多元化物理實驗教學平臺的構建*

歐陽建明 彭 剛 鄭浩斌 羅 劍

劉振祥 沈 志 楊衛新 段孟常

1 引言

隨著信息技術的飛速發展，當今社會對高校學生綜合實踐能力、創新實踐能力的培養提出了越來越高的要求.實驗教學是高等教學實踐體系中基礎實踐層次的核心[1]，物理實驗教學是高等學校實驗教學的重要組成部分.通過物理實驗的學習與實踐，學生可以鞏固所學物理知識，掌握基本實驗方法，鍛煉基本物理實驗技能，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，為其他實踐課程的學習打下良好的基礎.在掌握知識的同時，通過實驗可以培養學生科學的學習態度，提高學生觀察及分析問題的能力、合作及與人共事的能力、自主學習的能力，掌握研究性學習的方法[1].

學生實踐能力的培養離不開物理實驗教學平臺的建設，構建新的物理實驗教學平臺是物理實驗教育教學改革的重要發展方向.國防科技大學物理實驗教學長期以來依托大學物理實驗室和物理創新實踐基地，以培養學生的基礎實踐能力為目標，開設大學物理實驗課程；以培養學生的創新實踐能力為目標，開展本科生物理創新實踐活動.

原有的物理實驗教學平臺存在以下問題：

(1)大學物理實驗課程開設20個左右的實驗項目，所有學生均完成相同實驗項目與內容，實驗教學沒有層次化.

(2)實驗課程由于受到實驗儀器設備臺套數以及實驗場地的限制，大規模開設的公共基礎實驗課程難以滿足學生個性化學習時間的需求，學生只能在排課的時間進入實驗室學習，其他時間很難接觸實驗儀器.

(3)實驗課程都要求學生實驗前進行預習，學生一般根據教材進行預習，不夠直觀，很多學生照書抄預習報告，預習目的達不到.

國防科技大學物理實驗課程組以高素質新型軍事人才實踐能力培養為目標，圍繞“以學生為中心，厚基礎、強實踐、重創新”的教學理念，將原有物理實驗教學平臺進行拓展與創新，構建了信息資源、自主實驗、基礎能力訓練、創新能力提升“四元一體”的物理實驗教學平臺，提供虛實結合、線上線下混合、從基礎到創新的層次化物理實驗教學基礎條件，為物理實驗課程的線上線下混合式教學打下了良好的基礎.

多元化物理實驗教學平臺由信息資源平臺、基礎訓練平臺、創新提升平臺和自主實驗平臺等4部分構成，分成線上和線下2部分.信息資源平臺主要由MOOC和虛擬仿真實驗等構成，基礎訓練平臺主要由線下實驗構成，二者是基礎物理實驗教學的基礎.自主實驗平臺是線上實驗的補充，通過線上布置，學生利用簡單易獲取的材料自搭實驗裝置，完成實驗.創新提升平臺通過物理創新項目、物理學科競賽等方式提升學生的課外物理創新能力.

“四元一體”物理實驗教學平臺構成圖如圖1所示.

圖1 “四元一體”物理實驗教學平臺構成圖

2 融合MOOC與虛擬仿真技術構建信息資源平臺

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數理虛擬仿真實驗教學中心，該中心在2014年獲批為首批100所國家級虛擬仿真實驗教學中心之一.在此基礎上，為進一步融入大規模在線開放教育技術，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、自主實驗、遠程控制實驗、思想實驗以及演示實驗的五大實驗內容模塊，并出版了全國首本針對實驗MOOC的教材.課程2017年春在中國大學MOOC平臺作為全國首門實驗類MOOC上線[2].大學物理實驗MOOC的創新建設，突破傳統實驗課程學習時間和地域的限制，實現了全地域、全天候開放學習.依托大學物理實驗MOOC，學生可以進行線上的物理實驗理論學習，國家級數理虛擬仿真實驗教學中心可以提供50個物理虛擬仿真實驗項目，學生在課前可以進行虛擬仿真實驗的操作與學習.國家級數理虛擬仿真實驗中心和國家精品在線開放課程——大學物理實驗，構成了物理實驗教學的信息資源平臺，為物理實驗教學提供了優質的線上教學與實驗環境.

信息資源平臺在學生課前的預習環節發揮重要作用，學生通過大學物理實驗MOOC的學習，可以了解實驗原理、實驗應用等內容，通過虛擬仿真實驗，可以提前了解儀器的構造與使用，提高了預習效果.

