大學物理實驗信息化教學體系構建與應用

饒益花　唐益群　陳鈾　彭志華

［摘 要］文章探索構建大學物理實驗信息化教學體系的具體路徑，打造大學物理實驗線上線下、虛實結合多元混合式教學模式。該教學體系成功應用于2020年春季學期線上授課，完成了既定的教學任務，達到了課程教學目標，教學效果令人滿意。

［關鍵詞］大學物理實驗；信息化；教學體系；在線課程；虛擬仿真

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）02-0092-03

進入21世紀，計算機、網絡等信息技術迅猛發展，傳統人才培養模式受到了沖擊，國內外教育系統都在嘗試利用信息技術改革教學體系，建立網絡課程體系或線上線下混合教學模式[1-2]。大學物理實驗課程是高等工科院校對學生進行科學實驗基本訓練的一門重要必修課程，是學生進入大學后受到系統實驗方法和實驗技能訓練的開端，它對培養學生的科學素養和實踐能力、創造性思維能力具有重要的作用。傳統大學物理實驗教學延續夸美紐斯的以教師為中心的課堂結構，并受到實驗課程時間安排、實驗場所、實驗儀器等因素的制約，而與時俱進的信息化教學改革是解決這些問題的有效途徑[3-5]。

從2020年春季學期開始，新冠疫情加速了筆者所在學校大學物理實驗課程信息化資源整合、建設的步伐。本文分享筆者所在學校大學物理實驗信息化教學體系的構建與實踐，打造線上線下、虛實結合的多元混合式大學物理實驗教學新模式。多元混合式教學提倡以學生為主體、教師為主導，滿足了高等教育大眾化背景下學習多樣性、個性化的需求[6]。

一、大學物理實驗信息化教學體系的構建

（一）大學物理實驗在線課程

大學物理實驗在線課程依托于超星爾雅通識教育平臺，課程包括所開設的全部實驗項目的數字化電子信息文件，具體課程內容如圖1所示。

在線課程分5章，共17次課，其中理論課2次課，教學實驗15次課。理論課按知識點制作了PPT，錄制了相應的講課視頻，教學實驗制作了PPT、實驗原理講課視頻、實驗儀器介紹視頻、實驗操作視頻，如圖2所示。

PPT和講課視頻中融入實驗背景介紹、物理知識探索過程中的小插曲等，啟迪、引導學生養成細致認真、團結合作、不怕犧牲、勇于追求真理的精神，樹立科學的世界觀和積極的人生觀[6]，潛移默化中落實“三全育人”和課程思政。例如在快速電子動量與動能相對論關系仿真實驗中，穿插愛因斯坦狹義相對論提出的歷史背景：邁克爾遜-莫雷通過實驗否定以太的存在，麥克斯韋在理論上否定以太，牛頓經典力學受到沖擊，后來愛因斯坦推出狹義相對論。以物理理論的誕生過程類比學習過程，鼓勵學生敢于質疑，努力探索，推陳出新。又例如，講述用核技術、放射源的快速電子來驗證狹義相對論時，融入我國核物理學家錢學森、鄧稼先等在祖國最需要的時候毅然回國、鞠躬盡瘁的故事，他們的大愛、大義和奉獻，是培養學生愛國情懷的最好實例。而且針對大一學生的學情，視頻文件創作應突出主題、短小精悍、樂觀向上、資源多樣、契合學生的學習特點。

在線課程還建立了課程資料庫，其中包含豐富的教學資源，如每個實驗項目的電子教材、實驗報告模板、輔助學習的資料和鏈接等；并且還組建了習題庫，每個項目根據教學目標和知識點，至少設置10道選擇題（單選或多選）、簡答題、討論題等，根據在線教學活動的進程，靈活地從題庫中抽題搭配，在學生預習、課堂教學或課后復習環節發布作業。

