基于混合課堂的大學物理實驗多層次教學與實踐

連增菊，王培卿

（寧波大學 物理科學與技術學院，浙江 寧波 315211）

大學物理實驗作為實踐性自然科學基礎課程，在培養學生的自主學習能力、科學思維能力、實踐能力、合作精神和創新創造能力等方面肩負著重大的責任[1-5]。然而，在知識結構迅速更新換代的當下，傳統單一的線下教學在人才培養方面越來越顯得疲軟無力[6-8]。自從1999年教育部出臺《面向21世紀教育振興行動計劃》實施擴招以來，普通綜合性大學中的大學物理實驗課程一次承擔的學生人數基本穩定在千人以上，有的甚至逼近3000人[9]。如此龐大的人數大大增加了教師的工作強度和重復度，從而導致教師工作激情降低，教師思想禁錮，很難發揮教師在教學中積極引導和創新性教學的作用。傳統的“教師講授實驗原理步驟—學生操作—課后數據處理”的課堂教學流程，也因其單一化和模式化未能有效地激發學生的學習興趣。因此，借助現代先進計算機技術，讓教師跳出繁重的重復性工作，并對學生進行分類多層次教學顯得十分必要而緊迫。另外，大學物理實驗面向的是理工科類大一學生，這些學生剛從封閉式、教師陪練式的高中學習進入到開放性自主式的大學學習。很多同學并未能適應這種學習方式的變化，從而容易迷失在從無人管束到自我放任的道路中。因此，傳統的線下孤立的預習模式，在自主學習能力和自制力相對薄弱的大一新生面前往往淪陷為簡單的文字抄寫工作，從而失去了實驗預習的本來目的和意義。由于實驗預習的不到位，也使得很多同學在實驗課堂中疲于應付，一味地依樣畫葫蘆缺乏自主思考的過程，對所作實驗往往一知半解，甚至完全不解，更不用說創新能力和合作精神的培養。因此，建立一個有效的實時監督的預習體系幫助自制力較弱的大一新生進行有效預習并提高學生的學習興趣是十分必要的。其中借助網絡技術搭建網絡預習平臺和仿真平臺是實現這一目標的一個十分有效的方式。另一方面，在這幾千的新生中不乏優秀的學生，他們自主自律有自己的學習目標。這類學生學習主動性強，實驗預習到位，做大學物理基礎實驗得心應手，甚至覺得有點過于簡單。對于這類學生，把每次4學時的時間完全耗在基礎實驗上著實有點荒廢時間。他們有能力也往往有強烈的愿望進行拓展實驗。對這類學生進行適當的引導開展開放設計性實驗將更有效地激發他們的學習興趣和創新能力。因此，根據不同的學生的學習能力進行分層教學是十分必要而迫切的。我校對大學物理實驗課程進行了線上線下混合式多層次教學的初步改革，并取得了初步的成效。本文即對我校大學物理實驗課程改革中的混合式多層次教學模式進行詳細介紹（教學改革模型見圖1），以期給物理實驗教學改革帶來新的思路和方案。

圖1 基于線上線下混合課堂的大學物理實驗多層次教學模型

1 課前導學，視頻+仿真的集中翻轉

課前導學就是通過下發學習任務、觀看教學視頻、仿真練習和提出問題的過程，實現實驗預習和激發學生學習興趣的目的。

在實驗課前一周我們下發學習任務，明確實驗目的、需要熟悉的實驗儀器和原理、要解決的物理問題和實驗方法。讓學生帶著學習任務在網絡平臺上（我校采用超星學習通）觀看學習實驗原理和教學視頻。教學視頻包括實驗原理講解、實驗步驟演示和實驗注意事項。也就是說，我們把傳統的實驗課堂中的原理和演示部分實現了課前的線上翻轉，突破這部分內容學習的時間和空間的限制，同時也為學生留出更多的課堂時間進行課堂討論、自主思考和分層實驗。線上視頻長期有效，學生可以反復觀看視頻以求充分學習理解。視頻學習之后，學生還需要完成相應的試題以便檢測預習效果。線上每個視頻一般在10～15分鐘之間，測試題大概4～6題。學生完成整個視頻觀看和試題基本在25分鐘之內，這個時間基本在學生的有效學習時間范圍內。教師可以通過網絡學習平臺（超星學習通）實時監控學生視頻學習情況和試題檢測結果。學生的網絡學習數據將計入最后的實驗成績，這在一定程度上可以實時督促學生的課前預習，避免自制力相對較弱的大一新生陷入無人監管的放羊式教學中，同時也可以讓教師從繁重的人工批改預習報告的重復工作中解放出來，并能擠出更多的時間進行學生的創新能力的培養。在此環節學習中，鼓勵學生碰到問題及時主動與教師和同學進行線上線下交流，此過程顯著提高學生的學習效率。

