多新的思路，其目的在很大程度上都是為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性[1-13]。但在教學(xué)中仍然存在學(xué)生興趣不高、疲于應(yīng)付等消極學(xué)習(xí)狀態(tài)，不利于學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)和教學(xué)質(zhì)量的提高。與此同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)電子游戲特別是網(wǎng)絡(luò)游戲有巨大的吸引力，無(wú)論青少年還是成年人都會(huì)被其吸引，甚至沉迷其中。網(wǎng)絡(luò)游戲的吸引力從哪里來(lái)？能不能讓物理實(shí)驗(yàn)具有同樣的吸引力，讓學(xué)生變被動(dòng)為主動(dòng)呢？一些教育工作者開(kāi)始研究電子游戲與各學(xué)科教學(xué)的結(jié)合問(wèn)題，例如開(kāi)發(fā)教育游戲，或者在教學(xué)中使用游戲化手段改變知識(shí)建構(gòu)等[14-17]。本文將從心理學(xué)角度分析網(wǎng)絡(luò)游戲的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，嘗試建立自適應(yīng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，讓學(xué)生在輕松有趣的環(huán)境中，通過(guò)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，獲得知識(shí)并培養(yǎng)能力。

1 自適應(yīng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的心理學(xué)分析

1.1 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

通過(guò)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)課程中教師和學(xué)生教與學(xué)行為的調(diào)研和分析，發(fā)現(xiàn)存在以下幾方面問(wèn)題：①學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力不足，不能進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)，希望教師盡可能多講，愿意模仿教師或其他學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，其結(jié)果是只停留在完成任務(wù)獲得學(xué)分上，而不能從能力上獲得應(yīng)有的提高。②在獨(dú)立操作過(guò)程中，學(xué)生不懂得掌握實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，不能獨(dú)立判斷操作是否正確，或者由于害怕失敗或者損壞儀器，不敢輕易試錯(cuò)，在結(jié)果出錯(cuò)時(shí)不會(huì)分析問(wèn)題所在，其結(jié)果往往是放棄努力，興趣也隨之消失。③教師在學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，既不應(yīng)指導(dǎo)過(guò)度，使學(xué)生自身訓(xùn)練不足，也不能指導(dǎo)過(guò)少，使學(xué)生困惑過(guò)多難以完成實(shí)驗(yàn)。但由于學(xué)生個(gè)體能力存在差異，教師的作用往往不能很好地把握。

1.2 自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的心理學(xué)基礎(chǔ)

解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵在于提高并維持學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，使學(xué)生能夠進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。教育心理學(xué)指出，一般學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)分為兩類：一為內(nèi)源性動(dòng)機(jī)，由個(gè)體內(nèi)在興趣、好奇心或成就感需求等內(nèi)部原因引起；二為外源性動(dòng)機(jī)，由外在的獎(jiǎng)懲或者害怕失敗等原因引起[18]。

與課程學(xué)習(xí)相比，流行網(wǎng)絡(luò)游戲的吸引力正是來(lái)自于它提供了一個(gè)完全符合人類心理的系統(tǒng)，從內(nèi)源和外源兩個(gè)方面激勵(lì)游戲玩家。首先，無(wú)論是短期看還是長(zhǎng)期看，游戲都提供非常迅捷豐富的反饋，游戲?qū)δ愕牟僮髂芙o出即時(shí)、準(zhǔn)確的反應(yīng)，而且這種反應(yīng)符合因果邏輯關(guān)系。短期來(lái)看，一個(gè)簡(jiǎn)單的操作，如果成功了，系統(tǒng)就會(huì)給出正向的積極的結(jié)果；如果失敗了，系統(tǒng)就會(huì)告知并提示出錯(cuò)原因。在游戲過(guò)程中，系統(tǒng)還會(huì)給出進(jìn)度條，告知完成了多少，還需要做多少。長(zhǎng)期來(lái)看，通過(guò)系統(tǒng)反饋，能夠使玩家清楚自己的狀態(tài)，給玩家下一步行動(dòng)指示，并通過(guò)激勵(lì)，促使他們采取下一步行動(dòng)。這種系統(tǒng)反饋就是心理學(xué)上的外源性動(dòng)機(jī)，即通過(guò)及時(shí)提供反饋信息，進(jìn)行適當(dāng)表?yè)P(yáng)或批評(píng)，并對(duì)掌握的知識(shí)和能力進(jìn)行合理的外部獎(jiǎng)勵(lì)[17,19-20]。游戲往往還是一個(gè)自適應(yīng)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)反饋的長(zhǎng)期積累，它可對(duì)玩家的操作水平做出評(píng)價(jià)，給予成績(jī)排行或者等級(jí)徽章，并根據(jù)情況給出下一步的系統(tǒng)難度。在適當(dāng)?shù)碾y度（平衡狀態(tài)）下，玩家很容易進(jìn)入到心理學(xué)上的“心流”狀態(tài)，即忘記外界，專注于當(dāng)前工作的狀態(tài)，避免了由于過(guò)于困難或者過(guò)于簡(jiǎn)單使玩家感到焦慮或無(wú)聊。玩家在獲得正向反饋時(shí)，成就感和自豪感油然而生，就像奧運(yùn)奪冠和獲得諾貝爾獎(jiǎng)一樣，找到一種幸福感。這種情況會(huì)不斷刺激或者維持玩家的興趣，形成內(nèi)源性動(dòng)機(jī)，從而讓玩家繼續(xù)游戲[21-22]。

