大学物理实验O2O教学研究与实践*

马红章 李书光 张令坦 张亚萍 刘素美 朱海丰 李 静

（中国石油大学（华东） 理学院，山东 青岛 266580）

在互联网信息技术快速发展的今天，大学生的学习需求、学习行为和学习风格已经发生了重大变化，这为高等教育的改革提供了新的动力和途径［1-2］。实施创新教育是时代赋予高等教育的新使命，而大学物理实验课程具有基础性与探索性并存的特点，对启发与培养创新能力具有重要作用［3-4］。在“互联网+”应用普及和创新教育背景下，如何建设线上网络教学资源并保证其被高效利用，如何将网络信息化技术支撑的线上辅助教学与传统实验课堂有机融合等是大学物理实验教学需要有效解决的重要问题。中国石油大学（华东）物理实验中心（以下简称物理实验中心）依托多个省部级以及校级教学改革项目，围绕着层次化教学内容、多元化教学方法与手段、网络信息化考核与评价、信息化立体实验室建设、网络化教学管理与教学资源等方面进行了综合改革与实践，相关改革成果获2018年度山东省教学改革成果一等奖。本文重点介绍以信息化立体实验室建设、网络信息化教学管理与教学资源建设以及线上线下实验教学有效融合措施为核心的大学物理实验“O2O”教学研究与实践的具体情况。

一、现状分析与问题总结

大学物理实验是大学生进入大学学习的第一门基础实验课程，它覆盖面广，包含丰富的实验思想和方法，能提供很强的基本技能训练［5］。大学物理实验课程的基础性与探索性并存的特点为创新教育的实施提供了优越条件，对培养学生的探索精神和掌握科学的方法论具有奠基作用［6-9］。

通过调研发现，国内多数高校的大学物理实验课程都存在如下问题：（1）大学物理实验课程授课对象群体庞大，生师比过大，造成教学资源紧张，教师对学生的课前课后辅导缺失。（2）大学物理实验课程学时短、学分低，学生对课程重视程度普遍不高，大部分学生实验课前不预习，导致课堂教学效率低，教学互动差，实验教学内容得不到拓展，“翻转课堂”、自主讨论与探究式等教学过程无法实践。（3）实验室开放时间有限，仪器设备不充足造成教学内容不够丰富，反映现代科学发展、实验设计思想和培养创新能力的实验项目不足等，使学生学习内容、方式、时空受到限制。

随着网络时代的到来，利用网络资源以及仿真实验来辅助实验课堂教学变得越来越重要。虽然目前国内大多数高校投入了大量人力物力进行物理实验课程网络学习资源的建设，在依托网络信息化技术实施物理实验课程的线上辅助教学以提升线下教学效率等方面也有一定程度的研究与实践，但往往由于信息化实验教学平台建设跟不上形势发展，网络资源建设内容与表现形式对学生吸引力不足；教学管理措施缺乏针对性等导致网络资源利用率低；线上网络资源教学辅助环节与线下实验课堂衔接度不紧密，彼此间缺乏呼应，没有达到预期教学效果［10-12］。

二、信息化建设内容

物理实验中心以培养与提高学生的科学实验素质和创新能力为目标，以教改项目为依托，以平台建设为支撑，建设完备的立体化实验平台以拓展学生学习空间，建设完善的信息化教学平台保障线上教学辅助与线下实验课堂形成有效互动与融合。

（一）立体化实验平台建设与完善

实验教学的特点是动手操作，为保证教学体系的实施，教学研究团队争取建设经费，通过购置、自制、内部调整、企业共建等方式，建设了设施完备、技术先进、项目齐全、功能完善的“实体+虚拟仿真+远程”立体化实验室，实体实验室、基于网络的实体远程控制实验与虚拟实验三者结合，可以实现优势互补，延伸和拓展了学习空间，实现实验学习效果的最大化。