3 基于遠程控制實驗與手機物理實驗 構建自主實驗平臺

線上實驗不光可以“虛”，也可以實現“實”，遠程控制實驗以及自主實驗可以彌補線上虛擬仿真實驗“實”的不足.遠程控制實驗[3]是一種利用信息化技術，通過遠程訪問，操控實體儀器而開展的實驗.與虛擬仿真實驗通過數值計算等方式獲得實驗結果不同，遠程控制實驗操控的是真實的實體儀器，得到的是真實的實驗結果.測量結果再通過攝像頭等方式進行遠程讀取，可以隨時隨地完成實驗.遠程控制實驗可以作為實體實驗的延伸，學生完成線下實體實驗教學后可以通過遠程控制實驗進行復習，遠程控制實驗與虛擬仿真實驗結合，解決了學生排課時間后難以接觸儀器的問題.

除了遠程控制實驗外，學生也可以利用手機，結合自制簡易實驗裝置，開展基于手機的自主實驗項目.智能手機中都集成了多種傳感器，例如加速度傳感器、重力傳感器、光傳感器、壓力傳感器、磁傳感器等等，通過“手機物理工坊”等APP，可以調用手機傳感器，實現加速度、壓強、磁場等物理量的測量，開展物理實驗[4].

2020春季學期，突如其來的新冠肺炎疫情使得線下實驗教學難以實施.線上的信息資源平臺以及自主實驗平臺在學生返校前的實驗教學中發揮了重要作用，學生通過MOOC進行實驗理論部分的學習，通過虛擬仿真實驗、遠程控制實驗以及基于手機APP的自主實驗開展實驗研究，完成了疫情期間的實驗教學活動.

4 完善實驗課程體系與項目體系構建基礎能力訓練平臺

國防科技大學物理實驗室具有良好的基礎，2011年獲評湖南省普通高校實踐教學示范中心.在已有基礎上，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，開設了涵蓋力學、熱學、電磁學、光學以及近代物理的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.新開設了模擬彈頭轉動慣量測量、全息瞄準鏡的制作、超聲成像等軍事特色實驗項目，提高課程的軍味.在大學物理實驗課程后，開設了技術物理實驗、近代物理實驗等進階以及高階的物理實驗公共選修課程，完善了物理實驗課程體系.學生在完成大學物理實驗課程后，按照興趣選修相應課程，在物理測量技術以及近代物理實驗技術等方面開展專門訓練，進一步提高物理實踐能力.

5 開展創新實踐與思想實驗構建創新能力促進平臺

為滿足學生創新活動的需求，物理實驗中心建設有大學生物理創新實踐基地，該基地2015年被認定為湖南省大學生創新訓練中心.基地緊密圍繞物理學科競賽與大學生創新項目，建立了系統化培訓和自由探索式相結合的創新活動培養方式.所謂系統化培訓主要面向學科競賽，開展專題物理實驗能力培訓.自由探索則是學生依據自己興趣，自主提出物理創新課題，在教師指導下進行研究，培養學生自主創新、團隊協作和交流溝通能力.

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”.在創新實踐活動中通過思想實驗提升學生的科學思維能力.在教學過程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，提出實驗方案，有效地提高了學生對物體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.通過相關訓練，受訓學生參加國際大學生物理競賽，連續4年獲得金獎4項，銀獎25項.

6 多平臺交叉融合提升物理實驗教學品質

信息資源平臺、自主實驗平臺、基礎能力訓練平臺、創新能力促進平臺，4個平臺相互關聯，相互交叉融合.基礎實驗教學要求能實則不虛，物理實驗課程教學以線下實體實驗為主，以線上虛擬仿真實驗為輔，信息資源平臺為實體實驗提供了有益的補充，拓展了物理實驗的時域、空域，使得學生個性化實驗學習具有可能性，同時也彌補了實體實驗項目數的不足.自主實驗平臺與信息資源平臺 “虛”“實”結合，彌補了線上實驗“實”的不足.多層次的基礎能力訓練平臺夯實了學生的基本實驗能力，而創新能力促進平臺側重于提高學生的科學想象能力、科學思維能力以及自主創新能力.物理實驗教學實際中以基礎能力訓練平臺為主，信息資源平臺、自主實驗平臺為輔，創新能力提升平臺為補充，4個平臺相互融合，有效地提高了物理實驗教學品質.

7 多元化物理實驗教學平臺建設成效

信息資源、自主實驗、基礎能力訓練、創新能力提升“四元一體”物理實驗教學平臺，為大學物理實驗課程混合式教學模式提供了虛實結合、線上線下混合、從基礎到創新層次化的物理實驗教學基礎條件.平臺的建設也取得了一些成果，物理實驗課程組建設的大學物理實驗MOOC于2018年先后獲得湖南省和國家精品在線開放課程認定，自主開發的牛頓環等遠程控制實驗儀器獲得了2016年全國高等學校物理實驗自制儀器評比三等獎.基于多元化的物理實驗教學平臺，大學物理實驗課程獲得2019年湖南省線上線下混合式一流本科課程認定.培養的學生近3年參加國際大學生物理競賽，獲得金獎4項、銀獎20余項，參加全國大學生物理實驗競賽，獲得一等獎3項、二等獎3項.