大學物理實驗線上教學的探索

關壽華,張 萍,劉德弟

(大連民族大學 物理與材料工程學院,遼寧 大連 116605)

大學物理實驗是教育部規定的高等學校理工科專業學生六門必修基礎課之一,在培養大學生科學實踐能力和創新素質的過程中發揮著重要作用。但傳統的大學物理實驗教學模式存在許多問題。例如,教學模式單一,課外只能通過閱讀教材來學習;由于實驗場地、儀器和師資的限制,實驗室無法解決學生基礎差異大的問題,無法充分滿足學生廣泛的興趣和不同專業的差異化需求。隨著科技的發展,利用虛擬仿真實驗輔助教學已經成為國內高校解決這些問題和需求的重要途徑[1-2]。

作為民族高校,為解決學生基礎差異大的問題,大連民族大學于2000年引入虛擬仿真實驗來輔助教學,主要是用于預習和復習。2020到2022年間,大連民族大學和眾多高校一樣對大學物理實驗課進行了線上教學的實踐[3-5],突破時空限制,讓學生在線上完成實驗學習。總結此次線上教學實踐的經驗,對于大學物理實驗課的發展有著積極的意義。

1 實驗資源

大連民族大學的大學物理虛擬仿真實驗網絡平臺資源十分豐富,可以提供涵蓋力、熱、電、光等多個領域的眾多實驗項目;登錄仿真實驗平臺后,就可以選擇某個實驗項目進行沉浸式的實驗操作及觀測。學校教務處將教師和學生錄入企業微信,按照院、系、年級和班級建立通訊錄,從而可以便利地建立授課群,進行線上直播教學和即時交流,加上網絡、智能設備十分普遍,線上實驗教學的條件俱備。

2 線上教學模式

2.1 課前引導

每個班是按照制定好的實驗進度表同時上課,做同一實驗項目,這樣安排有利于學生互相提醒,不遲到不缺課,并且可以避免出現任務扎堆、學習質量下降的現象。教師會提前數天提醒學生通過閱讀講義、進入仿真平臺觀看演示視頻等方式進行預習。臨近上課時會提醒學生在群里簽到并進入直播間,上課期間不定時地需要學生在直播間里簽到,并督促學生認真聽講。

2.2 線上實驗教學

教師在企業微信直播間里采用顯示屏幕方式授課,用PPT課件講解實驗原理等基本理論知識,進入仿真實驗平臺,講解儀器的使用方法以及實驗步驟、測量內容等。教師結束直播后,會將課件發到群里。課內剩余時間及課后,學生可以不限時間和次數的進入仿真實驗平臺學習、觀測以及數據處理等,如有疑問可以在群里隨時與老師討論,還可以重復觀看講課視頻回放以及課件,來強化掌握課堂教學內容。通常要求學生在下一次上課前完成實驗,并上交報告,如此安排,學生有充足的時間學習,從而保障了實驗水平和成績。

2.3 成績考核

線上實驗成績由三部分綜合評定給出:考勤成績、操作成績以及報告成績,這三部分滿分成績分別為2分、3分和5分。與線下實驗相比,線上實驗的操作成績是由仿真平臺即時自動評定給出,比較客觀公正。學生每做完一次實驗,馬上就可以查到自己的實驗操作成績,從而決定是否再次實驗。仿真平臺記錄每一次實驗操作成績,并且提交截止當時的最高成績,教師據此量化出實驗操作考核成績。

3 線上實驗教學實踐的總結

3.1 線上實驗教學的優勢

由于虛擬仿真實驗能對實體實驗高度模擬,能提供相對沉浸式的場景和觀測操作,因此線上實驗教學模式基本上實現了實驗課培養目標。由于虛擬仿真實驗網絡平臺突破了時空限制,使得實驗學習不再局限于實驗室,并且允許學生不限次數地實驗,操作成績又是自動即時給出,因此極大地激勵了學生的學習熱情。通過后臺分析可以發現,學生常常自覺地加班學習乃至多次實驗,以此提高實驗水平來取得更好的實驗成績。

以大連民族大學電子215班的密立根油滴實驗為例,全班31人,共做實驗126次,人均4次多,做實驗4次及以上的人數超過總人數的45%。操作次數及其對應的人數、操作平均成績見表1,操作次數及其對應的人數、操作滿分人數的變化曲線如圖1。從表1可以看出,操作次數較多學生的操作平均成績要高于次數較少的學生,雖然并不完全成正比。從圖1可以看出,隨著操作次數的增加,滿分人數逐漸接近實驗人數,尤其是超過6次以上學生的操作成績基本為滿分。整體上看,有近20%的學生進行了6次以上的操作;雖然約有55%的學生操作次數少于4次,但這些學生中的一半是因為已經獲得操作滿分,另一半學生多為操作2-3次后則滿足于現有成績,從而不再嘗試了。

