信息化环境下大学物理实验教学新模式的研究与实践

王小兰，戴亚文

（1.湖北省黄冈师范学院，湖北 黄冈 438000；2.武汉理工大学，湖北 武汉 430070）

通过信息技术与学科课程的整合，建立各学科课程的数字化学习平台，创新教学模式，已成为21世纪教育研究的热点。大学物理实验是理工科涉及面最广的重要的实践性课程，是培养高素质人才重要环节。随着国家、省两级实验教学示范体系的逐步形成，大学物理实验教学改革和教学质量的提高就显得十分必要。建立物理实验示范中心数字化学习平台、创新实验教学模式，以逐步实现实验教学内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式和师生互动方式的变革，为学生创造一个适合信息时代学习特点的学习环境和教学模式，是当前信息技术与物理实验课程整合中迫切需要解决的问题。

近几年各高校在这方面进行了有益的探索，但还只是一种传统的“老师讲解－操作演示－学生操作实验－提交实验报告”教学模式的变种，在“课前预习－课堂操作－课后完成实验报告”实验教学的各个环节上没有把信息技术与学科课程真正融合起来，不能实现根本意义上的教育信息化教学模式改革。一般“课前预习”只触及到教学内容及形式的变化，如实验教材的电子化网上呈现等；“课堂操作”也只是老师讲，学生被动的听，再操作实验；“课后完成实验报告”质量不高，印象不深，做一次实验来也匆匆，去也匆匆，根本谈不上科学素养和能力培养。

因此，针对理工科基础物理实验课程，如何将信息技术与之“深层次”有机地整合，实现教学模式的创新，我院和武汉理工大学的大学物理实验中心密切配合积极开展本课题的研究，拟对物理实验教学模式从理论和实践层面上进行新的探索。

1 人本主义理论与建构主义理论研究

我们研究的理论基础主要建立在人本主义理论与建构主义理论之上，这些理论的核心观点概括起来有：

建构主义理论。对于学习者来说，建构主义认为，学习不是知识由教师向学生的传递，而是学生建构自己的知识的过程。学习者的学习是主动的，不是被动的信息接收者，而是通过对外部信息的选择和加工主动建构信息，这种建构不可能由他人替代完成。根据建构主义的理论，要创设一个有利于学生自主学习的信息环境和发展平台，变封闭的、被动的、接受式的学习方式为开放的、主动的、探究式的学习方式，使学生在学习的过程中不仅获得知识，更能获得继续学习的能力和解决问题的策略，培养学生良好的信息素养，为学生的可持续发展奠定坚实的基础。

人本主义理论。人本主义认为人的成长源于个体“自我实现”的需要，“自我实现”是人发展的根本动力追求目标。当个体达到“自我实现”需要的高峰，也就进入了自由创造的境地，出现“高峰体验”——创造潜能的发挥或自我实现给人以最高的喜悦，这种主观上的感受是最高的奖赏和奖励。教育的作用在于提供一个安全、自由、充满人性味的心理环境，使学生固有的优异潜能自动地得以实现。人本主义体现了学生的主动发展思想和主体发展地位，体现了以人为本的现代教育理念。“转变学习方式”就是要变“以教师为中心”为“以学生为中心”，明确教学的目标在于促进个体的可持续发展。教师的任务不是教学生学习知识，而是为学生提供各种学习资源——信息技术将为教师在有限的时间内展示多角度、多层面、全方位的信息资源提供可能，创设有利于学生发现创新的信息平台，让学生真正成为学习的主体［1］。

2 信息化环境下大学物理实验教学新模式的构建

遵照中共中央国务院关于“深化教育改革全面推进素质教育，以培养学生创新精神与实践能力”的指示，将“坚持和落实科学发展观，以学生为本，以创新人才培养为核心，实施开放式实验教学，促进学生知识、能力、思维和素质的全面协调发展”作为实验教学改革的指导思想。且基于建构主义理论和人本主义理论，我们改革的思路是：通过建立以真实物理实验为基础的“物理实验教学网站＋物理实验辅助学习机”崭新的数字化学习平台，实现物理实验课前、课堂、课后三位一体的“自主学习和面向个性化教育的”的全程数字化教学指导新模式，实现以“教”为中心的教学模式向以突出教师主导作用和学生主体作用的“双主”教学模式的转变，从而达到培养学生创新精神与实践能力的目标，使物理实验教学质量大幅提高，为学生的可持续发展打下坚实的基础。