实体实验在培养学生实验技能如设备调试、故障排除、现象观察等方面有着无可比拟的优势，通过实体实验学生更深刻地体验到科学实验的复杂性和科学家在设计实验中所面临的挑战，从而提高对基础理论知识的认识。实体实验主要包括基础实验室、综合实验室、专题研究实验室、创新实验室等。2012年以来，教学团队完成了近400万元的实验室建设，重点完善综合与专题研究实验项目和创新实验项目，保障了实验项目的层次性与先进性。

虚拟实验具有不受时空限制、不受极端环境限制、不受成本限制的特殊优势，填补了相当一部分实体实验的空白，拓展了学习内容。虚拟实验具有直观性和良好的互动性，在培养学生的设计能力与创新能力方面也有着突出的作用。自2012年来，研究团队自主研发了由“实验基本仪器使用训练项目（6个）+综合物理实验（20个）+实验虚拟场景漫游+VR虚拟现实物理实验项目”，通过购置（中国科技大学物理仿真实验）拓展了60多个大学物理仿真实验项目和1个设计性电学虚拟仿真实验平台。学生可在虚拟实验环境中自行设计实验方案、拟定实验参数、选择和操作仪器，模拟真实的实验过程，深化理解物理知识。

远程控制实验的建设实现了实验室的全天开放，教学团队自主开发建设了油品比热容测量实验、半导体PN结的物理特性研究实验、电学元件伏安特性研究实验、金属逸出功测量实验等多个远程控制实验项目，学生可通过网络对实验仪器进行控制，测量过程画面和数据可实时传送到客户端，整个实验过程中呈现真实的实验现象和实验数据，真正意义上实现了实验室的全天候开放模式。

（二）教学信息化建设与完善

线上学习和教学管理都需要丰富的网络资源以及信息化与智能化的管理手段来支撑，为此教学团队建设了功能完善、内容丰富的物理实验信息化平台，平台由实验学习与教学管理两大功能模块组成。

网络学习资源建设以学生为中心，实现学习之前有需求、学习之中有乐趣、学习之后有成就。物理实验中心以物理实验学习网站为依托，完成了具有课前预习、学习交流、线上实验、拓展研究、评价考核等功能的网络资源建设。建设完善了课程简介、教学大纲、教学基本要求、上课须知、课程考核标准及其他各种教学管理资料，指导学生认识物理实验课程的特点，使学生了解课程的学习要求。每个实验项目配套学习资源以项目卡形式呈现，含实验预习要求、实验背景、实验原理与实验操作的教学微视频、仿真实验、实验题库、自我测试以及重要文献与问题等栏目，各栏目下的学习资源以概览表呈现并标注链接地址与预习提示，概览表保障学生能快速方便地定位学习内容，避免在丰富庞杂的网络资源里“迷航”。

教学管理资源需确实能搭建线上教学辅助与线下实验课堂的桥梁，使实验课前、课中、课后得到有效衔接，实现实验预习有保障、实验课堂高效率、课后探索大时空。自主研发的实验教学管理系统具备日常教学管理、学生考核评价、教师教学评价等功能。日常教学管理功能包括实验网络预约、学生实验成绩管理、师生互动等功能；结合物理实验考试系统和实验试题库，通过实验课程基础理论知识网上答题、虚拟实验操作测试与综合知识测试，实现课程的过程化考核；通过问卷形式实时开展网上教学评价与反馈，有助于教师及时掌握学习反馈，调整教学方法，对提高教师教学水平大有裨益。

O2O教学实现实质性融合，依托互联网技术的线上辅助教学可以延伸学生的学习时空、拓展学习内容、提高学生学习主动性与实验预习质量，同时线下实践教学要充分利用与学生直接面对面的有限机会，坚持“以人为本”，课堂教学采用引导、启发、翻转课堂等方式，加强师生之间的平等互动，让学生自始至终主动参与其中，获得最佳的学习效果。网络资源建设需对学生有足够的吸引力，同时教师要依托物理实验学习在线答疑讨论室，发布实验知识储备要求，及时有效地解答学生预习中遇到的问题，引导和帮助学生对实验基础理论知识从认识到认知，设置实验的悬念，激发学生的求知欲；实验课后依托网络，再进一步解决课堂中出现问题的基础上拓展内容，引导学生主动思考，提出相关假设并借助虚拟实验系统进行检验或到开放实验室自主做相关实验，培养学生的探索创新能力。

