教育數(shù)字化背景下大學(xué)物理實驗教學(xué)創(chuàng)新與探索

摘要：在教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的大背景下，為了適應(yīng)教育新形態(tài)，大學(xué)物理實驗課程的教學(xué)改革也勢在必行。本文根據(jù)甘肅民族師范學(xué)院實際使用虛擬仿真實驗教學(xué)的經(jīng)驗，通過對比傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗教學(xué)方法和虛擬仿真實驗的優(yōu)勢，提出了在大學(xué)物理實驗中引入虛擬仿真實驗的思路，并對其教學(xué)模式和評價體系進(jìn)行了優(yōu)化，教學(xué)效果明顯得到提高。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化轉(zhuǎn)型；大學(xué)物理實驗；教學(xué)創(chuàng)新；研究

InnovationandExplorationofUniversityPhysicsExperiment

TeachingundertheBackgroundofEducationDigitalization

ZhangXiaojuanZhengWeimin

DepartmentofPhysicsandHydropowerEngineering，GansuNormalUniversityforNationalities

GansuGannan747000

Abstract：Againstthebackdropofthedigitaltransformationofeducation，inordertoadapttothenewformofeducation，theteachingreformofuniversityphysicsexperimentcoursesisalsoimperative.Basedonthepracticalexperienceofvirtualsimulationexperimentteachingin GansuNormalUniversityfornationalities，thispaperproposestheideaofintroducingvirtualsimulationexperimentsintouniversityphysicsexperimentsbycomparingtheadvantagesoftraditionaluniversityphysicsexperimentteachingmethodsandvirtualsimulationexperiments.Theteachingmodeandevaluationsystemareoptimized，andtheteachingeffectissignificantlyimproved.

Keywords：digitaltransformation；universityphysicsexperiment；teachinginnovation；research

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，任何一個新理論的正確性只有通過實驗驗證后才能被認(rèn)可。同時，物理實驗不僅可以發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象和規(guī)律，而且為物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展提供重要的理論依據(jù)。物理實驗不但作為物理學(xué)研究的基礎(chǔ)和驗證物理理論正確性的重要手段，而且在物理學(xué)的發(fā)展中也起到了至關(guān)重要的作用。

大學(xué)物理實驗是理工科各專業(yè)的一門以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實驗?zāi)芰槟繕?biāo)的專業(yè)必修課程。該課程不僅是學(xué)生接受系統(tǒng)的實驗理論、實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的開端，而且也是對學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)科學(xué)實驗素質(zhì)和能力培養(yǎng)的重要基礎(chǔ)。因為大學(xué)物理實驗的內(nèi)容就是驗證基本物理規(guī)律的，具有基礎(chǔ)、簡單的特點。因此，在教學(xué)過程中更應(yīng)注重學(xué)生在自主開展實驗的能力和素養(yǎng)等方面的培養(yǎng)。本文以甘肅民族師范學(xué)院為例，針對地方民族院校大學(xué)物理實驗教學(xué)實際，提出了在融入數(shù)字化教學(xué)平臺后采取以學(xué)生探索為主、教師指導(dǎo)為輔的創(chuàng)新教學(xué)模式以及評價體系方面的一些思路和方法。

一、大學(xué)物理實驗數(shù)字化教學(xué)改革的背景

在實際的大學(xué)物理實驗教學(xué)過程中，由于地方民族院校學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)薄弱、自主學(xué)習(xí)能動性不足、課堂教學(xué)中缺乏自主學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新意識，導(dǎo)致不能獨立自主完成實驗項目。最后，教師只有把實驗原理和方法“掰碎揉爛”了“填鴨”式地喂給學(xué)生。即便如此，在實驗操作環(huán)節(jié)，還出現(xiàn)有個別同學(xué)難以完成的現(xiàn)象。學(xué)生機(jī)械式地在教師的指揮下按部就班地完成實驗項目，便失去了實驗教學(xué)其初衷，這也違背了實驗課程對培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的要求。

2020年起，各高校充分利用各種在線教學(xué)資源和平臺，如優(yōu)質(zhì)的在線課程、校內(nèi)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間等，積極開展線上授課和線上學(xué)習(xí)等在線教學(xué)活動。各高校在開放全部優(yōu)質(zhì)在線課程和虛擬仿真實驗教學(xué)資源的同時，國家部分虛擬仿真平臺也開放了虛擬仿真教學(xué)實驗項目，免費提供超過2000門虛擬仿真實驗課程資源，為廣大師生提供了更加豐富的學(xué)習(xí)體驗和實踐機(jī)會，也為大學(xué)物理實驗實施數(shù)字化教學(xué)轉(zhuǎn)型創(chuàng)造了有利機(jī)會，積淀了豐富的經(jīng)驗。

二、傳統(tǒng)線下大學(xué)物理實驗教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

大學(xué)物理實驗雖然是一門傳統(tǒng)的課程，且在各個學(xué)校開設(shè)，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和教學(xué)改革的深入推進(jìn)，已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代教學(xué)發(fā)展的需要，主要存在如下幾個方面的問題。

