现代互联网技术在大学物理实验教学中的应用研究

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摘要：本论文方案以MOOCs教学模式、VR虚拟现实技术为代表的现代互联网技术与传统教学相融合，实现了一种新的教学模式，突破传统的学生物理实验的培养模式与方法，促进物理实验教学的重心转移，收到了良好效果，从而充分发挥了物理实验的教学意义。

关键词：大学物理实验课程；互联网；教学改革；创新能力培养

一、大学物理实验教学存在的问题

从本质上来讲，物理学是一门实验科学。作为科学实验的先驱，物理实验所反应出的问题，也是很多科学实验能反应的共性问题。作为一门基础性实验课程，大学物理实验由于其实验原理、操作、结果讨论的多样性，在培养学生的科研能力，面对问题找到方法解决以及勤奋的精神具有突出作用，这也是其他课程所不具备的。在大多数的中国高校中，大学物理都是在低年级阶段必修的最重要的基础课程。而物理学中的很多定理、公式，则需要大学物理实验来将理论与实际结合起来。在完成实验课程的过程中，学生得到的科研能力以及意志品质的培养对其成长有很大作用。科学技术的发展以及社会对创新型人才的大量需求，要求大学物理实验教学也要与时俱进地改革创新。

面对时代与社会的需要，近年来，很多高校针对大学物理实验课程进行了全方位、多方面、多视角的改革。然而，由于主观及客观多方面原因，现在各高校所进行的大学物理实验教学无论从课程设置、教学模式以及很多方面还存在一定问题，带来的最显著影响就是制约了大学物理实验，这门本应在培养学生创新能力方面表现突出的课程发挥重要作用。经过作者对几所不同层次高校物理课程设置的调查，一般大学物理实验课程的教学主要集中在以下步骤：课前预习、实验报告、具体操作、数据处理、评分成绩。而其中的问题也主要表现在：从实验教学内容上看，相对较落后，早已跟不上科学高速发展的今天的要求；而从实验教学手段来说，形式相对单一、现代化教学技术应用不足，很多仪器及课件都购买于上世纪80年代。以上这些具体的问题，也直接反映出了大学物理教学方案及内容设置的问题，作为整体课程来说基础性实验题目过多，这类实验大多是一些驗证性工作，而与物理学专业相关的比较偏于应用性的实验以及创新性实验和研究性实验不足，而这类实验往往非常有利于激发学生的创新意识。由于现在学生大多数已成长在互联网时代，对于他们学习兴趣的激发，依靠过去的实验内容、实验仪器及教学模式难度很大，与实际更为贴合的创新性实验题目的缺失也是一个很大的问题。学生本应该是教学的主体，整个教育工作应该围绕学生展开，但现在教学工作中，整个教学过程基本以教师为主，学生反倒处于被动的从属地位，只能在教师的指导下，完成实验，按部就班地依照实验步骤，盲目地操作，因此在教学工作中始终缺乏独立思考的空间，更无法与教师完成必要的互动及展开相关学术交流。物理学教育作为培养学生科研能力、创新能力的主要方式，因为以上缺失，在功能及作用上大打折扣，学生更在整个实验过程中产生依赖性、懒惰型、盲目性。实验课程结束后，学生成绩考核方式有待商榷。以核物理实验为例，由于每个实验项目人数较多（15～20人），其中多数题目4人为一组进行实验，在实验课程中教师无法了解每位学生的实验操作情况，因此，实验数据、实验报告便成了成绩评定的重要参考，这种方式往往不是客观评定学生在实验过程中表现优劣的好方法。

综合来说，从内容、方式、评定来着手对传统教学模式来进行改革，借以提高大学物理实验教学质量，从而完成对学生的学习积极性的激发及创造性的培养，是目前新时期高校物理实验教学面临的新问题。

二、大学物理实验教学改革方案

该方案将以MOOCs教学模式、VR虚拟现实技术为代表的现代互联网技术与传统教学相融合，实现了一种新的教学模式，即“教学视频.自主学习.教师面授”。MOOCs，英文全称为Massive Open On.line Course，可解释为大规模开放在线课程，最初为一种简单的教育资源的开放形式，逐渐发展为面对社会的一种免费的、开放式的网络课程。近两年来，随着互联网技术及移动终端的普及，在以年轻人为主体的高校中，受到广泛的关注与普及。MOOCs是对传统高等教育的一次挑战，但也是对教育模式注入一种新的思维，这是高等教育模式的一种进步与完善，作为高等教育改革发展的前沿与先锋，学习从被动枯燥的行为变成自发行动，并充满了个性化，在教育资源传播方面的扁平化传播也是高等教育面临新的问题。通过VR技术，虚拟物理实验得以实现，在虚拟环境下，为了解决现实实验教学中难以解决的问题，通过现代技术，模拟物理实验场景，并充分发挥VR技术在物理实验教学中体现出的优势。但是现今，VR技术还只能比较浅层地应用于教育领域，正因如此，更为深入研究VR技术与大学物理实验结合的新教学模式具有很大的研究价值与广泛的研究意义。