三、建设案例

物理实验中心高度重视实验预习，因为实验预习的好坏直接决定了实验课堂的教学方式与教学效率。依托网络学习资源实施实验课堂准入原则，即要求学生必须通过预习测试方可允许进入实验室学习，因此每个实验项目配套的网络学习资源建设既要能充分调动学生学习的积极性，又能客观地定量评价预习效果。从学生学习体会角度，配套网络资源需给学习者带来预习之前有需求，预习之中有乐趣，预习之后有成就的学习体会。

以迈克尔逊实验为例（见表1）进行具体实验项目的配套线上教学资源建设以及课前课后衔接情况介绍。该项目所有学习资源内容组织脉络清晰，以项目卡形式呈现，方便学生进行定位、选择和学习。

表1 迈克尔逊实验的教学资源建设情况表

（续表1）

实验预习是硬性要求，明确给出预习要求以及需要达到的最低要求，明确预习测试必须达标。实验背景内容选择上注重资源内容要精致，对学生要有足够的吸引力；实验视频分割为仪器介绍、光路调节操作以及实验内容操作，每个微视频个体尽量控制在5分钟内能学习或者观看完毕。预习测试要能公平合理地对预习效果做出定量评价，项目测试系统是以实验试题库为支撑的，每个实验项目的实验知识试题库题量超过200道，预习测试要求完成20道随机题（重复测试时题目不同）以及仿真操作，系统自动评定预习成绩。实验预习测试成绩自动上传至实验成绩管理系统，教师课前可从预习数据上掌握学生实验预习情况，对教师调整教学进度与教学方法提供参考。课堂教学设计需体现以学生自主学习和讨论为中心，在完成教材实验内容训练的过程中，围绕项目卡8和9中的关键问题以及实验课堂上的学生共性问题开展以教师参与引导的学习讨论。布置课后需要思考的实验拓展性问题，课后对学生自主探索成果给予及时的指导与肯定，同时学生的自由创新探索在课程考核的课程论文环节中可得到体现。

四、建设效果

O2O教学模式已在我校物理实验课程中全面推广实施，每年涵盖45个专业，受益学生4 000多人，相关成果在与省内外高校进行广泛的交流中得到同行专家的充分肯定。

（一）学生学习兴趣和课堂教学效率明显提升

改革成果的实施，调动了学生学习的热情，提高了学习的主动性和积极性。由于实验预习环节的加强和实验准入原则的执行，课堂教学效率得到明显提升，学生对实验问题的讨论更加深刻，实验内容完成数量与质量得到显著提高，改革前实验选做内容与实验拓展教学在工科大面积教学中无法开展，改革后这部分教学内容完成率已超过60%。

（二）创新能力培养效果明显

通过物理实验课程学习，学生的创新能力得到提升，学生创新成果数量逐年攀升。在2012—2019年间，物理实验中心教学团队（不包括兼职教师）指导大学生创新训练计划项目90多项，其中国家级项目30多项，指导本科生获得包括全国“挑战杯”大赛在内的各类国家级、省级大赛获奖30多项，指导本科生以第一作者发表研究论文40多篇，授权专利10多项。这些成果中，超过30%的选题是来自学生通过对实验项目讨论并深入探究后取得的，体现出学生在自主性创新能力方面得到了提高。

（三）示范辐射作用效果明显，社会声誉得到提升

物理实验中心作为先进集体在《中国石油大学报》给予了全面报道，在校内外产生了广泛影响。实验中心每年有多人次参加全国物理类教学会议交流经验，在国内产生了较大的影响和辐射作用。中国海洋大学、中国地质大学（武汉）、中国石油大学（北京）和中国矿业大学（徐州）等省内外多所高校先后来我校参观，交流大学物理实验教学改革经验，改革成果得到同行广泛认同。