（一）實驗設(shè)備維修，維護(hù)不及時

由于大學(xué)物理實驗課程在全校所有理工科專業(yè)中開設(shè)，課程覆蓋面大，使用頻率高，授課人數(shù)多；又因為每個實驗室由多位教師同時授課。經(jīng)常會出現(xiàn)在儀器維護(hù)和受損儀器維修上不夠及時的現(xiàn)象，將直接影響到實驗設(shè)備的正常運行和所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及實驗教學(xué)效果。

（二）實驗室資源不足

第一，傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗是在實驗室完成的，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和實驗設(shè)備的更新迭代等原因，各個學(xué)校的實驗教學(xué)設(shè)備都存在不同程度更新不到位的現(xiàn)象；

第二，個別實驗設(shè)備由于受損等原因?qū)е略搶嶒炘O(shè)備的臺套數(shù)不足，出現(xiàn)學(xué)生不能按實驗要求進(jìn)行分組，出現(xiàn)每組學(xué)生過多而部分學(xué)生不能親自進(jìn)行實驗操作，這就限制了學(xué)生對物理學(xué)知識的深入理解和掌握，同時也會影響到學(xué)生的實驗、實踐能力的培養(yǎng)，從而影響學(xué)生的綜合素質(zhì)發(fā)展，難以保障實驗的教學(xué)效果；

第三，大學(xué)物理實驗室是培養(yǎng)學(xué)生科研和創(chuàng)新能力的重要場所，而實驗室資源的短缺和不能及時更新會使學(xué)生無法開展高水平的科研活動，限制學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力，從而影響學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和就業(yè)競爭力。

（三）實驗教學(xué)方法落后

傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗教學(xué)方法是教師首先對實驗原理、方法、實驗過程等進(jìn)行講解，然后進(jìn)行實驗演示，最后才讓學(xué)生進(jìn)行實驗操作，根據(jù)學(xué)生完成情況進(jìn)行考核。這種教學(xué)方法也存在以下不足：

首先，傳統(tǒng)大學(xué)物理實驗教學(xué)方法缺乏探究性。教師通過板書和實驗演示、講解向?qū)W生傳遞知識，學(xué)生往往處于被動接受的狀態(tài)。雖然有預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，但由于教師課上還要講解、演示，所以學(xué)生對實驗預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)得不到足夠的重視，使學(xué)生不能主動地進(jìn)行思考、探究和實踐，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，更談不上培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力和實踐探索能力。

其次，傳統(tǒng)大學(xué)物理實驗教學(xué)方法缺乏個性化指導(dǎo)。傳統(tǒng)的教學(xué)方式是按組進(jìn)行的，且每組人數(shù)較多，只要整組完成實驗要求即可。因此注重了整體性的教學(xué)，忽略了學(xué)生的個性化需求和學(xué)習(xí)差異，往往難以滿足學(xué)生的不同需求，尤其是在學(xué)生的實際應(yīng)用能力和實際操作能力方面，缺乏有效的個性化指導(dǎo)。

最后，傳統(tǒng)大學(xué)物理實驗教學(xué)方法不便于教師對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的監(jiān)控和評估。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，由于每小組人數(shù)較多，而操作的往往只有一位同學(xué)，其他同學(xué)沒有實際操作的機(jī)會，所以教師難以準(zhǔn)確地掌握每位學(xué)生的實際情況，無法及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)困難和問題，也難以對學(xué)生的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行有效評估。

（四）評價考核制度不盡科學(xué)

傳統(tǒng)大學(xué)物理實驗評價體系雖然由預(yù)習(xí)、操作、實驗報告和期末實驗考試等部分組成，但預(yù)習(xí)、操作、實驗報告都是定性的評價，特別是操作和實驗報告數(shù)據(jù)每小組都相同，因每組都有個別學(xué)生不能實際操作，就不能準(zhǔn)確地評價每位學(xué)生的實際實驗水平，更體現(xiàn)不出學(xué)生個性發(fā)展。因此，這種評價方式不盡科學(xué)。

三、虛擬仿真實驗的優(yōu)勢

大學(xué)物理虛擬仿真實驗的多樣性在實驗內(nèi)容和形式上都有很大的優(yōu)勢，涵蓋多種實驗類型，可以進(jìn)行自由組合，形式也可以多樣化，幫助學(xué)生更全面、個性化地進(jìn)行實驗探究，從而提高學(xué)生對物理實驗相關(guān)知識和技能的掌握。

首先，虛擬仿真實驗不受時間地點的約束，同學(xué)們可根據(jù)自己的時間在手機(jī)或電腦端完成，無須前往實驗室，方便了學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)。

其次，虛擬仿真實驗從數(shù)量、深度上要遠(yuǎn)大于實體實驗，因此學(xué)生除完成教學(xué)基本內(nèi)容外，還可以進(jìn)行深度探索擴(kuò)展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

