《大學物理實驗》智慧教學模式的構建與研究

李陽娟

莆田學院工程實訓中心，福建 莆田 351100

智慧教育是指利用互聯網和人工智能等現代信息技術來提高教育質量，維護教育公平，這是一種打破傳統的創新型教育模式［1］。智慧教育利用了互聯網上豐富的教育資源和資源共享平臺，幫助人們突破傳統教育的時間和空間限制，為創新型人才的培養與發展提供了最大的可能，是未來教育的發展趨勢。教育部發布的《教育信息化2.0行動計劃》強調，要利用智能設備和互聯網等新興工具與技術積極開展智慧教育創新研究和示范，推動現代教育的模式變革［2］。因此，將智慧教育理念應用于教學活動中，積極創建智慧教學環境，用更現代化的技術手段來提高教學效率，符合國家教育現代化的政策需求。

《大學物理實驗》是理工科專業的基礎必修課程，對學生的科學思維、創新意識和實踐技能的培養具有重要的作用，特別是在科技發展和社會進步相適應的綜合能力的培養方面有著不可替代的作用。隨著教育改革的不斷發展，傳統的物理實驗教學模式的弊端逐漸顯現，培養出的學生自主學習能力差且創新能力不足。因此，為了改善教學現狀，我們將智慧教育理念引入教學活動中，構建《大學物理實驗》創新教學模式，對培養創新型人才具有重要的意義。

一、《大學物理實驗》的現狀與不足

（一）重視度不夠，設備陳舊老化

《大學物理實驗》是傳統的基礎實驗，不具備學科優勢，并且很多普通本科高校未開設物理專業，導致了在學校層面的重視程度不夠、投入的經費有限、實驗設備陳舊老化和課程學時縮減等情況［3］。對于學生而言，由于物理實驗課程并非自己的專業課程，思想上不夠重視，在學習上持有應付態度，沒有認真預習實驗及完成實驗報告等。這樣的現狀嚴重影響了《大學物理實驗》課程的教學效果。

《大學物理實驗》課程包含力學、熱學、光學、電學和近代物理學等方向的實驗內容，課程內容覆蓋面廣但又相對獨立，各方向的儀器設備基本不能共用，有限的經費投入無法滿足儀器更新換代的需求，儀器設備陳舊及配套數不足已成為大多數高校物理實驗室的常態。

（二）課程設置落后，上課形式單一

傳統的《大學物理實驗》教學過程通常是學生課前預習實驗，在實驗課上教師講解并演示實驗操作，最后由學生獨立完成實驗和記錄數據。這樣的教學模式過于單一，依靠教師的單向灌輸知識會使學生產生依賴性和枯燥感，學生被動接受知識不愿動腦思考。另外，由于課堂講解的時間較多，學生在進行實驗的時間則相對緊張，缺少了師生之間的交流互動和知識反饋。

《大學物理實驗》不僅包含很多物理學的知識點，比較抽象難以理解，還需要較強的動手實踐能力。實際中學生的基礎、學習能力和實踐能力差異大，在傳統的教學授課中學生的差異性被忽視，無法培養學生自主學習的能力，不能滿足不同層次學生的個性化需求。

二、基于智慧教育的教學改革與實踐

（一）線上線下相結合的智慧教學模式

線上教學主要針對理論課程，對于實驗課程來說，需要鍛煉學生的實際操作能力，難以完全依靠線上教學模式，只適用一定比例的線上課程和線下實驗教學相結合的線上線下混合教學模式。因此，利用線上課堂的有利條件，構建了《大學物理實驗》在線實驗教學平臺，探索出線上微課學習和實體實驗操作相結合的智慧教學模式。即通過線上自主學習、課堂重點難點講解、實驗操作和問題討論等方式引導學生自主學習，提高了學生自主學習、獨立思考和分析問題的能力［4-5］。

教師利用教學軟件提前制作好微課視頻，其中包含詳細的實驗原理，儀器介紹和實驗操作演示。學生可以通過視頻提前預習實驗，遇到重點難點可以反復播放視頻學習，加深印象，課后還可以參考視頻進行鞏固復習和完成實驗報告。鼓勵學生自主學習，帶著問題來上實驗課，在課堂上教師可以參考學生的問題有的放矢，著重強調重點和難點。同時，數字化的教學軟件還可以實時記錄每個學生的學習情況，通過平臺的個性化評價對每位學生進行精確的分析，然后通過課堂教學上的師生互動進行查缺補漏。

我們在進行線上線下混合教學的過程中，由于減少了實驗原理和儀器介紹等部分的課堂教學，在一定程度上促使學生在進入實驗室之前自主預習實驗。教師在實驗課堂上只強調實驗的重點和難點，以及解決實驗過程中的問題，這樣增加了學生自主實驗和思考的時間，提高了教學效果。因此，在《大學物理實驗》教學中合理地應用微課和智能教學軟件，實現注重個性和差異的智慧教學模式，有助于培養具有自主學習能力的創新型人才。

（二）虛實結合的智慧教學模式

虛擬仿真實驗綜合應用了虛擬現實、計算機、多媒體及人工智能等技術建立一種虛擬逼真的實驗教學環境，學生可以從中感受到真實的實驗場景，并從虛擬的實驗中獲取知識和技能［6］。虛擬仿真實驗突破了傳統實驗對儀器、環境和地點的限制，增加了學生動手實踐的機會，提高了教學效率，并對學生創新思維的培養有著重要的作用。教育部提出虛擬仿真實驗項目的設置，以“虛實結合，相互補充，能實不虛”為基本原則［7］。因此，我們以該原則為導向創建虛擬仿真實驗平臺，將虛擬仿真實驗與實物實驗在教學過程中相融合，構建虛實結合的物理實驗教學模式。虛實結合教學模式符合智慧教育的理念，也是未來實驗教學改革的重要研究方向。