吉林大学核物理实验室涵盖了核谱学、核探测器、核电子学、核技术应用、低本底测量、氡气测量、相对论效应实验平台、蒙特卡洛模拟、工业CT、穆斯堡尔谱、中子技术等实验平台等仪器设备。目前，任课教师在在校硕士研究生的配合下，已完成了康普顿散射等5个本科生核物理实验、y射线吸收等6个硕士研究生核物理实验的操作视频录制及后期制作。

基于现代互联网技术教学模型有如下特点。

在课堂时间之前，学生自主学习、通过观看实验理论知识讲解与实验演示视频，利用相对“碎片化”的时间完成预习，进而观看实验原理和操作部分的视频。教师与学生进行师生交流与生生交流均可通过网络平台完成，这是通过知识传授的新方式，对学生的自主学习能力最大化地培养与激发。

课堂时间内，老师只进行简短的实验原理讲解以及操作部分的演示，大部分时间进行答疑解惑，这种“一对一”的指导，本质是对学生完成实验的一种协助，是对学生面对问题解决问题的能力的培养。同学与老师探讨互动，深化对物理原理、实验设计方法等内容的理解，从而完成知识的内化过程。由于课堂时间的限制，原本属于教师讲授的时间减少，而教师与学生交流时间大大增加。作为基本教学内容，由传统模式下的课堂教学变成课前预习交流，课堂上，更多的时间与精力来进行师生就物理问题的探讨，这种模式更有利于学生对知识的理解。

课后，网络平台也会提供一些有关实验的相关知识点的视频供学生观看，完成知识的进一步深化，课堂最后，教师也会预留一些难度更深的问题，有兴趣的同学研究后，可以通过互联网方式进行交流与分享。课后的进一步深化对增强学生兴趣及锻炼学生独立思考能力发挥了很大作用。这种新的物理实验教学改革方案在核物理实验室所承担的教学课程上进行了试验，从学科推广、教学效果、成绩反馈等方面，均收到很好的回应。

考虑到学生对知识点的接受，所制作的教学视频时间一般控制在3～5min，以短且包含内容精简为特点，每一个知识点都有相对应的一段教学视频，为了便于学生有选择地观看和重复观看，对视频题目、内容进行了重点标注。由于物理学科的特殊性，需要理论联系实际结合现象。因此，所制作的教学视频不但是一种难得的学习资源，也可以有效加深学生对问题的理解。教师在视频拍摄、制作过程中要本着创新性、教育性、客观性、完整性、可看性的原则。此外，视频制作的核心也是为课程以下特点服务：学生为教学工作的中心；实验设计注重物理内容的表达，过程尽量规范化；实验设计时，尽量将原理知识进行切分，做到一个视频配合讲解一个知识点；尽量使用启发性语言，少做结论性验证。下面以康普顿散射实验为例，详述视频制作内容以及制作重点，见表1。

康普顿散射实验目的是学会康普顿散射效应的测量技术与验证康普顿散射的能量和微分截面随散射角变化关系。首先，将教学内容分成实验原理与应用、实验仪器介绍、实验操作步骤三大部分。由于教学侧重不同，每段视频制作时的着手点也不同。如在“实验仪器介绍”的视频中，先对设备进行全景展示，然后对开关、调节旋钮等细节特写处理，便于学生更好地了解仪器情况，关注相关操作的问题。

在视频课程中，还可以引入VR虚拟现实技术，其在物理实验教学中有显著优势，集中体现在以下几方面。①自主性学习：仪器设备可选择种类更多。②绿色性学习：几乎不消耗实验材料，不产生污染、浪费。③科学性学习：通过现代互联网技术辅助，使得实验结果更为直观准确。④高效性学习：不需要长时间等待实验结果，大大提高实验效率。由于核物理实验的特殊性，放射源的監管及辐射安全的防护更是重中之重。虚拟现实技术的应用的优势直观体现在以下方面。①还原物理实体：有一些抽象概念可以直观显现出来。②还原实验现象：将实验现象进行深度加工，如通过对速度、深度、色彩等加强，使实验现象更加明晰。③还原理论建立：由于物理学科原理、理论较多，可通过新的模式将理论知识联系到实验当中。

