大学物理实验信息化教学改革探索

金靓婕 梁小蕊 张纪磊 柳叶

摘  要  将信息技术融入实验教学是教学改革的研究热点。针对信息技术在海军航空大学大学物理实验教学中的应用情况进行研究，通过建设信息化教学资源，优化信息化教学环境和开展信息化教学实践，可以实现信息技术与大学物理实验教学的有机融合，有效提高教学效率和质量，为新型军事人才的培养提供有力的保障。

关键词  大学物理实验；信息化教学改革；SPOC；智慧实验室；微课；虚拟仿真实验

中图分类号：E251.3    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）17-0138-03

0  引言

信息技术是以计算机、媒体、网络等多种设备软件作为应用工具，对声音、文字、图片等信息进行加工和处理并储存于网络之中的技术的总称。在教育领域，信息技术通过数字模拟、数字动画、数字作图等方式，可使学生对抽象的理论和概念建立形象化认识，形成较清晰的理解[1]。它的快速发展逐渐改变了人们的学习方式，极大地丰富了教学内容，为持续进行的教育教学改革和课程建设提供了新的技术支持。

早在2007年，教育部就发文指出“把信息技术作为提高教学质量的重要手段。信息技术正在改变高等教育的人才培养模式。高等学校要在教学活动中广泛采用信息技术，不断推进教学资源的共建共享，逐步实现教学及管理的网络化和数字化。要进一步培养和提高教师制作和使用多媒体课件、运用信息技术开展教学活动的能力，培养和提高本科生通过计算机和多媒体课件学习的能力，以及利用网络资源进行学习的能力”。2018年，教育部发布《教育信息化2.0行动计划》，该计划提出“三全两高一大”的发展目标，即“教学应用覆盖全体教师，学习应用覆盖全体适龄学生，数字校园建设覆盖全体学校，信息化应用水平和师生信息素养普遍提高，建成‘互联网+教育大平台，推动从教育专用资源向教育大资源转变、从提升师生信息技术应用能力向全面提升其信息素养转变、从融合应用向创新发展转变，努力构建‘互联网+条件下的人才培养新模式、发展基于互联网的教育服务新模式、探索信息时代教育治理新模式”。

大学物理实验是海军航空大学本科各专业的一门必修实践类课程，是学生进行系统实验方法和实验技能训练的开端。多年来，课程组紧跟课程发展和教学培养目标、要求的变化持续进行教学改革。面对教学信息化技术的发展浪潮，探索如何活用信息技术、建立信息化教学模式已成为教学改革和建设的重点方向。对此，课程组在多年教学实践的基础上，将信息技术与实验教学有机结合，丰富课程资源，优化学习环境，改进教学模式，为新型军事人才的培养夯基垒石。

1  传统大学物理实验存在的问题

1.1  实验项目选择受客观条件限制

传统大学物理实验项目的选择往往受现有实验器材、实验场地和实验安全措施等方面的限制，特别是一些涉及高温、强电磁、高能粒子等的实验项目无法开展。即使有的实验能够开展，由于设备价格昂贵或对安全操作要求较高，往往也是采用教师演示、学生观摩的方式。这就限制了学生实验能力的发展，学生走马观花般看完一遍，离开实验室后没有留下任何印象，学习效率较低。

1.2  教学方法模式单一

传统大学物理实验的教学模式是教师讲解，然后学生实验，没有根据实验特点和学生特点进行个性化教学。学生需要在大学物理实验课程中完成近20个实验，每节课都采用同样的教学模式，会感到非常枯燥，严重影响学习兴趣。

另外，部分实验原理或操作较复杂，学生课前预习效果较差，教师受制于有限的课堂时间，在课堂上讲授速度偏快，学生失去独立研究探索的时间，对实验内容消化不良，做实验时似懂非懂地照葫芦画瓢。这显然无法培养学生的创新思维能力、自学能力、独立思考能力等[2]。

1.3  军校特色教学内容体现不足

军校大学物理实验教学内容体现军队特色，是军校教学改革的特殊要求。军校学生在学习物理实验课程时，往往也想要了解实验相关的军事应用。传统的大学物理实验教学内容更偏向通识化，注重对实验基础理论、实验基本技能和实验相关科学原理的传授，难以满足学生多样的学习期望。在传统的实验教学过程中，即便教师提到某实验的相关军事应用，也往往是点到为止，常以“请同学们自行查找资料”为结语。由于网络资料鱼龙混杂，有时学生花费了大量的时间，也很难从中筛选出正确的资料。

