大學物理實驗混合式教學改革與實踐
——以國防科技大學物理實驗教學為例

歐陽建明 彭 剛 羅 劍 鄭浩斌

(國防科技大學文理學院 湖南 長沙 410073)

1 引言

大學物理實驗是理工科本科生的一門必修基礎實驗課程，也是學生進入大學后接受系統實驗方法和實驗技能訓練的開端，對學生大學階段實踐能力的培養具有重要作用.課程以物理實驗為載體，通過課程的學習和實踐，使學生學習實驗的基本方法，鍛煉基本實驗技能，掌握基本物理量的測量以及基本儀器的使用，熟練使用基本數據處理方法，為后續課程的學習以及將來的崗位任職打下良好的實踐基礎.

與理論課程不同，實驗課程受實驗場地開放、實驗儀器、實驗人員等的諸多限制，實驗室輪流開課，學生大都只有一次接觸實驗儀器的機會，造成學生對實驗原理理解不透，對實驗儀器和實驗現象了解不深，往往學了就忘.隨著信息化技術在教育領域的深度應用，以MOOC、虛擬仿真實驗為代表的在線開放課程和實驗項目正在迅猛發展，實驗課程的教學手段、教學方法、教學思維、教學評價等諸多方面也需要跟上信息化浪潮的步伐，借助優質信息化資源，開展在線實驗教學.

理論課程混合式教學已有相對成熟的方式[1].實驗課程由于自身條件的限制，混合式實驗教學難以按照混合式理論教學的模式開展.理論課程混合式教學一般以線上為主，或線上線下并重的形式.實驗課程注重的是實踐能力的培養，實驗課程，特別是基礎實驗課程還是需要以線下實體實驗教學為主，線上教學為輔.SPOC是理論課程混合式教學采用的比較廣泛的形式[2]，對實驗課程而言，SPOC只能在小范圍內進行，而對于大學物理實驗這種大規模開設的公共基礎實驗而言，由于教師數量等的限制，難以進行大范圍的推廣.國防科技大學大學物理實驗課程將虛擬仿真實驗、MOOC和實體實驗相結合，構建了線上線下混合式大學物理實驗教學模式，并進行了混合式考核方式探索.

2 大學物理實驗線上線下混合式教學的基礎

基于現代信息化技術和虛擬仿真技術，國防科技大學建設了虛擬仿真實驗教學中心，該中心在2014年獲批為全國首批100所虛擬仿真實驗教學中心之一，可以提供50余個物理虛擬仿真實驗項目.在此基礎上，為進一步融入大規模在線開放教育技術，滿足學生多樣化的學習方式和課堂多樣化的教學模式要求，結合遠程教學需求，2015年開始建設了大學物理實驗MOOC，該課程包含虛擬仿真實驗模塊、自主實驗模塊、遠程控制實驗模塊、思想實驗模塊以及演示實驗模塊的五大實驗內容模塊.課程于2017年春在中國大學MOOC平臺作為全國首門實驗類MOOC上線[3].且2018年先后被認定為湖南省和國家精品在線開放課程.虛擬仿真實驗以及MOOC構成了大學物理實驗混合式教學的線上基礎.

國防科技大學物理實驗室具有良好的線下教學基礎條件，2011年獲評湖南省普通高校實踐教學示范中心.在此基礎上，經過“十二五”“十三五”重點建設，物理實驗中心通過重組、升級、新建等方式，建設了大學物理實驗室、技術物理實驗室、近代物理實驗室.其中大學物理實驗室以學生的基礎實踐能力培養為主要目標，包含基本實驗知識、基本方法與技能、典型物理量測量等方面的訓練，開設了涵蓋經典物理、現代物理及典型應用的30余個實驗項目，形成模塊化、系列化的基礎物理實驗項目體系，構成了混合式教學的線下基礎.

