線上教學和虛擬仿真實驗在大學物理實驗課程中的實踐探索

蘇守正 陶靈平 孫赟 程小燕

摘? 要：大學物理實驗課程是本科教育階段理工科專業學生的基礎課程，在培養正確認識世界、思考并解決問題和探索創新能力方面起著重要作用。高等教育的發展和科技的進步為大學課堂提供了更多優質而豐富的教學內容，各高校在大學物理實驗教學上建立了多種課程形式，如MOOC、精品課程、虛擬仿真實驗等。文章主要探討大學物理實驗課程的創新教學設計，首先分析了該課程的教學特點，然后在對理論知識的理解運用和實驗數據的測量分析基礎上，結合網絡在線教學平臺和虛擬仿真實驗技術，將BOPPPS教學理念引入課程設計中。這種新的課程形式拓展了學生自主學習的空間和邊界，激發了學生學習物理的熱情和樂于思考樂于探索的科學精神。

關鍵詞：大學物理實驗；在線教學；虛擬仿真實驗；BOPPPS；教學研究

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2023）14-0058-04

大學物理實驗是本科階段所學習的基礎課程之一，涵蓋了力學、光學、電磁學、熱學以及近代物理等領域的基本實驗內容，能夠培養學生正確認識世界、分析解決問題和探索創新的能力，其重要意義不言而喻。近年來，各高校為了提升本科教育水平，加大了基礎課程的發展力度，在大學物理實驗教學中也建立了多種課程模式，包括MOOC（Massive Open Online Courses）、精品課程、虛擬仿真實驗、SPOC（Small Pate Online Courses）、BOPPPS教學等［1］，這些課程模式以豐富多樣的設計為各理工科專業學生提供了精彩的學習內容［2］，增強了學習物理的趣味性，非常有利于學生吸收基本物理概念和思想方法，培養科學認識世界的素質和能力［3］。隨著網絡技術的普及和信息技術的發展，這些新的教學模式在大學物理實驗課程中發揮著越來越重要的作用，例如MOOC、精品課程等以線上線下結合的形式提高了學習效率［4］，虛擬仿真技術也給物理實驗教學帶來很多新的教學體驗，如Sakai軟件平臺、虛擬仿真實驗等讓學生可以隨時進行實驗學習，擺脫了實驗條件的限制［5］。這些新的教學形式促進了實驗教學的發展，然而大學物理實驗課程有其特殊性，學生們需要在實際的實驗過程中研究實驗現象、分析實驗結果，才能真正培養出學生的研究能力和創新能力［6］。為了促進教學改革，本文探究在日常的大學物理實驗教學過程中引入BOPPPS教學理念，通過改變實驗教學內容和學習方式，設計更科學更有效的實驗教學模式，以提高大學物理實驗課程的教學質量。

本科教育不僅要注重培養學生的科學人文知識體系，更加重要的是培養學生思考問題解決問題等綜合能力，因此以學生為中心的教學設計在大學課堂中很重要［7］。BOPPPS教學理念正是秉持這樣的思想，將課堂劃分為六個階段，通過不同的課堂階段調動學生主動學習和思考的積極性，這些階段分別是引入（Bridge-in）階段、目標（Objective）階段、前測（Pre-assessment）階段、參與式學習（Participatory-learning）階段、后測（Post-assessment）階段以及總結（Summary）階段［8］。根據這樣的教學理念，本文的課程設計將大學物理實驗模塊化分解，在不同的模塊中引導學生分別完成不同的實驗學習任務，依托信息網絡技術構建以學生為中心和以自主學習為主導的實驗學習環境，著力培養學生對大學物理實驗的學習興趣和思考創新能力。本文將首先簡述目前大學物理實驗課程常見的教學體系和面臨的現狀，深入剖析傳統的以教師講解演示實驗、學生做實驗的教學模式的優勢和缺點，然后結合BOPPPS教學理念，在日常教學實踐中探索并建設新的以學生為中心的實驗教學模式。

一、傳統大學物理實驗課程的優與劣

大學物理實驗課程承擔著培養本科生基礎實驗技能和建立科學認知能力的重任，是理工科各專業的必修課程，然而目前高校理工科專業招生人數逐年增加，不同專業的培養方案不同，對本課程的課時安排與內容需求有明顯區別［9］。為了應對不同的專業人才培養方案，很多高校采用將大學物理實驗課程按學時比例劃分成基礎性實驗、綜合性實驗、設計性實驗等部分，以供各專業學生根據學時和培養方案合理選擇［10］。基礎性實驗要求本科生掌握基本物理量的測量，熟悉常見的物理實驗方法，能夠科學地分析問題和處理測量數據等。綜合性實驗常常涉及多個領域的知識點，如混沌效應實驗，學生不僅要熟悉交流電路的基本原理，而且需要了解非線性方程的性質，能熟練使用信號發生器和示波器等，這對學生的物理知識水平和儀器使用要求較高。設計性實驗是以靈活運用基本的知識點、實驗方法和基本測量儀器為基礎，培養學生主動思考分析問題的能力，激發學生研究探索精神和創新精神。這種分層次的實驗教學體現了較強的靈活性，能很方便地適應各專業培養體系的需求，兼顧了知識點與學時的不同要求。