根據(jù)以上分析，如果形成符合心理學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，就能使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中及時(shí)獲得反饋，引導(dǎo)其認(rèn)識(shí)問(wèn)題所在，并進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)、尋找解決方案。同時(shí)，系統(tǒng)還應(yīng)根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況選擇適當(dāng)難度的實(shí)驗(yàn)，作為學(xué)生的下一個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，即建立自適應(yīng)系統(tǒng)，這樣就能明顯改善目前的狀況。

2 自適應(yīng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成與流程

本項(xiàng)研究利用各種新型教學(xué)手段將已有的各種物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源組織起來(lái)，包括理論知識(shí)教材、課件和相關(guān)題目、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻、相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)慕課資源、仿真軟件、實(shí)驗(yàn)室實(shí)體儀器等，形成合理的復(fù)合型教學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)的基本構(gòu)想如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)流程圖

2.2 系統(tǒng)使用方法

學(xué)生在使用這個(gè)系統(tǒng)時(shí)有唯一的注冊(cè)賬號(hào)，全部操作和成績(jī)記錄在該賬號(hào)上。對(duì)于理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可通過(guò)閱讀教材和觀看視頻完成，之后使用賬號(hào)參加考核，在電腦或手機(jī)上回答選擇題或判斷題，如果一次性答對(duì)，系統(tǒng)給予獎(jiǎng)勵(lì)分，如果多次嘗試后答對(duì)，系統(tǒng)則只給予基本分，積分值達(dá)到一定要求后，方可進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)操作題目。這樣能使學(xué)生在對(duì)題目進(jìn)行認(rèn)真思考后作答，對(duì)把握不大的題目可以增加訓(xùn)練次數(shù)。

對(duì)于仿真實(shí)驗(yàn)，過(guò)程中的每個(gè)關(guān)鍵操作都需要學(xué)生進(jìn)行判斷。系統(tǒng)不會(huì)直接給出結(jié)論，但如果需要可以進(jìn)行提示或給出原理，啟發(fā)學(xué)生思考。系統(tǒng)允許實(shí)驗(yàn)誤差的存在，并會(huì)給出對(duì)結(jié)果的影響。如果在短時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，且結(jié)果誤差較小，會(huì)得到高分，反之會(huì)得到基本分。因此，系統(tǒng)鼓勵(lì)學(xué)生在做好充分準(zhǔn)備的前提下，集中精力完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)失敗的學(xué)生可以借助系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，或者反復(fù)學(xué)習(xí)理論知識(shí)，并重新進(jìn)行測(cè)試。仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)達(dá)到一定積分后，可以在選定時(shí)間進(jìn)入開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作。如果在選定時(shí)間內(nèi)沒(méi)能完成實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)則會(huì)扣除積分，積分過(guò)低則需要重新進(jìn)行理論題學(xué)習(xí)和仿真實(shí)驗(yàn)，滿足積分要求后再重新獲得進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的機(jī)會(huì)。

