虚实结合的三维一体《大学物理》教学模式的实践和探索*

高国军 刘小妹 王 芳 周青春 戴 俊

(江苏科技大学理学院 江苏 镇江 212100)

1 引言

随着信息技术的发展，各高校都积极投入大学物理线上课程的建设，中国大学慕课可用资源丰富多彩，应有尽有．学生可根据需要和喜好，自由选择．但是目前的课程资源是不是够完善了呢？对于学生知识框架的建立和能力培养是不是完全足够了呢？调查后不难发现，大学物理线上课程一般都存在理论与实验脱钩的问题，理论课堂中极少引入实验，学生对理论知识点的实验归纳产生过程缺少体验感．因此，如何合理恰当地将实验引入到大学物理课程教学中来是值得我们关注的一大重要问题．

另一方面，各高校为了让众多学生在课堂外能够接触物理实验，开始投入大学物理实验线上课程的建设，让学生在实验前提前了解熟悉各类实验仪器、操作方式及物理原理，这类课程的建立主要致力于解决中国学生实践能力缺乏的现状．近年来，为了加强对学生实践能力的培养，以及引导学生进入前沿科学研究及大型科学实验平台，在线虚拟仿真实验应运而生，投入建设和应用．在线虚拟仿真实验，可以提供全新的开展实验教学的平台和模式，突破实验课堂的课时和空间限制，将重要的实验教学元素都在在线开放课程中呈现给学生．但当前国内在线开放大学物理实验及在线虚拟实验课程相对较少．

综观大学物理及大学物理实验的教学过程和课程建设思路，不难发现，长期以来大学物理理论课程与大学物理实验课程的独立开课模式，无法实现对学生的理论与实验能力的同步培养训练[1]．学生的理论学习没有实验根基浮而不实，理解不透，疏于应用，而实验学习则因理论欠缺，思考不够[2]，创新和设计很难实践．在“培养学生综合素质”的教育理念大背景下，教师在帮助学生建立传统知识体系的同时，如何针对学生特质培养实践创新能力[3]，已经成为物理教学中的重要命题．大家都深刻意识到，针对全体大学生的创新训练，才是实现新工科及基础研究珠峰计划的重要基础．基于上面的分析和思考，我们对大学物理教学内容、教学模式和方法进行了以下几个方面的实践和探索．

2 建设丰富的大学物理在线开放课程资源 将理论课程知识点与实验项目进行匹配链接

在线开放课程模式(MOOC)已经成为学生线下学习必不可少的有效辅助和补充，它的优势不言而喻．在线开放大学物理课程正逐步成为物理学教学的重要辅助手段，课程教学内容的展现维度将会越来越丰富.江苏科技大学正尝试突破目前以理论知识点讲解为主的固定思维和模式，将丰富的虚拟仿真实验及演示实验引入到线上课程资源中，建立内嵌虚拟及演示实验的大学物理线上课程资源，有效激发学生课堂外主动参与线上学习的热情．

首先，我们对大学物理的整体脉络和内容进行分析研究，结合相应虚拟仿真实验项目，将各知识点与实验项目匹配链接，建立线上资源与虚拟仿真实验的有效衔接，逐步建成理论知识点与相应实验同步推进、相辅相成的教学模式．将大学物理各个模块与实验项目进行详细比对．比如力学模块中，将“刚体的转动惯量”知识点与实验“复摆法测定金属环的转动惯量”“三线摆法测转动惯量”“凯特摆测重力加速度”进行有效衔接；热学模块中，将“热敏电阻”知识点与“半导体温度计的设计”进行关联；光学模块中，将“光的干涉、衍射”知识点与实验“全息照相”链接；电学模块中将知识点“带电粒子在电磁场中的运动”与实验“霍尔效应测磁场”进行关联．

大学物理课程学习中引入在线虚拟仿真实验可以帮助学生实现对实验的体验感，建立知识点的根基和脉络，实践物理知识的立体化深度理解，具有与课内实验相同的教学效果．通过建立理论课堂与实验课堂的有机关联，加深对物理理论概念、原理的理解掌握．举例来说，针对刚体力学部分“转动惯量”理论知识点，通过虚拟仿真实验“凯特摆测量重力加速度”(图1)可以强化学生对转动惯量及转动定律的理解，让学生体会转动惯量如何改变摆的周期，增强理论教学效果，同时培养学生的实践能力．其次，对于大型实验装置，难以在普通实验室开展运行的这些实验，通过虚拟仿真实验让学生近距离了解最新的物理实验科学前沿进展，拓展学生视野．

图1 MOOC大学物理刚体力学部分4.5节教学视频截图

3 系统设计和制作线下课堂虚拟实验和演示实验内容 实现线上线下混合式教学过程中课堂实验再现

虽然线上课程资源丰富多彩，但目前来说线下课堂仍是学生学习的主战场，学生的课堂学习效率和效果是决定素质培养的关键因素．调查显示，很多学生对于大学物理课程的学习都处于雾里看花的学习状态，遇到问题似是而非，似懂非懂．最根本的原因是学生对于知识点的理解还处于感性阶段，没有实现感性到理性的逻辑升华．为增强学生对物理知识从感性认知到理性分析的逻辑归纳能力，突破理论课与实验课的界限[4]，江苏科技大学尝试建成演示实验与理论课相融合的互动翻转大学物理教学模式．