即信息化环境下大学物理实验教学新模式是以数字化物理实验学习平台为基础，以信息化、网络化实验教学管理平台为保障，自主开发的物理实验辅助学习机为依托，实现课前、课堂、课后三位一体的自主学习和个性化相结合的物理实验教学模式［2－5］。

2.1 建立有利于自主学习、个性化教育的“模块化、分层次、开放式”的大学物理实验教学新体系

从学生实践能力、创新意识和能力的培养出发，根据实验对象的不同、难易程度的不同及各实验内容和层次的不同，将中心开设的实验项目构建“9个模块、4个层次、4个开放”的实验教学体系。

“模块化”是指根据不同的实验对象、不同的实验方法、不同的实验背景和不同的实验目的，以类似物理量的测量，相关联的实验内容，拓展式组合方式为特征而构成有利于学生自主选择的多个实验模块。“分层次”是将分属于各模块的实验项目，根据其实验内容分为基础型、综合型、设计型和研究型四个层次。实验教学的层次化，有利于实现分阶段、分层次教学和因材施教，使学生基础能力培养和个性化教学有机结合，相得益彰。“开放式”是指在实验内容、时间、空间、对象等多角度、全方位的开放，让学生结合个人兴趣、专业特点自主选学，使学生主动性增强，有效实现基本技能的训练、创新能力的培养和综合素质的提高的目的。

2.2 建立实验中心的物理实验教学网站

将“模块化、分层次”的 物理实验教学内容网络化，它包括大量丰富的数字视频、数字音频、多媒体课件、实验室资源网站、虚拟实验、BBS等资源，为学生提供实验预习、实验交流、总结分析的自主学习平台。

2.3 建立信息化、网络化的实验教学管理平台

它包括物理实验网上选课系统、物理实验教学管理信息系统和实验设备管理系统。通过这个平台，实现学生实验预约、开放、自主学习。传统的实验教学管理已经不能适应现在实验课程的要求。根据课程要求，学生可以在网上提前自主预约实验时间、实验内容。通过预约方式，通过管理系统实验中心汇总，在实验教师、设备仪器条件允许的前提下，根据学生预约的情况，不分专业班级安排实验项目、内容。这样不同专业和班级的学生可以在同一时间段，同一实验室做实验，打破了多年来统一按专业和班级安排实验的惯例，让学生能真正按自己的意愿，在实验时间与内容上自主选择。利用物理实验教学管理信息系统安排教学任务，查询教学任务、内容和学生实验项目的成绩、所选实验上课时间、地点。教师利用该系统对学生实验过程进行全程管理，包括实验记录、学生考勤、成绩评定、学生实验结果的统计分析等。由此，他有利于优化实验项目的设置和改进教学方法，为实现课前、课堂、课后三位一体的自主学习和个性化相结合的物理实验教学模式创造了条件，实现实验学习的开放式、自主型、个性化。同时，也扩大了学生的视野和交流，也有益于师生广泛的交流。

2.4 研究开发物理实验辅助学习机，在实验教学中发挥显著作用，是实验教学的方式改革的新起点和突破

为适应物理实验教学改革的需要，自主研发物理实验辅助学习机。它是我们在研究实践数字化物理实验教学新模式的过程中，第一次引入一种类似英语学习机的便携式掌上电子系统于物理实验的实验教学过程。它可播放视频、音频多媒体实验教学课件，支持人机交互功能。学习机用于物理实验教学是现代数字技术用于物理实验教学的一个创举，是实验教学有益的尝试，它开物理实验教学的先河。是物理实验教学改革的一个新的起点，是实验教学模式的积极探索和创新，开辟了物理实验教学改革的新途径。物理实验辅助学习机与真实物理实验相结合的实验教学指导模式，实现了教学内容的呈现形式、学生实验的学习方式、教师的教学方式和师生互动方式的变革，实现以“教”为中心向教师主导作用和学生主体作用的“双主”教学方式转变。