一般大學物理實驗課程的教學過程是進行課前預習并完成預習實驗報告、在實驗室完成儀器調節和數據測量，最后分析測量數據并完成實驗報告。這個過程充分尊重了實驗科學的研究方法與發展規律，讓學生能夠深刻感受到科學探索的強大魅力，在繁多的測量數據中可以發現藏在背后的物理定律。物理學是建立在科學實驗基礎之上的，基本理論都是基于大量實驗的科學觀測，包含了很多科學思想和實驗方法，只有在實際的實驗過程中解決問題、分析測量數據，才能得到科學的結論，培養學生嚴謹的治學態度和活躍的創新思想，樹立科學的世界觀和方法論，這是其他課程難以代替的。雖然教學實驗高度簡化了研究過程，但仍然需要學生深刻理解相關的理論知識點，熟練使用儀器并正確完成數據測量，解決實驗過程中遇到的問題，思考觀察到的實驗現象，在分析測量數據中得到合理的結論，整個實驗課程需要學生具有較強的獨立思考和積極主動解決問題的能力，彌補理論教學中重計算輕實踐的缺陷。

然而，在當前應試氛圍濃厚的高等教育環境中，大學物理實驗課程在實際教學過程中仍面臨著很多困境［11］。首先，課程教學模式缺乏多樣性，難以激發學生的實驗熱情，很多實驗課程逐漸變成簡單枯燥的數據測量。教學實驗不同于科學研究性實驗，實驗原理通常是清晰正確的成熟理論，所得到的實驗結果也是比較明確的，這導致不少學生只是機械地測量數據，并不去了解背后的理論知識，也不認真分析測量數據并思考實驗現象得到結果。這種本末倒置的學習情況不利于培養學生的研究創新能力，反而誤導學生對科學觀念的正確認識。其次，很多院系只重視本專業的教學和建設，而輕視大學物理實驗這樣的公共課程，導致分配的學時量較少，很難滿足基本的課程需求。在實際的實驗教學中，很多學生在每學期開學的時間段，對大學物理實驗課程興趣濃厚、期望很高，不僅認真學習相關的理論知識點，而且認真地測量實驗數據并分析實驗現象。但是由于每個實驗項目僅分配約三個學時，對于難度稍大的實驗項目，學習理論知識、掌握儀器使用并完成數據測量所花費的時間大大超過三個學時，這樣容易造成很多學生在課程后期學習敷衍甚至抄襲實驗報告。由于每學期的學時較少，學生所學習的大學物理實驗項目也較少，大都只能覆蓋基礎性實驗，學生主要學習基本的實驗測量方法，缺乏綜合性和設計性實驗的學習經歷，難以激發探索和研究的積極性。

二、基于線上教學和虛擬仿真實驗平臺的課程設計

大學物理實驗課程既注重理論知識的理解與運用，也注重實驗數據的測量與分析，其課程內容深刻、知識點繁多、學習時間投入大，但目前很多高校分配的課時較少，師資力量和實驗設備不足等因素都造成了該課程難以達到良好的教學效果［12］。為了克服這些困難營造更加豐富的實驗學習氛圍，在課程設計與實踐中，大力推進在線教學和虛擬仿真實驗平臺在大學物理實驗課程中的應用［13］，這樣可以有效拓展學生的學習空間，特別是新冠疫情發生以后，這些新的教學形式體現了強大的教學優勢。本文的課程設計依托學習通網絡平臺和虛擬仿真實驗平臺，借鑒BOPPPS教學理念及其在實驗教學中的經驗［14-15］，改革大學物理實驗課程，并在日常教學中不斷改進這樣的教學模式，激發學生的學習熱情，培養學生的綜合能力和科學素養［16］。

為了便于結合線上課程的優勢特點，本文的課程設計首先通過學習通網絡教學平臺建立大學物理實驗在線課程，將課程的實驗原理內容、儀器使用和數據測量通過在線視頻的形式放在網絡教學平臺上。學習通網絡平臺按照課程分類，每個課程可以建立不同上課班級，每位選課的學生可以通過學習通賬號在線觀看所選課程的教學視頻，這樣的網絡學習系統可以讓學生擺脫空間和時間的限制，極大地拓展了學生的自主學習空間。為了加強在線教學效果，任課教師可以在學習通平臺上實時提問，然后根據每位同學的回答情況評價他們的課堂學習，使平時成績更加客觀、合理。

