智慧实验室在大学物理实验课程中的建设探索与应用实践

禤汉元 周江 肖荣军

(广西科技大学大学物理实验教学中心 广西柳州 545006)

1 大学物理实验课程特点

大学物理实验是理工科专业学生的必修基础课程，具有很强的实践性。目前，笔者学校物理实验教学中心采用分层次教学模式，可根据各专业的需求进行针对性的实验教学，为之后的专业实践课打下良好基础。大学物理实验教学过程与理论紧密结合，通过对该课程的学习，可以激发学习者的学习兴趣，培养学生动手实践能力，提高学生的科学研究素养。

目前的教育研究认为，传统物理实验教学方法存在有以下问题：信息化程度不足，未能有效利用信息技术提升管理水平，设备资源没有实现最大使用效益[1-2]；实验室未能实现对实验者的实时监控，无法提供个性化指导[3]等。由于传统的大学物理实验教学存在设备和手段等方面的局限，往往难以达到预期的教学效果。

2 推动实验室智慧化的必要性

在“互联网+教育”时代，教学管理方式信息化与教育资源开放化是提升教学效率、提高学生自主学习能力的最佳选择。教育部2018 年4 月发布《教育信息化2.0 行动计划》，其中提到开展智慧教育创新发展行动，要求以人工智能、大数据、物联网等新兴技术为基础，依托各类智能设备及网络，积极开展智慧教育创新研究和示范，推动新技术支持下教育模式的变革和生态重构[4]。《教育部科技司2018 年工作要点》中也明确指出了要加快进行教育信息化转化升级，引领和支撑教育现代化。

智慧实验室是智慧教育在实验室的具体体现，在信息化教育中发挥着不可替代的实践教学作用。一般认为，智慧实验室是一种借助计算机远程通信技术打造的学习平台，是一个集云计算、大数据、图像识别、物联网技术为一体的智能实验集成系统[5-6]。与传统实验室相比，智慧实验室的特点在于：通过信息技术提升了实验教学场所的开放性、互动性、可共享性；借助物联网技术，实现可视化、智能化的实验室自动化管理；应用云计算、大数据等技术，对学生实验记录进行深入分析，为今后实验教学过程提供改进依据。

3 大学物理智慧实验室的建设探索

为了实现课程信息化、智慧化的目标，笔者学校的大学物理实验教学中心也结合自身实际情况，对实验室进行了信息化改造，增加了智慧化实验教学所需硬件，并对已有教学资源进行了梳理整合。

3.1 硬件方面

为达到实验过程信息化目标，在硬件设备方面，实验室内增加了实验过程记录终端、智能仪器控制终端、分布式储存云服务系统等硬件设备。

3.1.1 实验记录终端

该终端是实验课堂教学与课后开放实验的重要基础支撑设备，由定制Pad 和无线充电底座组成。学生通过终端可以进行用户识别、上课签到认证，在实验过程中还能借助终端获得实验指引，对仪器状态、波形、电路搭建等实验关键节点进行精准记录和上传，便于教师及时掌握学生实验进度和可能存在的实验问题，加强对学生实验过程的掌握。

3.1.2 智能仪器控制终端

仪器控制终端可对学生自主使用仪器进行认证授权，是实验室实现智慧化、信息化不可缺少的一个组成部分。通过智能仪器控制终端，可以实现对使用者的有效控制，只有获得授权的学生在指定时间内通过刷卡、密码或二维码方式进行认证后，才能操作仪器进行实验，同时该仪器控制终端还可记录使用者的基本信息，包括使用起始时间、人员信息、使用仪器信息等，以便于进行后期数据统计分析。

3.1.3 智慧实验室分布式数据储存服务系统

对学生实验获得的数据，需要保证在各种情况下都要能够及时得到保存。分布式储存可为平台提供良好的数据存储环境，对学生所获得的各项实验数据进行存储与上下行传输。在突发流量过大导致服务器不能及时反应的情况下，分布式储存系统能保证实验数据的及时存储，做到不丢失实验数据、不影响学生实验。

3.2 软件方面

智慧实验室的软件方面，主要由大学物理实验云课堂网站、实验微课视频与教材、智慧实验室管理系统三大部分组成。

3.2.1 大学物理实验云课堂网站

在之前的实验教学中，笔者学校实验中心教师根据实际情况，在学校的支持下自主架设了大学物理实验网站。网站可对大学物理实验课程的日常教学活动进行管理，实现基本的课程设置、学生名单导入、排课、查看在线微课资源、统计成绩、学生留言等功能。由于建设时间较早和技术力量不足等原因，该网站的信息化程度已经不能跟上现代的信息化要求，主要体现在不能实现对实验过程进行在线记录、无法对实验仪器授权管理等方面。