3 大學物理實驗線上線下混合式教學模式探索

依托優質的線上與線下教學環境，大學物理實驗課程開展了線上線下相混合，虛擬實體相結合的教學模式探索，課程在2019年獲得湖南省線上線下混合式一流本科課程認定.大學物理實驗混合式教學以線下實體教學為主題，線上教學為輔助，如圖1所示.MOOC和虛擬仿真實驗這些線上教學環境主要在預習和復習階段發揮主導作用.其中MOOC可以充實實驗理論知識，為學生提供交流討論平臺；虛擬仿真實驗可以全時域、全空域開放，并提供課前在線測試、課前預習和課后復習.

圖1 虛實結合的物理實驗教學流程

實驗課程除了實驗教學外還需要學生掌握基本的誤差理論、數據處理方法等理論內容.這些內容往往安排在實驗開始前的緒論部分中.由于學生沒有做實驗，對這些理論方法理解不深，了解不透，而在實驗過程中以及實驗后的處理實驗報告環節則由于相關理論知識的忘卻，造成學生數據處理能力的不足，這也是大學物理實驗教學過程中遇到的一個難點問題.課程在MOOC中專門開設誤差理論和數據處理方法模塊，學生可以隨時隨地進行實驗理論學習，在需要時可以及時通過MOOC回顧所學知識，現學現用.同時為提高學生利用MOOC學習的能力，實驗理論部分學習中的課后習題要求學生在MOOC平臺完成，如圖2所示.對于數據處理中遇到的問題可以在MOOC平臺隨時與教師進行交流.

圖2 實驗理論部分混合式教學過程

虛擬仿真實驗、MOOC等信息化資源除了能為學生提供預習和復習手段外，也可為學生提供實體實驗沒有的虛擬實驗項目，擴充學生的實驗項目表.教育部辦公廳“關于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知”明確要求“虛擬仿真實驗教學中心建設應充分體現虛實結合、相互補充、能實不虛的原則，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能.在涉及高危或極端的環境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，提供可靠、安全和經濟的實驗項目.”[4]對于物理學領域一些高端的實驗項目，比如掃描隧道顯微鏡，虛擬仿真實驗成為一個很好的選擇，學生可以通過虛擬仿真實驗，了解他們本科階段難以接觸到的高端儀器原理及基本操作.

除此之外，大學物理實驗還有遠程控制實驗和思想實驗兩個特色模塊.遠程控制實驗就可以彌補線上實驗“實”的不足，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.遠程控制實驗利用信息化技術，通過遠程訪問操控實體儀器開展的實驗，學生通過互聯網遠程操作和控制實驗儀器，完成實驗數據采集和實驗測量[5].針對學生科學思維能力的提高，在MOOC上定期發布思想實驗項目.思想實驗是基于思維的虛擬實驗，以邏輯推演為根據，憑借實驗者的想象力，不受實驗物質條件的制約，被愛因斯坦稱之為“思維的自由創造”，是“理智的自由發明”.在信息化教學平臺中定期發布思想實驗題目，學生可以根據自己的興趣選擇題目，構建實驗方案，有效地提高了學生對物理圖像的理解和建模能力、邏輯思維能力以及實驗方案設計能力.

4 混合式教學實施與考核

開課前向學生發布《大學物理實驗MOOC選課與虛擬仿真實驗要求》，要求學生進行MOOC選課，完成MOOC上針對本校學生的緒論課作業，在進入實驗室開展線下實驗前需完成MOOC以及虛擬仿真實驗的學習，并在虛擬仿真實驗系統上完成實驗的預習.任課教師通過后臺可以掌握學生預習中的難點問題，并在線下教學中有所側重.學生實驗后也可以利用MOOC和虛擬仿真實驗進行復習.課程考核也以線上線下混合的形式進行，包括終結性考核和形成性考核，比例為3∶7.終結性考核以線下考試的形式進行，形成性考核包括線上的緒論作業、虛擬仿真實驗成績以及線下的實驗成績等部分組成.