在日常的實驗教學中，任課教師經常發現即使要求學生在上課前寫預習實驗報告，學生在實驗課堂中也難以順利完成實驗數據的測量，究其原因是實驗教材只是文字或圖片的靜態表述，學生難以想象實驗儀器實際的操作方法和實驗過程。此外，實驗儀器的更新速度較快，很多實驗教材的編寫較慢，所用儀器大都是很多年前的陳舊儀器，這也導致學生難以通過教材了解實驗儀器。這些問題可以通過虛擬仿真實驗平臺很好地解決，學生通過登錄軟件平臺學習模擬物理實驗操作過程，這樣可以提前熟悉實驗儀器的基本操作方法和實驗測量過程。此外，虛擬仿真平臺還可以結合數據可視化技術讓測量數據顯示出更直觀、科學的圖示效果，讓測量數據不再枯燥無味，這不僅激發了學生學習大學物理實驗課程的興趣，更提高了學生對實驗的理解程度。

依托于在線網絡教學平臺和大學物理實驗虛擬仿真平臺，本課程設計不僅讓學生樂于在課堂之外學習實驗課程，而且提高了實驗課堂中的教學效果，即使如分光計的調節與使用等這些難度較大的實驗課程，很多學生也能較快地吸收設計原理并完成數據測量。在此基礎上，本課程設計根據BOPPPS教學模式將每個實驗項目的課程內容設置為六部分。在課程開始階段，針對每個實驗講述一個科學史上的經典故事或者重要的科學問題作為導言部分，以此引起學生對這個實驗的興趣，了解人類在科學研究中解決問題所做出的努力和經歷的艱難曲折，并潛移默化地感受歷史人物所具有的高尚品質和偉大精神。緊接著，根據實驗課程的總體內容總結出這個實驗的目的并以此作為目標部分，讓學生明確這個實驗的任務和目的。在實驗課程之前，教師可以通知學生按要求觀看學習通在線網絡平臺上的視頻和PPT教學內容，登錄虛擬仿真平臺完成虛擬實驗操作內容，并且完成預習實驗報告的寫作，這作為參與式學習的一部分，讓學生在自由的環境下獨立學習和思考實驗內容。在此情況下，教師可通過學習通布置少量問題，要求學生在預習實驗報告中完成，通過這些前測內容可以了解學生對實驗原理和測量的理解程度。在實驗課程的實驗測量部分，教師可以增加學生的實驗時間分配，首先讓學生在教師指導下完成基本的實驗測量，對于學生在實驗過程中遇到的問題，教師以引導和啟發的方式讓學生自己解決。完成基本測量后，教師可以要求學生自主進行實驗測量并解決教師提出的問題，增加實驗測量的自主性和研究性，這作為參與式學習的另一部分，著重培養學生的研究和創新能力。在這一階段，課程設計的關鍵是針對每個實驗內容提出的研究性問題應該同時具備一定的挑戰性和易解決性，否則學生難以在有限的課堂教學時間內完成，這就達不到預期的培養目標。在實驗課程最后階段，由教師總結本實驗的主要知識點和結論，并對學生的自主實驗過程進行點評，學生通過這總結部分強化對實驗課程整體內容的理解掌握。在實驗課程結束后，學生在一定時間段內完成實驗報告并交給任課教師批改，教師根據實驗報告的寫作和數據分析評價學生的實驗成績，學生通過這些后測部分加深對實驗內容的理解。此外，教師通過學習通平臺提供實驗完成后的疑問解答，不僅有效延伸了后測部分，也提高了學生對實驗課程的理解程度。

三、結語

高水平的大學物理實驗課程能夠讓學生感受到物理實驗的科學思想，能夠讓學生體驗到思考問題解決問題帶來的成就感，能在觀察實驗現象、分析測量數據中認識到自然科學的本質規律。網絡技術和虛擬仿真平臺的快速發展，以及實驗教學儀器的不斷更新，都為教育教學提供了更多更好的教學環境，然而上好大學物理實驗課程的關鍵仍然體現在老師對每一個實驗教學環節的精心設計，激發學生積極主動思考問題解決問題。本文的教學設計通過BOPPPS教學模式探索大學物理實驗課程的教學設計，結合學習通網絡在線平臺和虛擬仿真實驗平臺，讓課堂成為學生樂于學習、樂于思考、樂于探索的場所。

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（責任編輯：淳潔）