教師利用在線課程統計模塊，可以查閱學生章節學習情況、任務點執行情況、課堂活動參與積極性，也可以批改作業、批閱實驗報告、進行成績導出和統計。

（二）虛擬仿真實驗平臺

物理實驗教學離不開具體實驗儀器操作。常規實物儀器的操作和使用受時間、空間的制約，只能在規定的時間內到指定的實驗室操作。筆者所在團隊利用現代信息技術，如動畫、Adobe Flash等技術，采用Visual Studio開發工具、SQL Server數據庫等開發了系列虛擬仿真實驗，尤其是一些高危或不可重復的實驗[7]；并且利用網絡技術配套建立了大學物理虛擬仿真實驗平臺，將所開發的仿真實驗上傳至平臺，為虛擬仿真教學提供教學環境和支撐服務，滿足線上教學的需求。仿真實驗的儀器操作和教學不受時空制約，學生可隨時隨地登錄平臺進行學習。仿真實驗教學系統主要板塊包括用戶管理（教師管理、學生管理）、教學情況（教學管理、教學實驗資源、實驗操作評價、實驗數據管理、實驗情況統計）、下載升級（系統版本升級）、仿真實驗（在線仿真實驗、在線互動討論等），將真實實驗操作過程通過虛擬技術手段完美呈現出來。學生可在虛擬場景中模擬真實操作，掌握相關儀器的結構、使用方法，觀察實驗現象并測量實驗數據，完成相關實驗操作內容。每個仿真實驗的功能菜單如圖3所示。

正常情況下，虛擬仿真實驗平臺可供學生進行課前預習、課后復習鞏固，促進學生對實驗儀器、實驗操作、實驗現象等的理解，鍛煉學生操作和實驗的能力[8]；特殊情況下（如新冠疫情時期）還可以把遠程虛擬仿真實驗平臺和在線課程相結合，構成完整的實驗教學閉環，進行全課程的線上教學。隨著實驗教學改革的深入，也可采用部分內容（比如兩次理論課）線上教學、部分內容線下授課，部分內容實物儀器授課、部分內容虛擬仿真授課的形式，為打造線上線下、虛實結合的多元混合式大學物理實驗教學新模式奠定基礎[9-11]。

（三）信息化教學評價

實驗教學活動是綜合性強的復雜活動。傳統實驗評價注重到課率、實驗報告評價等，而信息化教學能實現教學評價的可追溯。在線課程中，學生預習時完成的任務點，課堂教學時開展的簽到、搶答、投票、討論、課堂練習等活動，系統都會自動記錄并評價給分；仿真實驗系統也可以自動記錄評價學生的實驗過程。以“快速電子動量與動能相對論關系仿真實驗”為例，系統自動考查實驗操作過程是否損壞儀器、預置高壓電源的最佳參考電壓是否正確、操作中是否注意打開和關閉有機玻璃罩、放射源蓋子的開合、游標的探測范圍、誤差大小、操作時間等，自動對學生的操作過程進行評價。故信息化教學更方便把實驗學習、操作過程作為重要因素納入評價體系，實現過程性評價。

學生在網上（在線課程或者仿真系統）提交實驗報告，指導教師根據實驗報告中的實驗原理、測量數據、數據處理、實驗結果分析等給出報告成績。

基于信息化教學特點的綜合評價體系如下：單個實驗滿分100分，評價由簽到、預習、課堂活動、實驗操作、實驗報告五方面因素構成，分別對應權重為5%、10%、10%、25%、50%。期末綜合考慮所有開設的實驗，把所有實驗成績加起來取平均值，即得到大學物理實驗課程的期評成績。這個評價方法考查了預習、課堂教學過程、實驗操作過程、實驗報告等因素，實現了學習過程的綜合評價。