2  大学物理实验信息化教学改革途径

2.1  建设信息化课程资源

2.1.1  建设融入信息化技术的课程教材  信息化时代，军事新装备、新技术不断涌现，大学物理实验课程在整个人才培养方案中是衔接理论知识与军事应用、通识基础与专业高阶的重要一环。为了顺应为战育人的教学要求，课程组重新编写课程教材，修订后的《大学物理实验》教材与海军人才培养的需求相符，深度融合现代信息技术，学生可通过扫描教材中的二维码，方便快捷地获得丰富的教学资源。具体包括如下内容。

1）实验背景知识。大学物理实验的教学内容中包含多项获得诺贝尔奖的经典实验，如迈克尔逊干涉仪、密立根油滴仪、光电效应等。通过扫描教材中的二维码，了解这些实验背后人类探寻真理的曲折历程、各种科学观点的思辨碰撞和科学家的传奇故事，不仅能提高学生学习的趣味性，更是对学生的生动的课程思政教育[3]。

2）实验抽象原理。大学物理实验中部分实验原理抽象复杂。如在声速测量实验中，许多学生反映课前预习时对驻波的相关理论、李萨如图形的相关理论难以想象和理解。对此，课程组将驻波的形成、李萨如图形的形成制作成模拟动画，以二维码的形式嵌入教材中，让学生通过观看动画，对抽象理论建立形象化的直观认识，从而提升预习的效率和质量。

3）实验操作细节。大学物理实验中涉及分光计、示波器、干涉仪等多种操作复杂的仪器。学生课前通过纸面文字和平面图片很难达到有效预习的目的，甚至在课堂上仅通过教师的一次性讲解和演示也很难掌握其所有的操作细节。因此，课程组将实验操作细节录制成短视频，以二维码的形式嵌入教材中，使学生能够反复观看、自我学习。

4）军事应用拓展。许多军事新技术新方法中所蕴含的基本原理在大学物理实验课程中都有所体现，如激光夜视仪与光电效应实验、相控阵雷达与光栅衍射实验、多普勒雷达与多普勒效应实验等。因此，将相关军事应用知识以二维码的形式嵌入教材中，可使学生感到学有所用，提高学生学习的积极性。

2.1.2  建设辅助课程教学的SPOC资源  SPOC是英文Small Private Online Course的缩写，译为小规模限制性在线课程。这一概念最早由美国加州大学伯克利分校的阿曼德·福克斯教授于2013年提出[4]。SPOC是针对小规模的特定学习者，在课堂教学中应用优质的MOOC、微课等信息化资源。SPOC资源具有简短清晰的特点，每个视频5～10分钟，主要针对一个知识点进行详细解析，学习者可以通过手机、电脑等终端设备，便捷地进行自主学习。

近年来，课程组高标准高质量建设物理在军事装备技术中的应用、大学物理演示实验、战争中的物理学等三门MOOC，以及舰船消磁、牛顿环实验、衍射光栅原理在相控阵雷达中的应用等九门微课。这些SPOC资源生动形象地对大学物理实验中的某些知识点进行讲解或拓展，学生可以根据自己的学习情况在课前、课中和课后的任意时期观看学习。调研反馈表明，这些SPOC资源深受学生喜欢。

2.2  优化信息化教学环境

2.2.1  建设线上虚拟实验平台  虚拟仿真实验是信息技术在大学物理实验应用中的研究热点。特别是疫情暴发以来，线上的虚拟仿真实验填补了学生无法线下实操的空白，在教学中发挥了重要作用[5]。虚拟实验平台具有以下特点。

1）打破时空限制，实现4A（any time，any where，any way，any pace）学习[6]。线下实验受到课堂时间和实验室条件的限制，一些耗时长、成本高或危险性高的实验很难大批量开设，如高能粒子实验、X射线衍射、强电强磁实验等。利用信息化技术，学生可通过虚拟实验平台进行模拟实验，从而拓展实验教学空间和教学内容。

2）强化实验逻辑体系，实现3E（easy learn-ing，engaged learning，effective learning）学习。虚拟仿真实验是通过计算机程序运行的，如果学生进行了错误的操作，虚拟平台会及时自动报错予以提醒。同时，平台还设置有提示功能，当学生不知如何操作时给予指导。因此，虚拟仿真实验更有助于学生理清实验各知识点之间的内在逻辑。特别对一些复杂性操作实验，通过鼠标和键盘进行的虚拟实验的操作难度远低于实际的仪器操作，因此非常适用于实验预习阶段。学生可通过虚拟平台，对实验过程、操作细节和相应现象形成直观、全面的认识，增强预习效果，提升课堂学习效率。