首先，进行大学物理内容和框架的整理和分析，以知识规律的最初发现过程开发虚拟仿真实验项目；或者以现代科学技术，寻找能演示知识规律的课堂手段．然后，依据现有实验基础，逐步开设和建立一整套课堂演示实验项目体系，激发学生学习热情，提高授课吸引力[5]．同时，提供对应演示实验项目的在线交互教学资源，为学生创设体会真实实验的预习环境，最终实现学生对物理知识点的立体化深度理解．比如讲解驻波知识点时，用电动牙刷结合绳子演示驻波的形成过程，然后给学生播放昆特管中声驻波演示视频，让学生体会丰富多彩的三维驻波．再比如讲解振动的简振模式时，现场邀请学生表演吉他、笛子等乐器，带领学生关注乐器发声原理，声临其境感受物理知识的奇妙性．

另外，为提高教学效果，我们结合课堂演示实验，实现有效互动和翻转．举例来说，在刚体转动惯量的知识点教学中，通过两个学生参与度高的实例来进行加强巩固．

第一个实例：如何判断鸡蛋的生熟？给学生随机分发生、熟鸡蛋，让同学们通过本节知识点去区分，动手操作后分组讨论，给出理论解释．

第二个实例：用一根手指顶起细杆，杆子的长度对保持平衡的影响．学生分组讨论，实际操作(图2)给出何种杆子更容易保持平衡的方法，分组讨论为何高空钢丝杂技运动员需手持长杆(如图3中教学视频重点举例插图)．通过这种以学生为主体的课堂教学，提高了学生的学习兴趣、增强了师生互动、加强了学生间的有效沟通，使得课堂教学变得有趣且高效．

图2 大学物理刚体力学部分课堂实录

图3 MOOC大学物理刚体力学部分课堂翻转演示实验

4 结合线上课程资源及虚拟实验平台的便利性 围绕我校各主要理工科专业 设计凸显船舶海洋特色的物理创新实践项目

在创新创业教育改革的大环境中，大学物理课程也正积极关注大学生创新能力和实践能力的培养，为适应新形势，培养新型人才，江苏科技大学尝试建设有学校自身特色的实验创新训练体系，项目内容贯穿力学、热学、电磁学、光学多个物理板块，实现物理课程学习中全过程进行学生创新能力的培养；实现物理课程中嵌入学校特色和专业特色，增加学生学习兴趣．创新训练项目具体实践步骤如下：大学物理课程团队从我校各海洋特色专业中的实际物理问题出发，结合近几年的物理实验竞赛项目和内容(国际青年物理学家竞赛IYPT)，设计创新训练项目，构思了一套融入我校海洋特色的创新实验项目体系，比如以项目“设计一艘只因内部部件的周期性机械运动而移动的船，并且它只通过坚硬的船体与环境(空气、水)相互作用产生移动．优化你所建的船的参数以达到最大速度．”为基础进行构思；利用在线课程面向全体学生进行开放，学期初，发布针对各知识板块的创新训练题目，学生自由分组(3～5人一组)；在对应板块授课结束时，各组完成并提交设计方案，利用在线学习反馈板块测评学生解决问题的科学性，然后安排讨论课分析各方案的优缺点、可行性，评选出前10名优秀方案；在此基础上，依托国家级和江苏省大学生创新训练计划进行，遴选高水平学生进一步开展高阶科学创新训练，实现科学研究整体能力的开发．通过创新训练项目的有机融合，逐步实践立体化的、培养创新能力的特色性行业院校物理课程全新教学模式．

创新能力培养环节，在线课程中设置创新训练项目，在给学生提供创新问题描述的基础上，同时为学生演示实验，辅助学生理解创新训练题目的物理实质(图4)．线下课堂实验演示，进行原理分析，邀请同学翻转式教学，分享各小组创新训练题目的报告汇报，通过活跃的课堂讨论形式，强化学生对物理知识的理解及对创新能力潜移默化的培养[6]．

图4 MOOC大学物理刚体力学部分4.6节教学视频截图

5 结论

本文从江苏科技大学大学物理教学实际出发，针对大学物理课程资源建设中缺乏实验元素及创新互动元素的实际，探索和建立内嵌虚拟仿真及演示实验、融入学校船舶海洋专业特色、创新元素丰富的大学物理线上开放课程．利用线上课程资源，实践线上线下混合式教学，与此同时，丰富线下课堂教学，建立一套课堂演示实验项目体系，激发学生学习热情，提高授课吸引力，并通过贯穿全课程的系统物理创新实践项目，建立观察—实验—记录—总结—归纳的物理规律生成路径，融入讨论式、翻转式教学，增强学生自主学习及实践创新能力．最终建立“线上线下课程资源建设+虚实结合课堂实验+创新训练”三维一体全方位课程及教学体系(图5)，致力于学生实践创新能力培养．

图5 大学物理课程教学思路