物理实验辅助学习机使实验内容数字化，为物理实验学习开辟新的途径。物理实验辅助学习机将物理实验的相关的内容置于其内，包括实验项目、实验步骤、实验方法、实验仪器、典型实验结果分析、历史重要实验和重要物理事件。学生利用物理实验辅助学习机，结合应用软件学生可以根据自己的实际情况有选择地即时学习、思考、讨论教学内容，查阅浏览，边学边做，实现自主学习，完成实验。

实验辅助学习机改变了物理实验的教学方式。凭借实验辅助学习机学生可在课前预习阶段、上课实验阶段等各个教学环节得到全程实验指导。该学习机还可将实验数据上传到服务器上供老师批改，该学习机实验数据上传时，学习机可智能识别实验结果的对错、误差和精度，并提醒学生是否重做实验。除此以外，学生还可以通过学习机呼叫老师、请求答疑。物理实验辅助学习机应用于实验教学增加了教师与学生的交流，强化了教师教学过程中对学生的个性化的指导，充分发挥实验教学中的教师主导作用和学生主体作用，使数字化物理实验教学新模式得以实现。

3 信息化环境下大学理实验教学模式的实践情况反馈

3.1 教师更新了实验教学理念，提高了教学能力，积累和优化了教学资源

借助信息化实验教学平台，教师开发了大量的多媒体课件，有虚拟实验系列、模拟实验系列、实时讲课录像等。教师可不断积累、更新、优化和创新自己的电子课件，形成具有自己的独特教学风格。推动实验教师和技术人员不断更新知识，掌握现代教育技术，保证物理实验课程的教学质量。

3.2 极大地激发了学生的实验学习兴趣，学生的实验操作能力和创新精神得到培养，学习方式得到转变

表1 06级部分学生物理实验情况对比

根据表1，06级实验班和对比班的学生实验教学情况进行分析对比，发现存在着较大的差异，其主要表现在以下几方面：①在实验学习态度上，实验班学生要比对比班学生更为积极、主动、认真。②在创新性方面上，实验班学生要比对比班学生做得更好，许多学生实验设计富于想像，具有较好的创新。而对比班学生显得很普通，大部分照本宣科。③在实验基本技能上，实验班学生普遍都比对比班学生掌握得更好。④从实验的基本知识上，实验班学生更能主动地的吸收、存储各种渠道的信息，能对信息进行初步的分析、组织和利用。对比班学生主动获取信息的意识不强，信息渠道相对较窄，大部分仅停留在一本实验教科书上。

3.3 形成新型的师生关系

在实施新型教学模式的过程中，教师、学生的角色关系在逐渐地发生改变。课堂上，教师不再是权威和知识的化身，成了学生学习的促进者；学生是学习的主体。表2映了新型教学模式和传统教学模式的师生角色差别：

表2 两种模式实验环节实施对象对比

3.4 两种教学模式教学功能对照表

表3则是传统教学模式与信息化环境下实验教学模式的教学功能的对比。

表3 两种模式下的教学功能对比

4 信息化环境下大学物理实验教学模式的实践成果

4.1 建立了课前、课堂、课后三位一体的数字化实验教学平台

建设了支持课前、课堂、课后的三位一体数字化实验学习平台，由课前学习系统、课堂实时指导系统、课后学习系统三个子系统构成，该学习平台已由武汉理工大学出版社出版，有专用软件版本号。课前学习系统，为学生实验预习提供丰富的教学资源，设有实验仪器网上浏览、多媒体课件、模拟实验、虚拟实验等教学资源。为学生营造一个良好的多元化、开放的学习环境，并组织、引导、帮助、督促学生在其中学习，使学生学会如何自主地获取信息和处理信息，主动而有效地安排学习过程。

4.2 开发成功物理实验辅助学习机，并获发明专利，发明专利号200610019437.5

利用实验辅助学习机应用软件学生可以根据自己的实际情况有选择地、随时地对实验目的、实验原理、实验仪器、实验要点、实验步骤、实验操作演示过程、思考与讨论等教学内容进行查阅和反复浏览，边学边做、对照操作，实现自主学习、完成实验。凭借实验辅助学习机学生可在课前预习阶段、上课时做实验阶段等各个教学环节得到全程实验指导。该学习机还可将实验数据上传到服务器上供老师批改，该学习机实验数据上传时，学习机可智能识别实验结果的对错、误差和精度，并提醒学生是否重做实验，如此既可为避免学生课后伪造实验数据，又可方便老师及时给每个学生打分、记录实验成绩。该学习机还具有呼叫老师、请求答疑等功能。