在课堂上，教师肩负着对学生学习欲望的调动、知识习得的引导及品质精神的磨炼的任务。总的来说，学生是学习的主体，教师是教学过程的服务者。实验的思路设计，具体操作，遇到困难解决问题产生的思考，学习思路的开拓，都需要学生自主自立完成，教师更多起到保障安全及引导的作用。实验完成后，教师所做的总结也不可唯结果论。而实验后讨论环节，更使学生对实验原理、实验方法、实验步骤、结果分析及一些与物理实验题目相关的历史背景、知识发展体系、知识当代意义和与现代科学技术结合的应用有更深的体会与进一步的感知。

课后，是学生处理实验数据、整理实验报告的过程。而课上留下的思考问题学生可以独立完成，也可以通过平台交流完成。并且利用网络平台寻找需要解决相同问题的学生，组成群组，共同讨论，从而收到更好的学习效果。通过这种交流方式，学生可以彼此交换想法，物理学科知识的理解本就不是单方面的，这对学生思维的拓展以及自主学习积极性的调动都有很大帮助。

三、大学物理实验教学改革效果与意义

基于现代互联网技术的新的大学物理教学模式是“教学视频.自主学习.教师面授”方法的应用，得到了教师和学生们的欢迎，也显著提高了课堂教学效率。大学物理实验的这种教学模式在激发学生的自主性和创新性上显得更加合理。改革收到了如下效果。①学生创新能力有了显著提高，实验课程后，所收到反馈的问题有很多创新的思维。②新教学模式下，“教与学”的关系发生显著变化，学生变被动学习为主动学习，成为课堂上的绝对“主角”。③课程评价体系随之改变，考核方法更趋于多元化。我们希望考核标准能真实反应学生的水平，又可以有效地调动学生学习的自主性。建立合理有效的考核办法，对实验教学有很积极的推动作用。④通过互联网平台的互动交流，加深了师生之间及生生之间想法的分享，也是对原本枯燥学习氛围的有效改善。

传统教学模式由于课堂时间有限制，而实验题目较多，调节仪器、测量数据成了学生的主要任务，大把精力消耗在收集实验数据上，而对于实验原理、实验设计等知识的思考却有很大欠缺，更不要说学习的自主性与创新性。新的教学模式的引入，有利于学生对实验内容与实验仪器内部结构、工作原理的了解，也有利于对仪器设备的保护、减少实验误差、缩短课内实验时间。在2个学期内分别对2个年级，约60名同学在不同教学模式下的实验主要情况进行对比（见表2）。

从表2可明显看出，基于互联网技术的新的教学模式的引入，不仅减少了课内教师的讲授时间，也提高了学生实验数据的准确率，使得课堂时间得到最大限度的有效利用。课上完成基本教学后，教师根据相关知识点设计一些具有更大深度广度的思考问题，使学生的学习过程一直延续到课下，变被动灌输为主动引导。鼓励与培养学生课后查阅文献资料、分析问题的能力，同时也会促使一部分学生自发地再次进入物理实验室进行有研究目的的实验探索。

科学技术蓬勃发展及社会对创新型人才的迫切需求是当今时代的主题，国家大力提倡和实施素质教育，大学物理实验教学应该在该过程中起到更为重要的作用。要努力顺应时代发展，把培养高素质人才作为目标来打造大学物理实验课程，而从课程设置而言大学物理要反映物理学科研究对象的本质，紧随时代发展步伐，教学手段应改变传统的单一教学模式，借助互联网技术。大学物理实验的教学改革是一项长期而艰巨，但却极有现实意义的任务。虚拟现实VR技术在物理教学的应用也是响应了我国对于深化高校教育领域综合改革的号召，在建设“双一流”高校的大背景下，保持一流物理学科高质量教学的传统优势，更要进一步突破传统的对学生在物理实验方面的培养模式与方法，从而促进物理实验教学的重心转移，即从在安全实验操作下的学习模式转移至培养学生创新精神与实践能力的学习模式，从而更为充分地发挥物理实验的教学意义。