3.2.2 实验微课视频与教材

要推进课程的信息化应用水平，相关的教学资源建设不可缺少。笔者学校的大学物理实验中心围绕教学大纲，编写出版了信息化的实验教材，并设计制作了一批相关的物理实验教学微课资源。这些微课资源集中体现了各实验的核心内容，可以帮助学生整理知识点、建立实验模型、引导学习者构建知识结构。微课视频与教材两者相结合的信息化教学资源，有助于加深学生对相关理论知识的理解，提高学习兴趣和科学研究素养。

3.2.3 智慧实验室管理系统

智慧实验室管理系统是与实验记录终端、智能仪器控制终端等硬件配套使用的管理软件。该系统可获取学生实验终端的工作数据，实现对实验数据的自动评判，并对各类教学数据进行分类统计。结合实验记录终端，教师能够在后台及时查看实验过程中学生提交的实验图像、数据，并对数据进行自动或手动审核评定，实现实验教学全过程信息化管理与实验原始数据电子化。智慧实验室管理系统可成为原有实验云课堂网站的有益补充，实现实验过程中的实时数据记录、仪器管理等功能，有效地提高实验教学的信息化水平。

4 应用智慧实验理念的大学物理实验教学模式改革实践

如果仅只是将智慧实验室简单地“平移”到物理实验教学当中，难以起到提升教学水平和提高教学质量的预期效果。所以笔者学校物理实验教学中心根据智慧实验室的智能化、高交互性和便于大数据分析等特点，围绕课程教学大纲，从多个角度对原有的实验教学过程进行了改进。实验课教学可大致分成课前、课中、课后这3 个阶段，为了让信息化的教育手段得到充分利用，我们分阶段对实验者提出了不同要求。

4.1 课前阶段

在课前阶段，学生要根据课程安排，提前确定接下来要进行的实验项目，利用智慧实验室的仪器管理功能提前获得仪器使用授权，并对实验进行预习。在实验准备阶段，教师需要分析各实验项目，凝练出实验涉及的重要知识点，然后将与各个知识点相关的微课、文字图片、在线测试等学习资源发布到实验教学网站上。在学生预习实验的过程中，可以随时进入实验教学网站预览实验项目，借助在线学习资源提前了解相关知识点，并通过在线测试检查自己对知识点的掌握程度。教师可以在网站后台查询学生提交的测试答案，组织学生之间对知识点进行讨论交流，并及时发现和解决学生在实验课前阶段遇到的问题。

4.2 课中阶段

学生来到实验室，刷卡认证后开启仪器电源后，按照实验要求，自主使用仪器进行实验数据的测量。实验过程中，要求学生要将所获得的实验现象和数据，通过智能实验记录终端进行记录和上传。由于学生在课前阶段已经对实验知识点有了一定的了解，此时教师可以把主要精力用于对学生进行指导，同时还可以组织学生现场进行交流讨论、对测量结果进行集体分析，帮助学生充分内化相关知识。借助智能实验记录终端上传的实验现象、实验数据，在课中阶段，教师可以提供更有针对性的实验指导，达到更好教学的效果。对设计性实验项目，借助智慧实验室的智能终端，让师生之间可以更迅速、直观地进行交流，在发挥实验者创造性的同时，教师也能及时发现学生的实验问题并给予相应指导。

4.3 课后阶段

实验完成后，学生根据课中阶段实验记录终端保存的实验现象和数据，完成相应实验报告。教师批改完实验报告后，可根据实验环节、实验错题的成绩统计数据，对学生的学习薄弱点组织针对性的强化指导。此外，在期末教学总结工作中，教师还可以依据智慧实验室管理系统提供的统计数据，思考今后如何改进实验教学过程、提高实验教学质量。

5 大学物理智慧实验室应用效果

经过近一年的大学物理智慧实验室建设和试运行，大学物理实验课程取得了良好的教学效果。与原有的教学方式相比，智慧实验室的加入有效提高了课程的信息化应用程度，课堂上能借助智能设备实现针对性的个性化指导，课堂学习氛围、学生学习自主性得到改进，促进了实验者的知识内化过程。从管理角度上看，智慧实验室的应用有助于提升管理的信息化水平，使得教师能利用大数据的方式发现学生的出错原因，对教学重点难点进行适当调整。另外，在智慧实验室的应用中也还存在一些问题亟待继续研究，例如智慧实验室管理系统与原有的课程管理网站如何更好地进行数据对接、如何更有效地利用智慧实验室提供的统计数据改进物理实验教学等，还需要实验室管理人员和教师继续探索，才能让智慧实验室在今后的教学和管理中发挥出更大作用。