二、大學物理實驗信息化教學體系的應用

2020年春季學期，筆者所在學校成功運用大學物理實驗信息化教學體系，將在線課程和遠程仿真實驗相結合，實現了停課不停教、不停學。

下面以“快速電子動量與動能相對論關系實驗”[12]教學為例，展示信息化教學體系的應用過程。超星泛雅平臺建設的在線課程大學物理實驗“近代物理實驗”的第三個實驗即“快速電子動量與動能相對論關系實驗”，課前要求學生進行預習，寫好預習報告，充分利用在線教學資源（主要包括電子教材、教學PPT、實驗原理教學視頻、實驗儀器介紹視頻、實驗操作引導視頻等）進行自主學習。在學生對實驗有了大致了解后，教師利用在線課程PPT， 運用問題探究法就學生在預習過程中難以理解的問題進行重點講述和討論，讓學生掌握如何測量快速電子的動量動能，如何用測量數據驗證愛因斯坦狹義相對論。教師在進行實驗演示的時候，可以在虛擬仿真實驗平臺演示實驗的操作過程、注意事項以及如何操作使測量精度更高，并對真空條件下和非真空條件下的物理現象進行對比觀察和理解[13-14]，培養學生的動手能力和探索性思維。理論講述和實驗操作使用的在線課程和仿真實驗平臺都支持互動討論，仿真實驗平臺會就學生的操作過程自動給出客觀評價。實驗報告在在線課程中提交，一個實驗的成績由簽到、預習、課堂教學、操作過程和實驗報告評分綜合得出，實現了實驗考核的過程性評價。在線課程和仿真實驗平臺也支持課后復習鞏固，學生可不限時間、不限地點登錄學習。圖4總結了信息化教學實施的過程。

2020年春季學期，筆者所在學校全校3851名理工科大一學生通過大學物理實驗信息化教學體系完成了居家期間物理實驗的學習。教師利用“問題探究—實驗演示—對比學習”教學方法，指導學生探索快速電子的動量動能之間的狹義相對論關系，收到了良好的教學效果。

三、結束語

筆者所在學校將大學物理實驗在線課程和大學物理仿真實驗平臺的教學優勢進行了整合，構建了大學物理實驗信息化教學體系，經過一個學期的線上教學使用，取得了令人滿意的教學效果。大學物理實驗信息化教學體系在正常情況下，可作為實驗前在線預習、實驗后復習以及學習過程中的重要學習資源，在非常時期能用于全課程的線上教學，還有助于打造線上線下、虛實結合的多元混合式大學物理實驗教學新模式。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 王濤，吳慶州.“互聯網+”背景下物理實驗信息化教學的探索與實踐[J].物理實驗，2018，38（9）：48-50.

[2］ 霍劍青，王曉蒲.大學物理實驗信息化教學與物理實驗教學方法的研究[J].中國大學教學，2007（5）：78-81.

[3］ 羅偉，王明吉，李賢麗，等.大學物理實驗信息化教學改革探索與實踐[J].物理與工程，2016，26（S1）：176-179.

[4］ 王祖源，張睿，顧牡，等.基于SPOC的大學物理課程混合式教學設計與實踐[J].物理與工程，2018，28（4）：3-19.

[5］ 方愷，呂軍，馬現超，等.大學物理實驗課程微課程移動學習系統的實現與研究[J].物理與工程，2016，26（2）：65-69.

[6］ 黃麗，劉偉龍，趙海發，等.“同向同行”的大學物理實驗課程思政教學設計與探索[J].物理與工程，2019，29（S1）：37-39.

[7］ 饒益花，管亮，唐益群，等.基于組件開發及動畫技術的快速電子動量與動能的相對論關系虛擬仿真實驗[J].物理實驗，2020，40（1）：30-34.

[8］ 饒益花，唐益群，劉應傳，等.快速電子動量與動能的相對論關系虛擬仿真實驗的教學應用[J].物理實驗，2020，40（10）：47-50.

[9］ 范婷，李金平.TPACK理論框架下大學物理實驗教學設計與整合[J].物理實驗，2018，38（6）：46-50.

[10］ 樂永康，龔新高，蘇衛鋒，等.虛實結合的物理實驗教學[J].物理實驗，2017，37（1）：39-43.

[11］ 譚佐軍，程其孌，陳建軍，等.虛實結合混合式大學物理實驗預習模式的實踐[J].物理實驗，2018，38（5）：40-43.

[12］ 饒益花.大學物理實驗[M].西安：西安電子科技大學出版社，2018.

[13］ 苗琦，王明東，楊曉段，等.β粒子驗證相對論動量-能量關系實驗中單能電子阻止本領的研究[J].物理與工程，2009，19（4）：20-23.

[14] 郭慧民，周會.β粒子驗證相對論動量-能量關系實驗中的一些問題[J].北京師范大學學報（自然科學版），2002（1）：74-77.

［責任編輯：周侯辰］