完成網絡視頻學習后，學生可以通過仿真實驗模塊進行線上預實驗。此環節，學生的主要任務：①熟悉實驗儀器；②熟悉實驗操作過程；③提出問題。仿真實驗中的虛擬實驗儀器在外觀結構上和功能布局上與我們線下的儀器基本一致，學生可以通過仿真實驗充分熟悉實驗儀器。通過仿真實驗操作熟悉該實驗的操作過程和需要解決的物理問題。仿真系統對學生的仿真實驗操作可以進行自動打分。學生對掌握不好的實驗可以進行重復操作，系統保留學生操作的最高分。這個不光可以讓學生有效地檢驗自己的學習效果，還可以增加學生的自信心。仿真實驗由于其虛擬性，整個實驗過程可以隨時被叫停，使得學生有充分的時間進行深入的思考并提出問題進行討論。

通過學習通上的理論和實際操作視頻的學習以及仿真實驗的操作，學生可以充分地明確學習任務，理解實驗理論，熟悉實驗操作過程并在學習中提出有效問題。在次環節中，鼓勵學有余力的同學根據實驗目的可以提出與教材不同的設計方案或者改進方案，鍛煉學生的自主創新能力。當然，提出一個新的或改進的實驗方案是一個相對困難并需要長期思考的過程，整個方案的提出和設計可能是貫穿線上線下實驗的整個過程的。后期，我們將對好的實驗項目進行展示、加分等適當鼓勵。

2 課堂實踐，分層教學

有了前期的課程導學，線下實驗課程可以根據學生的預習情況及問題收集情況進行有針對性的講解和討論，同時根據學生學習能力的不同安排不同層次的實驗，進行因材施教，并充分發揮學生的創新能力。因此，線下的實驗課堂我們主要分三個階段進行。

第一階段，問題分析討論階段。教師根據學生線上視頻學習和仿真情況，對學生的疑問和前期預習進行分析，以學生在線提出的問題為主、教師補充的問題為輔進行交流討論。對于有與教材或線上視頻不同設計方案的同學可以闡述各自的設計思路，對重點和難點問題加以說明。

第二階段，實驗操作階段。所有學生根據實驗任務按要求完成實驗。實驗要求學生分組（1～2人）獨立完成。大學物理基礎實驗主要培養學生動手能力、獨立思考能力和嚴謹的科學思維能力，并加深對物理基本規律和定律的理解。因此，這個階段的實驗，我們要求學生獨立完成（除了個別實驗，如用拉伸法測金屬絲的彈性模量，需要2人合作完成外），遇到問題要求學生先進行獨立思考，如仍未能解決，可以尋求教師的幫助。由于有了前期的課前導讀尤其是仿真實驗操作，學生完成實驗的操作時間明顯比傳統單一線下教學模式的操作時間短很多。據統計，個別班級的個別實驗的操作時間可以比傳統教學模式的操作時間縮短50%。這個階段學生實驗操作速度的提高，可以為學生騰出更多的時間進行下階段的分層教學。

