虛實結合的三維一體《大學物理》教學模式的實踐和探索*

高國軍 劉小妹 王 芳 周青春 戴 俊

(江蘇科技大學理學院 江蘇 鎮江 212100)

1 引言

隨著信息技術的發展，各高校都積極投入大學物理線上課程的建設，中國大學慕課可用資源豐富多彩，應有盡有．學生可根據需要和喜好，自由選擇．但是目前的課程資源是不是夠完善了呢？對于學生知識框架的建立和能力培養是不是完全足夠了呢？調查后不難發現，大學物理線上課程一般都存在理論與實驗脫鉤的問題，理論課堂中極少引入實驗，學生對理論知識點的實驗歸納產生過程缺少體驗感．因此，如何合理恰當地將實驗引入到大學物理課程教學中來是值得我們關注的一大重要問題．

另一方面，各高校為了讓眾多學生在課堂外能夠接觸物理實驗，開始投入大學物理實驗線上課程的建設，讓學生在實驗前提前了解熟悉各類實驗儀器、操作方式及物理原理，這類課程的建立主要致力于解決中國學生實踐能力缺乏的現狀．近年來，為了加強對學生實踐能力的培養，以及引導學生進入前沿科學研究及大型科學實驗平臺，在線虛擬仿真實驗應運而生，投入建設和應用．在線虛擬仿真實驗，可以提供全新的開展實驗教學的平臺和模式，突破實驗課堂的課時和空間限制，將重要的實驗教學元素都在在線開放課程中呈現給學生．但當前國內在線開放大學物理實驗及在線虛擬實驗課程相對較少．

綜觀大學物理及大學物理實驗的教學過程和課程建設思路，不難發現，長期以來大學物理理論課程與大學物理實驗課程的獨立開課模式，無法實現對學生的理論與實驗能力的同步培養訓練[1]．學生的理論學習沒有實驗根基浮而不實，理解不透，疏于應用，而實驗學習則因理論欠缺，思考不夠[2]，創新和設計很難實踐．在“培養學生綜合素質”的教育理念大背景下，教師在幫助學生建立傳統知識體系的同時，如何針對學生特質培養實踐創新能力[3]，已經成為物理教學中的重要命題．大家都深刻意識到，針對全體大學生的創新訓練，才是實現新工科及基礎研究珠峰計劃的重要基礎．基于上面的分析和思考，我們對大學物理教學內容、教學模式和方法進行了以下幾個方面的實踐和探索．

2 建設豐富的大學物理在線開放課程資源 將理論課程知識點與實驗項目進行匹配鏈接

在線開放課程模式(MOOC)已經成為學生線下學習必不可少的有效輔助和補充，它的優勢不言而喻．在線開放大學物理課程正逐步成為物理學教學的重要輔助手段，課程教學內容的展現維度將會越來越豐富.江蘇科技大學正嘗試突破目前以理論知識點講解為主的固定思維和模式，將豐富的虛擬仿真實驗及演示實驗引入到線上課程資源中，建立內嵌虛擬及演示實驗的大學物理線上課程資源，有效激發學生課堂外主動參與線上學習的熱情．

首先，我們對大學物理的整體脈絡和內容進行分析研究，結合相應虛擬仿真實驗項目，將各知識點與實驗項目匹配鏈接，建立線上資源與虛擬仿真實驗的有效銜接，逐步建成理論知識點與相應實驗同步推進、相輔相成的教學模式．將大學物理各個模塊與實驗項目進行詳細比對．比如力學模塊中，將“剛體的轉動慣量”知識點與實驗“復擺法測定金屬環的轉動慣量”“三線擺法測轉動慣量”“凱特擺測重力加速度”進行有效銜接；熱學模塊中，將“熱敏電阻”知識點與“半導體溫度計的設計”進行關聯；光學模塊中，將“光的干涉、衍射”知識點與實驗“全息照相”鏈接；電學模塊中將知識點“帶電粒子在電磁場中的運動”與實驗“霍爾效應測磁場”進行關聯．

大學物理課程學習中引入在線虛擬仿真實驗可以幫助學生實現對實驗的體驗感，建立知識點的根基和脈絡，實踐物理知識的立體化深度理解，具有與課內實驗相同的教學效果．通過建立理論課堂與實驗課堂的有機關聯，加深對物理理論概念、原理的理解掌握．舉例來說，針對剛體力學部分“轉動慣量”理論知識點，通過虛擬仿真實驗“凱特擺測量重力加速度”(圖1)可以強化學生對轉動慣量及轉動定律的理解，讓學生體會轉動慣量如何改變擺的周期，增強理論教學效果，同時培養學生的實踐能力．其次，對于大型實驗裝置，難以在普通實驗室開展運行的這些實驗，通過虛擬仿真實驗讓學生近距離了解最新的物理實驗科學前沿進展，拓展學生視野．

圖1 MOOC大學物理剛體力學部分4.5節教學視頻截圖

3 系統設計和制作線下課堂虛擬實驗和演示實驗內容 實現線上線下混合式教學過程中課堂實驗再現

雖然線上課程資源豐富多彩，但目前來說線下課堂仍是學生學習的主戰場，學生的課堂學習效率和效果是決定素質培養的關鍵因素．調查顯示，很多學生對于大學物理課程的學習都處于霧里看花的學習狀態，遇到問題似是而非，似懂非懂．最根本的原因是學生對于知識點的理解還處于感性階段，沒有實現感性到理性的邏輯升華．為增強學生對物理知識從感性認知到理性分析的邏輯歸納能力，突破理論課與實驗課的界限[4]，江蘇科技大學嘗試建成演示實驗與理論課相融合的互動翻轉大學物理教學模式．