2.2.2  建设线下智慧实验室

现代化管理的智慧实验室可有效提高课堂教学质量和教学管理水平。除实验仪器外，智慧实验室包含智能门禁系统、安全报警（防火防盗）系统、温控系统、摄像头、AI（人工智能）实验助手等。智能门禁系统有助于统计实验室来往人员；安全报警系统在遇到突发状况时可及时通知实验室管理人员；温控系统确保实验设备在合适温度下运转；课堂授课时，教师可通过摄像头了解每一台工位上学生的实时状态；AI实验助手可及时回答学生实验时常见的一些问题。智慧实验室设施极大地减轻了实验管理的工作量，有利于实验室全天开放，有利于学生自主学习和自我管理。

2.3  开展信息化教学实践

在信息化教学资源建设和环境优化的基础上，通过智慧实验室教学管理平台，实现“课前预习→预习效果检测反馈→课堂实验→实验报告在线撰写→实验报告评阅反馈→学习情况大数据分析”的教学全过程。

2.3.1  课前预习

实验前，学生通过信息化教材和SPOC课前资源了解实验相关的背景、原理、器材、操作等知识，完成规定的预习任务，预习效果通过完成线上的预习题目进行检验。为避免抄袭现象，每位学生的预习题目皆从题库中抽选，做到题目不相同。通过预习，学生对实验形成基本的认识和了解，明白学习的重点和难点在哪里，为后续的课堂学习起到有效的辅助作用。教师根据后台对学生预习情况的相关智能统计分析，了解学生的掌握程度，在课堂教学中有针对性地调整讲解的侧重点和教学方案，提高课堂教学质效。

2.3.2  课堂教学

实践类课程区别于理论类课程的特点在于“所有的知识点最终都必须内化为学生的动手操作能力的锻炼和提高”。因此，虚拟实验并不能完全替代传统实验教学，信息化技术是以多种形式和手段有机地融入传统实验教学中，如CCD成像系统对实验操作细节的放大、计算机模拟对实验现象的展示以及复杂实验原理的动画呈现等。此外，SPOC课堂资源和AI实验助手可充当课堂教学中的信息化助教，使学生充分发挥学习的主观能动性，按照自己的步调去完成实验；摄像头可以帮助教师及时发现学生实验过程中的典型问题，并通过智慧教学平台进行分享，进而开展师生之间、生生之间的讨论和分析，最终实现问题的解决，加深学生对实验的理解。

2.3.3  课后总结

实验后，学生需要进行数据处理与分析，完成实验报告的在线撰写。Excel、Origin等软件在实验数据处理中应用广泛，具有强大的图表功能、函数功能和曲线拟合功能，可解决大学物理实验数据处理中的绝大部分问题。使用计算机软件处理数据，可以节省学生手工计算的时间，提升数据处理的准确性，提高学习效率，使学生有更多的时间感悟实验设计理念，思考实验中蕴含的物理思想。

大数据分析是智慧实验室教学管理平台的特色和优势。通过平台的数据分析功能，可对学生的学习情况进行统计分析，并能及时收集学生的教学反馈信息。这一方面可使教师及时掌握教学效果，从而及时调整教学设计；另一方面可体现学生的主体地位，增加师生互动，拉近学生和教师之间的距离。

3  结束语

教育信息化是顺应智能环境下教育发展的必然选择，是充分激发信息技术革命性影响的关键举措，是加快实现教育现代化的有效途径。这不仅是对传统教学的有力补充，更是一种新的学习方式[7]。将信息化技术融入大学物理实验教学是提高教学质效的重要手段。充分利用现代信息技术的优势，通过建设优质的信息化教学资源，优化信息化教学环境，开展信息化教学实践，可丰富教学方法和教学手段，提升学生对大学物理实验的兴趣，有效提高课程教学质量，为实战化背景下创新型、实践型军事人才的培养提供有力保障。

参考文献

[1] 李颖.大学物理实验数字化教学改革的探索[J].大学物理实验，2016，29（4）：104-108.

[2] 龚玉姣.混合学习模式在大学物理实验中的应用研究[D].长沙：湖南大学，2011：35.

[3] 张凤琴，刘强，林晓珑.信息技术与大学物理实验深度融合的教学模式研究与探索[J].实验技术与管理，2019，36（6）：204-207.

[4] Fox A. From MOOCs to SPOCs[J].Communications ofthe ACM，2013，56（12）：38-40.

[5] 顾媛媛，符跃鸣，崔岩，等.信息技术环境下构建大学物理实验活力课堂的实践研究[J].大学物理实验，2020，33（4）：109-113.

[6] 戴玉蓉，恽如伟，熊宏齐.大学物理实验智慧教学模式的构建[J].物理实验，2021，41（7）：42-45.

[7] 王亚芳，周惟公，蒋芸，等.仿真实验在实验物理教学中的广泛应用[J].物理与工程，2012，22（2）：26-28.

作者：金靓婕、梁小蕊、柳叶，海军航空大学，副教授，研究方向为大学物理实验教学；张纪磊，海军航空大学，讲师，研究方向为大学物理实验教学（264000）。