再次，虛擬仿真實驗的過程更規(guī)范。學(xué)生使用虛擬仿真實驗時，如果操作失誤就不會出現(xiàn)正確的結(jié)果，這時可以進(jìn)行反復(fù)操作，查找問題、發(fā)現(xiàn)問題，直至順利完成實驗，這樣在更加規(guī)范實驗過程的同時，也增加了學(xué)生的獲得感。完成虛擬仿真實驗后，在實體實驗室就可大大地規(guī)避操作失誤，提高了實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

最后，虛擬仿真實驗還特別適合設(shè)計性實驗和實驗競賽前的各類培訓(xùn)。

四、數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下大學(xué)物理實驗創(chuàng)新與探索

（一）用虛擬仿真實驗代替實驗預(yù)習(xí)

傳統(tǒng)的實驗要寫預(yù)習(xí)報告，即學(xué)生在上課前通過閱讀教材，歸納總結(jié)出實驗原理和實驗過程等并寫在實驗報告上。但在實際撰寫實驗預(yù)習(xí)報告時學(xué)生并沒有認(rèn)真閱讀教材，按部就班地將實驗原理和步驟抄一遍，即便不理解，課堂上還有教師的講授、演示，這樣影響了學(xué)生實驗學(xué)習(xí)的主動性和探索精神。

因此，我們?nèi)∠A(yù)習(xí)報告，讓學(xué)生在上課前根據(jù)教材認(rèn)真進(jìn)行預(yù)習(xí)，且通過虛擬仿真實驗平臺完成實驗，這樣促進(jìn)了學(xué)生有效地掌握實驗原理、了解實驗現(xiàn)象，并規(guī)范了實驗過程。如果存在疑惑和問題，上課前學(xué)生帶著問題通過教師答疑再去做實驗，才能真正達(dá)到實驗教學(xué)的目的。同時，即便是實驗設(shè)備不足，同學(xué)們通過完成虛擬仿真實驗，同樣也能達(dá)到實驗教學(xué)的基本要求。

（二）優(yōu)化實驗報告

通過虛擬仿真實驗學(xué)生已經(jīng)掌握了實驗原理、了解了實驗步驟和過程。為了不增加學(xué)生學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)的情況下，實體實驗就是對理論和結(jié)果的再驗證，所以沒必要再去抄實驗原理和步驟、過程。因此，我們將實驗原理和步驟、過程設(shè)計到實驗報告上，在實驗前印發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生按照實驗實際填寫實驗數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理即可。為提高學(xué)生獨立提出問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和科學(xué)素養(yǎng)，在實驗報告里重點設(shè)計了思考題和對實驗過程、現(xiàn)象和結(jié)果等方面的分析與總結(jié)。

（三）增加設(shè)計性實驗

我們根據(jù)各專業(yè)特點，結(jié)合甘肅省大學(xué)物理實驗競賽的實際，為每個專業(yè)提供了3個設(shè)計性實驗，在開學(xué)第一課上就通知給學(xué)生，讓同學(xué)們根據(jù)自己的實際和愛好去選擇其中的一個實驗提前去思考和設(shè)計，并在期末考試前完成。這促進(jìn)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和高階思維能力的培養(yǎng)。

五、優(yōu)化考核評價體系

融入虛擬仿真實驗后的大學(xué)物理實驗課程考核成績由平時成績和期末考試兩部分組成，各占總成績的50%。其中平時成績由常規(guī)實驗和創(chuàng)新實驗兩部分組成。常規(guī)實驗占40%，創(chuàng)新實驗占10%。將傳統(tǒng)的實驗操作部分與實驗報告部分合并為實驗操作部分，增加線上虛擬仿真實驗部分，線上虛擬仿真實驗部分與實驗操作部分各占平時成績的一半。期末考試成績由理論部分和實驗操作兩部分組成，理論部分全班相同，而實驗操作部分結(jié)合實驗教學(xué)內(nèi)容讓學(xué)生抽取不同的實驗項目來完成。

同時，在平時教學(xué)過程中要求實驗課教師及時批改線上、線下實驗報告，并將成績錄入系統(tǒng)，學(xué)生可通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)學(xué)生端查看平時成績，及時掌握個人的學(xué)習(xí)情況，起到及時反饋和督促的作用，促進(jìn)大家的學(xué)習(xí)。

結(jié)語

本文根據(jù)甘肅民族師范學(xué)院學(xué)生實際，結(jié)合國家教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的要求，對我校大學(xué)物理實驗課程在融入虛擬仿真數(shù)字化實驗平臺后，從教學(xué)體系、考核評價體系等方面進(jìn)行了優(yōu)化，教學(xué)效果明顯得到了提高。

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基金項目：2021年甘肅省課程思政示范建設(shè)研究項目（GSkcsz2021046）；2023年甘肅省高等教育教學(xué)成果培育項目（甘高教函［2023］14號）階段性成果

作者簡介：張曉娟（1979—），女，甘肅民族師范學(xué)院物理與水電工程系副教授，主要從事原子與分子物理以及基礎(chǔ)物理課程教學(xué)與研究。