首先，進行大學物理內容和框架的整理和分析，以知識規律的最初發現過程開發虛擬仿真實驗項目；或者以現代科學技術，尋找能演示知識規律的課堂手段．然后，依據現有實驗基礎，逐步開設和建立一整套課堂演示實驗項目體系，激發學生學習熱情，提高授課吸引力[5]．同時，提供對應演示實驗項目的在線交互教學資源，為學生創設體會真實實驗的預習環境，最終實現學生對物理知識點的立體化深度理解．比如講解駐波知識點時，用電動牙刷結合繩子演示駐波的形成過程，然后給學生播放昆特管中聲駐波演示視頻，讓學生體會豐富多彩的三維駐波．再比如講解振動的簡振模式時，現場邀請學生表演吉他、笛子等樂器，帶領學生關注樂器發聲原理，聲臨其境感受物理知識的奇妙性．

另外，為提高教學效果，我們結合課堂演示實驗，實現有效互動和翻轉．舉例來說，在剛體轉動慣量的知識點教學中，通過兩個學生參與度高的實例來進行加強鞏固．

第一個實例：如何判斷雞蛋的生熟？給學生隨機分發生、熟雞蛋，讓同學們通過本節知識點去區分，動手操作后分組討論，給出理論解釋．

第二個實例：用一根手指頂起細桿，桿子的長度對保持平衡的影響．學生分組討論，實際操作(圖2)給出何種桿子更容易保持平衡的方法，分組討論為何高空鋼絲雜技運動員需手持長桿(如圖3中教學視頻重點舉例插圖)．通過這種以學生為主體的課堂教學，提高了學生的學習興趣、增強了師生互動、加強了學生間的有效溝通，使得課堂教學變得有趣且高效．

圖2 大學物理剛體力學部分課堂實錄

圖3 MOOC大學物理剛體力學部分課堂翻轉演示實驗

4 結合線上課程資源及虛擬實驗平臺的便利性 圍繞我校各主要理工科專業 設計凸顯船舶海洋特色的物理創新實踐項目

在創新創業教育改革的大環境中，大學物理課程也正積極關注大學生創新能力和實踐能力的培養，為適應新形勢，培養新型人才，江蘇科技大學嘗試建設有學校自身特色的實驗創新訓練體系，項目內容貫穿力學、熱學、電磁學、光學多個物理板塊，實現物理課程學習中全過程進行學生創新能力的培養；實現物理課程中嵌入學校特色和專業特色，增加學生學習興趣．創新訓練項目具體實踐步驟如下：大學物理課程團隊從我校各海洋特色專業中的實際物理問題出發，結合近幾年的物理實驗競賽項目和內容(國際青年物理學家競賽IYPT)，設計創新訓練項目，構思了一套融入我校海洋特色的創新實驗項目體系，比如以項目“設計一艘只因內部部件的周期性機械運動而移動的船，并且它只通過堅硬的船體與環境(空氣、水)相互作用產生移動．優化你所建的船的參數以達到最大速度．”為基礎進行構思；利用在線課程面向全體學生進行開放，學期初，發布針對各知識板塊的創新訓練題目，學生自由分組(3～5人一組)；在對應板塊授課結束時，各組完成并提交設計方案，利用在線學習反饋板塊測評學生解決問題的科學性，然后安排討論課分析各方案的優缺點、可行性，評選出前10名優秀方案；在此基礎上，依托國家級和江蘇省大學生創新訓練計劃進行，遴選高水平學生進一步開展高階科學創新訓練，實現科學研究整體能力的開發．通過創新訓練項目的有機融合，逐步實踐立體化的、培養創新能力的特色性行業院校物理課程全新教學模式．

創新能力培養環節，在線課程中設置創新訓練項目，在給學生提供創新問題描述的基礎上，同時為學生演示實驗，輔助學生理解創新訓練題目的物理實質(圖4)．線下課堂實驗演示，進行原理分析，邀請同學翻轉式教學，分享各小組創新訓練題目的報告匯報，通過活躍的課堂討論形式，強化學生對物理知識的理解及對創新能力潛移默化的培養[6]．

圖4 MOOC大學物理剛體力學部分4.6節教學視頻截圖

5 結論

本文從江蘇科技大學大學物理教學實際出發，針對大學物理課程資源建設中缺乏實驗元素及創新互動元素的實際，探索和建立內嵌虛擬仿真及演示實驗、融入學校船舶海洋專業特色、創新元素豐富的大學物理線上開放課程．利用線上課程資源，實踐線上線下混合式教學，與此同時，豐富線下課堂教學，建立一套課堂演示實驗項目體系，激發學生學習熱情，提高授課吸引力，并通過貫穿全課程的系統物理創新實踐項目，建立觀察—實驗—記錄—總結—歸納的物理規律生成路徑，融入討論式、翻轉式教學，增強學生自主學習及實踐創新能力．最終建立“線上線下課程資源建設+虛實結合課堂實驗+創新訓練”三維一體全方位課程及教學體系(圖5)，致力于學生實踐創新能力培養．

圖5 大學物理課程教學思路