對于理論教學來說，物理學原理比較抽象復雜，利用虛擬仿真技術可以將抽象的原理通過動畫等方式直觀地展現出來，有助于學生理解物理實驗原理、步驟及注意事項等，提升學生對物理實驗學習的興趣和動力。對于實驗教學來說，可利用虛擬仿真技術建設成本較高、操作復雜或危險性較高的物理實驗。學生通過虛擬仿真實驗學習復雜精密的實驗儀器，根據學習內容大膽進行實驗操作、模擬調試和方案驗證等，避免了真實實驗中高危試劑或高壓等因素對人身的傷害，同時也避免了實驗儀器的損壞。

虛擬仿真系統中有實驗原理、內容和操作演示，能夠滿足不同層次學生的學習和實驗需求，學生可以根據自己的實際情況自主靈活地選擇實驗時間和地點，多次反復地進行實驗。系統具有實時的評價功能，不僅能及時提示學生在實驗過程中出現的危險性或錯誤性的操作，還能在學生完成實驗之后實時的對操作過程、測量的數據和求解的結果進行評分。學生在仿真實驗過程中能及時獲得成果評價并進行改進，這種反復的實驗訓練過程不僅鍛煉了學生的實驗技能，還加深了對實驗原理的掌握與應用。我們在實際教學中可以開設部分實物實驗，學習一些常用的測量工具和經典的實驗，再利用虛擬仿真系統開設一些綜合性設計性的實驗，作為基礎實驗之外的補充和提高，實行“基礎實驗—綜合實驗—設計實驗”的分階段式教學，讓學生由易到難循序漸進地學習，能更好地提高學生的實踐技能，提升教學效果，有助于培養學生自主探索和創新思維的能力。

（三）基于創新能力培養的智慧教學模式

創新實踐活動充分利用實驗室資源，為學生提供自主實踐和創造的空間，是物理實驗教學的延伸，既增強了學生的實踐能力和創新意識，又提高了學生的綜合素質，有助于培養現代化的創新人才。我們將創新教育融入人才培養的全過程中，其成效最終反映在人才培養質量的提高。可從以下幾方面進行：

利用物理演示實驗資源，面向理工科或文科學生開設自然科學與文化素養類課程、創新創意類課程或物理演示實驗課程等科學通識教育課程。物理學中的很多概念和規律的發現都是以實驗為依據，因此觀察實驗是物理學習過程中不可缺少的環節［8］。物理演示實驗具有趣味性、探索性和科學性等優點，可以形象地展示抽象的物理學理論，生動有趣地展示生活、生產實際或科學研究中常見的物理現象。學生通過學習演示實驗，可以增加對物理和科學知識的感性認識，促進對物理概念或科學知識的認識和理解，激發學習興趣和探索熱情。從而提高學生的綜合科學素養，培養創新意識。

鼓勵學生積極參與物理或工程類相關的創新設計項目或競賽，這些項目或競賽的選題往往來源于真實的生活或生產實際背景，它們通常沒有固定的答案，而是考查學生對問題的分析能力和創新能力，需要綜合所學的知識提出獨特的見解和解決方案。學生可以從中將抽象的理論知識與生動有趣的實際應用相聯系，并將真實的實際問題轉化為物理和數學模型［9］，有助于提高學生分析解決問題的能力和創新能力。參與競賽不僅考驗學生對理論知識的掌握程度，更加考驗學生的實踐能力與創造力。另外，在競賽過程中，學生需要互相配合處理各種難題，這有利于提升學生的團隊協作意識。

針對理工科相關專業的學生開設畢業設計等創新實踐活動，畢業設計要求學生綜合運用所學的理論和技術知識，相對獨立地解決科學研究等實際問題，最終形成創新成果［10］。學生完成畢業設計的過程是學習的深化和升華的重要過程，對培養學生的綜合素質、創新思維和工程實踐能力等具有重要的作用。我們可以設計物理實驗仿真與模擬相關的畢業設計課題［11］，學生在完成設計的過程中，不僅深刻掌握了相關的實驗原理與現象，而且通過仿真了解了不同條件下實驗現象的演變，拓展了知識與認知。還可以將實驗室的儀器設備開放給進行創新或科學研究的教師與學生，鼓勵學生進入實驗室開展科學研究，有助于培養和提升學生的創新實踐能力。

三、結語

本文對《大學物理實驗》的現狀與不足進行分析，發現落后陳舊的實驗設備以及傳統的教學模式不利于培養學生的自主學習能力和創新意識。鑒于此，提出基于智慧教育的《大學物理實驗》教學模式，利用微課視頻及教學軟件建設在線實驗教學平臺，實現線上線下相結合的智慧教學模式；以“虛實結合，相互補充，能實不虛”為原則建設虛擬仿真實驗平臺，實現虛實結合的智慧教學模式；利用物理實驗室資源，拓展科學通識教育課程、創新項目或競賽、畢業設計等創新實踐活動，探索基于創新能力培養的智慧教學模式。這些改革措施能有效增強學生的自主學習能力和實踐能力，提高創新意識和綜合素質。

隨著我國信息技術的飛速發展和教育改革的不斷推進，基于現代信息技術的智慧教育是未來教育的發展趨勢。將智慧教育理念應用于教學活動中，積極創建智慧教學環境，用更現代化的技術手段來提高教學效率，改善教學效果，有助于培養現代化的創新型人才。