第三階段，對于學有余力的學生，完成課程內容后，根據學生需求進行分層次實驗教學。對于有創新方案的同學，可以根據自己的設計方案進行自主實驗（教師提供相應的輔助器材，并提供相應的幫助）。對于動手能力較強并且對相應實驗的補充內容有興趣的同學，可以進行該實驗的補充實驗，教師提供相應的引導和討論。如，在完成“用霍爾元件測量磁場”實驗后，我們可以讓學生自主設計實驗測量霍爾元件的電學性質；在完成“用扭擺法測定物理轉動慣量”后，可以讓學生利用轉動定律測量給定鋼絲的切變模量。這階段的實驗主要是對學生學習能力的進一步拓展，培養他們的創新能力和團隊合作能力。因此，此階段實驗，我們鼓勵學生成立團隊小組，分工完成。這階段的實驗出于學生自愿不強制要求，但是我們可以通過加分、參加各類實驗競賽入門資格的方式鼓勵學生參與。這階段的實驗需要學生的團隊合作和自主創新能力，難度比基礎實驗稍大，耗時也相對較長，因此這部分的實驗有時候不能在課堂上一次完成。鑒于此，我們把實驗室向這部分學生開放，鼓勵學生利用課余時間繼續完成這部分實驗。最終能順利完成實驗的，往往是對物理實驗真正感興趣的學生，這為我們下一階段的拓展實驗奠定了基礎，也物色了人才。

3 課后分層拓展，適時翻轉

這一環節是對前期學習的鞏固、升華，并為下一階段的自主創新做準備。學生完成線下實驗后首先必須完成相應的實驗數據處理和思考題。教師利用網絡課程論壇以及 QQ等社交工具為學生創設實驗反思和經驗分享的空間社區。學生可以在這些空間社區里交流彼此的疑問及收獲，并根據教師推薦的相關資源拓展實驗內容。

對于動手能力較強并對實驗感興趣的同學根據學生的情況進行前期的創新性實驗探索。這些實驗探索主要包括研究性探索實驗和實驗競賽。對于這些學生，教師可以結合學生目前的知識結構提供相應的前沿性物理問題。教師和學生課后可以就提供的物理問題進行線上線下充分的討論，并組隊討論提出可能的設計方案，為后期的創新實驗做準備。對這類學生，教師鼓勵學生嘗試運用Origin、Excel、Maple、Matlab等軟件對大學物理實驗數據進行處理。對程度好的同學，還可以鼓勵學生用Matlab，C語言，Python等模擬實驗的動態過程。讓學生熟悉常用數據處理和模擬工具，對后期的創新性實驗的數據處理和模擬工作做準備。教師根據學生長期交流和討論的情況最終推薦學生進行創新實驗及競賽實訓，為將來的畢業論文、科研工作及各類競賽，如“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽、全國大學生學術競賽（CUPT）、大學生創新實驗競賽等做好準備。在這個階段中，我們鼓勵學生在課程空間社區中分享各自好的經驗，對于好的作品我們通過視頻拍攝、仿真制作等后期制作逐步補充到線上學習資料中，從而為將來學生的自主學習提供更為豐富而完善的學習資料。

此環節的實施，在鞏固和提升學生的前期學習內容，培養學生的團隊合作能力，激發學生的創新創造能力的同時，也能有效地為教師物色適合實施創新實驗和各類實驗競賽的優秀學生。為了能更加有效地進行分層教學，我們最近依次開設了“開放性創新實驗”“物理競賽實訓”等拓展實驗課程。經過幾年的課程建設，學生的學習興趣、動手能力和創新意識明顯增強，參加各類實驗競賽的學生人數逐年上升。同時，我校在物理實驗競賽中也取得了多項獎項的突破。我院在中國大學學生物理學術競賽、挑戰杯、互聯網+、大學生創新實驗競賽等斬獲的獎項逐年增多，并獲得全國一等獎、二等獎等好成績。

4 結語

基于線上線下混合課堂的多層次教學為大學物理實驗教學改革提供了一個新的思路和方案。該教學模式充分利用了當下網絡技術的優勢，通過線上視頻導學、仿真實驗、線上實時或異步互動等各類線上活動，結合線下基礎實驗、實驗競賽和開放創新實驗，充分調動學生的學習興趣，避免傳統教學的枯燥性與說教性，同時把教師從繁重的重復性簡單工作中解脫出來，留出更多的時間精力來真正培養學生的學習力、創造力和團隊合作能力。另外，通過分層教學，充分考慮學生的個體差異，因材施教，提高課堂教學效能，并有效鍛煉學生發現問題解決問題的能力和動手操作能力，營造多層次的實驗創新氛圍，培養學生的團隊合作和創新創造能力。