表1 密立根油滴實驗電子215班操作次數及對應人數、操作平均成績的統計

根據以上數據分析可以確認,這種線上實驗教學模式,確實能夠激勵學生的學習積極性,從而促進學生對基礎實驗知識和基本實驗能力的掌握。

3.2 線上實驗教學的局限性

通過實踐體會到,目前階段的虛擬仿真實驗雖然是高度仿真模擬,但還不能完全如實地再現實體實驗的場景,尤其是實驗過程中變化多端的各種現象和可能。電腦屏幕、鼠標和鍵盤也無法帶來實體儀器的那種質感。此外,學生做電腦屏幕中的虛擬實驗,無法生成做實體實驗的那種認真、謹慎的心態。所以,目前階段的虛擬仿真實驗可以傳授基本實驗知識,鍛煉基本實驗能力,但還不能完全代替實體實驗。

線上開放式實驗教學模式中,學生是主體。絕大多數學生表現很好,積極學習并取得良好成績。但還是會有學生表現得不盡如人意,例如,個別學生即使實驗操作水平不高、實驗結果不盡理想,也不考慮通過多次實驗來提高成績;還有些學生自律性差,拖延等現象難以完全杜絕,快到截止時間才倉促地實驗操作,效果較差。而在實體實驗教學中,這兩種情況基本上會被杜絕,教師會檢查并指點學生提高實驗操作水平,發現實驗結果不理想,會幫學生查找原因并要求重新實驗。線下實驗教學中,學生集體行動,從眾行為讓自律性不高的現象大為改善。所以,在這種開放的線上實驗教學中,教師雖然能夠及時答疑,但指導并監督學生學習的職能有所弱化,從而導致實驗教學質量下降。因此這種開放的線上教學課需要學生具有較高的自律性才行,同時也需要找到教師指導并監督學生的有效措施。

4 線上線下多元協作教學模式的思考

根據前述線上實驗教學實踐的總結分析,現階段的大學物理實驗課應該采取實體實驗為主、線上實驗為輔的多元協作教學模式,從而更好地實現大學物理實驗的培養目標。

4.1 擇優以線上實驗替代部分實體實驗

由于經費、場地和安全的限制,許多優秀的重要的實驗項目無法實體開出,包括許多反映重要物理理論知識或者重大物理實驗方法的經典實驗,以及反映科技前沿重大進展的新實驗項目等。經過綜合權衡,可以選擇一些實體實驗室沒有的內容優秀的虛擬仿真實驗,替代部分實體實驗項目,以線上教學的方式授課(如果有條件也可以在機房內開出,強化教師指導監督職能),如此安排,學生就可以按照培養需要擇優學習物理實驗項目,而不受硬件條件限制。大連民族大學物理實驗室做過這方面的探索,開出過“熱敏電阻溫度特性研究”等仿真實驗項目,學生積極性很高,收效很好。

4.2 以線上教學方式開設實驗選修課

大學物理實驗的項目眾多,所涵蓋的各種實驗理論、方法和技術對于大學生未來的科研及生產實踐有著巨大的應用價值,但由于學時、場地及設備的限制,教學計劃內只能開出一部分。針對此種矛盾,可以開設在線上教學的虛擬仿真物理實驗選修課,讓對物理實驗有興趣或者有個人發展需要的學生有機會深入學習各種物理實驗知識,進一步提高科學實踐能力。線上實驗選修課非常適合在校區分散、選課人數眾多的情況下,讓有一定實驗基礎、自律性較強的學生進行拓展學習,而且不受其他條件的限制。

5 結 語

大連民族大學大學物理實驗中心基于實際情況,開展了大學物理實驗課線上教學的探索和實踐,順利完成了培養計劃。實踐表明,線上教學模式具有突破時空限制、激勵學生學習熱情等許多優勢,能在一定程度上提高實驗水平與成績,但也存在一些問題和局限性。如何整體設計來發揮優勢、規避局限性,從而虛實結合、線上線下多元協作,做好大學物理實驗課教學,還需要向其他兄弟高校學習,并進一步探索和實踐。