實(shí)際實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不一定完全一致。如果學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到問(wèn)題，可以向教師求教，教師一般只會(huì)給出提示，而不會(huì)直接給出答案，并會(huì)根據(jù)提示情況適當(dāng)扣除積分，學(xué)生也可自行返回理論學(xué)習(xí)或仿真實(shí)驗(yàn)階段查找原因，此時(shí)不會(huì)扣分。對(duì)于在實(shí)驗(yàn)中主動(dòng)思考、主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和正確解決問(wèn)題的學(xué)生，系統(tǒng)會(huì)適當(dāng)給予獎(jiǎng)勵(lì)積分。教師根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況和數(shù)據(jù)處理情況給出的成績(jī)，會(huì)轉(zhuǎn)換為積分。

完成理論答題、仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)并獲得積分后，學(xué)生可以進(jìn)入下一步，如果積分較高可以選擇其他模塊的實(shí)驗(yàn)，如果較低則需要完成同一模塊的其他實(shí)驗(yàn)，達(dá)到一定積分后再選擇其他模塊。當(dāng)總積分達(dá)到要求后視為訓(xùn)練完成，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況給出成績(jī)，結(jié)束課程。

2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

此系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)分成理論知識(shí)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)預(yù)操作（仿真實(shí)驗(yàn)）和實(shí)際操作三個(gè)部分，均為積分制，可以獨(dú)立使用，并且相互聯(lián)系。

（1）系統(tǒng)中的每個(gè)實(shí)驗(yàn)均由具體的理論知識(shí)和明確的實(shí)驗(yàn)任務(wù)組成。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生首先需要弄懂物理概念等理論知識(shí)，其次要規(guī)范操作流程，降低實(shí)驗(yàn)的盲目性，并初步形成解決問(wèn)題的思路和方法。這符合實(shí)驗(yàn)物理課程的教學(xué)目的，即通過(guò)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用已有知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力及創(chuàng)新能力。

（2）系統(tǒng)中的知識(shí)點(diǎn)或操作要點(diǎn)，是以問(wèn)題或提示形式出現(xiàn)的。這就要求學(xué)生進(jìn)行有針對(duì)性的思考或查詢，促進(jìn)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)其好的學(xué)習(xí)習(xí)慣和探索精神。

（3）對(duì)于每個(gè)知識(shí)點(diǎn)和操作要點(diǎn)的學(xué)習(xí)，系統(tǒng)都會(huì)通過(guò)獎(jiǎng)勵(lì)或懲罰給予及時(shí)反饋。對(duì)學(xué)生作答的正確與否及時(shí)進(jìn)行確認(rèn)，有助于學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、糾正錯(cuò)誤，了解自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度，并調(diào)整學(xué)習(xí)方法，有助于刺激和維持學(xué)生的學(xué)習(xí)樂(lè)趣，激發(fā)其進(jìn)一步學(xué)習(xí)的愿望。

（4）通過(guò)采用積分制形成了自適應(yīng)系統(tǒng)，并根據(jù)學(xué)習(xí)效果調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)難度，構(gòu)建了個(gè)性化的學(xué)習(xí)環(huán)境。當(dāng)前一階段的學(xué)習(xí)和操作獲得足夠積分后，才能進(jìn)入下一階段，這就要求學(xué)生必須做好預(yù)習(xí)。如果由于出錯(cuò)或拖延了時(shí)間而減少積分，有可能退回到上一個(gè)學(xué)習(xí)階段，這就督促學(xué)生要認(rèn)真對(duì)待每一步，并迫使其努力分析錯(cuò)誤原因盡量爭(zhēng)取拿高分。如果回到上一階段，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)其錯(cuò)誤原因，給出新的理論學(xué)習(xí)題目，彌補(bǔ)理論知識(shí)學(xué)習(xí)的不足。由于某個(gè)實(shí)驗(yàn)題目的積分將決定后面可選實(shí)驗(yàn)的范圍，這種基于學(xué)生自身水平的學(xué)習(xí)，起到了鼓勵(lì)學(xué)生不斷努力的作用。當(dāng)遇到困難時(shí)，可以通過(guò)訓(xùn)練或?qū)で髱椭^(guò)關(guān)，對(duì)于一些追求高分的學(xué)生，允許其通過(guò)系統(tǒng)刷分，所付出的努力均能得到回報(bào)。此系統(tǒng)將原先含混的總成績(jī)變成清楚的積分，不但能促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)并完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，也有助于學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定的公平性。

3 實(shí)施與效果

根據(jù)上述基本設(shè)計(jì)思路，對(duì)自適應(yīng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了初步探索。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)RLC諧振電路實(shí)驗(yàn)和霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。