教师则可把精力用在课件设计、学生个别指导、参与学生实验讨论等工作上。教师和学习机一起参与教学过程，增加教师与学生的深层次交流，强化教师在教学过程中对学生的个性化的指导和科学实验基本能力和素质的培养，真正实现教师主导作用和学生主体作用的充分发挥。

4.3 建立了信息化、网络化的实验教学管理平台

实验教学信息化、网络化的实验教学管理平台包括物理实验网上选课系统、物理实验教学管理信息系统和实验设备管理系统。通过物理实验网上选课系统，学生根据兴趣和需要，在老师的指导下，在网上选课，网上选实验项目、预约实验时间、自主调课等。利用物理实验教学管理信息系统进行排课安排教学任务，老师可查询教学任务，学生可查询每个实验项目的成绩和每个实验项目上课的时间、地点。老师可利用该系统给学生实验打分，记录考勤，统计分析实验的成绩，分析实验项目的难易程度，分析学生实验的情况，优化实验项目的设置和改进教学方法。

实验设备管理系统可对设备的保管、维护、老化淘汰、设备的利用率、实验耗材管理等提供方便科学的信息化管理手段。实验设备管理系统构成：账卡管理、维修管理、实验耗材管理、借用管理、效益统计等。

该学习平台已由武汉理工大学出版社出版，《课前、课堂、课后数字化实验学习平台V1－1》，《物理实验中心信息化、网络化教学管理系统V1－1》，《物理实验中心选课系统V1－1》，于2008年09月在武汉理工大学出版社发行。

其中，实验学习机在“第五届全国高校物理实验教学研讨会”上荣获全国教学仪器评比三等奖。

5 信息化环境下大学物理实验教学新模式的实践成果推广及应用情况

（1）信息化环境下大学物理实验教学新模式，即课前、课堂、课后三位一体的数字化实验教学新模式，通过“试点——总结——扩大试点——总结——全面推广”的阶段，已积极稳妥的在3届理工科各专业等21000本科生中实施，使学校每年近7千名本科生直接受益。实践效果表明：学生自主学习兴趣浓收获大，实验训练全面，综合能力得到锻炼和提高。2008－2010年，本科生参与发表实验小论文176篇，涉及人数200余人。获湖北省优秀学士论文奖37项，其中一等奖9项，二等奖13项，三等奖15项。

（2）2009年10月该项目成果已应用到黄冈师范学院、中国地质大学等学校，对国内高校实验教学改革具有很好的辐射和借鉴作用，使周边兄弟学院数万名本专业学生逐步间接受益。

（3）项目成果不仅满足了本校实验教学的需要，而且还满足了全国其他兄弟院校实验教学的需要。建成的省级物理实验教学示范中心，已起到很好的示范作用，已有武汉科技大学、中国地质大学、华中科技大学等8所学校教师到实验中心参观学习。

实验教学是高等学校培养具有创新意识和能力的高素质人才的重要教学环节。信息化环境下大学物理实验教学新模式，在数字化实验教学平台建设，实现实验教学开放式、自主型、个性化过程中积累了经验，实现实验教学模式的突破，促进了物理实验教学改革，有益于提高实验教学水平，有益于提高学生实验实践能力，有益于促进学生知识、素质、能力协调发展。第一次将学习机用于物理实验教学过程，它打开物理实验教学改革的先河，是现信息技术用于大学物理实验教学的一个新的实践。

［1］ 张大均.教育心理学［M］.北京：人民教育出版社，2005.

［2］ 潘小青，陆俊发.大学物理实验教程［M］.上海：华东理工大学出版社，2006.

［3］ 王琰，王代新，龙涛.大学物理实验［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［4］ 宁锌.大学物理传真实验在教学实践中的应用［J］.大学物理实验，2012（3）：110－111.

［5］ 彭华，吴世春.大学生物理实验能力培养模式的改革与实践［J］.大学物理实验，2012（3）：112－114.