在RLC電路實(shí)驗(yàn)中，教師給出的題目涉及基本原理、規(guī)范操作、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)任務(wù)等。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前或?qū)嶒?yàn)過(guò)程中，回答問(wèn)題獲得積分，當(dāng)達(dá)到滿分積分的60%以上時(shí)，可進(jìn)入實(shí)踐操作環(huán)節(jié)。當(dāng)遇到問(wèn)題時(shí)，學(xué)生可以通過(guò)教材、課堂指導(dǎo)、網(wǎng)絡(luò)查詢或者討論等方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，但在操作環(huán)節(jié)要求學(xué)生獨(dú)立完成。一般來(lái)說(shuō)，學(xué)生回答問(wèn)題的積分在滿分積分的70%左右，學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的積分可達(dá)滿分積分的90%左右，即可以順利完成實(shí)驗(yàn)。課后調(diào)查顯示，針對(duì)問(wèn)題尋找答案并及時(shí)獲得反饋，有利于實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。同時(shí)，這些問(wèn)題可以起到引導(dǎo)學(xué)生思考方向、加深思考深度的作用，有效促進(jìn)學(xué)生獨(dú)立思考能力和實(shí)際動(dòng)手能力的提升。

在霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，在驗(yàn)證霍爾效應(yīng)和應(yīng)用元件測(cè)磁場(chǎng)等基本實(shí)驗(yàn)任務(wù)基礎(chǔ)上，增加了擴(kuò)展內(nèi)容，包括數(shù)字化磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x、霍爾電流計(jì)和數(shù)字化霍爾電流計(jì)使用等。學(xué)生在完成基本實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，由教師進(jìn)行評(píng)價(jià)，如果結(jié)果在合理范圍內(nèi)，可得到70%的成績(jī)。之后，可以選擇完成擴(kuò)展內(nèi)容，獲得相應(yīng)的高分成績(jī)。實(shí)踐中，有30%～40%的學(xué)生選擇嘗試了擴(kuò)展內(nèi)容，約10%的學(xué)生能夠完成全部擴(kuò)展內(nèi)容，獲得 90%以上的成績(jī)。但如果沒(méi)有加分的鼓勵(lì)，可能只有 5%左右的學(xué)生會(huì)嘗試擴(kuò)展題目。顯然，積分制對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)有明顯的促進(jìn)作用。但當(dāng)有的學(xué)生試圖完成全部擴(kuò)展內(nèi)容時(shí)，其基本實(shí)驗(yàn)任務(wù)的完成難免過(guò)于匆忙，所得到的數(shù)據(jù)難免比較粗糙，而面對(duì)擴(kuò)展內(nèi)容時(shí)難免思路不清。這說(shuō)明，選擇適當(dāng)難度的內(nèi)容對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)非常重要，難度適當(dāng)時(shí)，學(xué)習(xí)效果最佳。

4 結(jié)語(yǔ)

這種模擬網(wǎng)絡(luò)游戲設(shè)計(jì)的過(guò)關(guān)升級(jí)型教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，需要理順理論與實(shí)踐的各種關(guān)系，需要將常見(jiàn)的教學(xué)手段進(jìn)行合理應(yīng)用，也需要少量的系統(tǒng)化開(kāi)發(fā)，這在目前的技術(shù)條件下是可以實(shí)現(xiàn)的。

但該系統(tǒng)對(duì)教師、課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)軟硬件的要求大大提高。首先，要求有大量的不同層次的理論題目，而這些題目應(yīng)該形成一個(gè)可以按照層次分布的隨機(jī)抽取的考題庫(kù)；其次，仿真題目也要求針對(duì)不同操作給出相應(yīng)的反饋和提示線索，并根據(jù)學(xué)生的操作情況打分；第三，對(duì)于實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作，要配合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使學(xué)生可以及時(shí)查找理論知識(shí)，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)也需要與學(xué)生的學(xué)習(xí)信息管理建立聯(lián)系，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

以目前已有的軟硬件條件看，部分實(shí)驗(yàn)可以滿足此系統(tǒng)的要求，基礎(chǔ)題目、仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)都能很好配合。但是對(duì)于研究型和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，由于中間一般沒(méi)有仿真軟件，則要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮同F(xiàn)有儀器，在設(shè)計(jì)實(shí)施方案和理論知識(shí)問(wèn)題方面進(jìn)行積極探索，并通過(guò)與教師的交流隨時(shí)補(bǔ)充理論知識(shí)、調(diào)整實(shí)施方案并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)等。