大学物理实验线上线下混合式教学研究

钱小青

（宁波大学 物理科学与技术学院，浙江宁波 315211）

1 问题提出

2020年疫情期间，在教育部“停课不停学、停课不停教”的要求下，全国高校组织了有史以来规模最大、课程最多、涉及人数最广的线上教学[1-2]。如何有效推进“互联网+”教学，利用各种线上资源，优化教学模式，提升教学效果，成了教育工作者思考的问题，关于混合式教学的探索与研究也日益增多[2-7]。但是，目前在线上线下混合式教学研究中，理论教学相关研究占绝大多数，而在为数不多的混合式实验课程的研究中[3-5]，定性研究居多，定量研究较少。

宁波大学物理实验中心是浙江省重点实验室，中心面向全校一年级理工科学生开设了大学物理实验A课程。在2020年之前一直沿用传统的线下课堂教学，2020年实施了 “居家+虚拟仿真+线下”组合套餐式教学，2021年在2020年的基础上尝试了线上线下混合式教学。本文尝试以教学数据为基础，利用SPSS 软件进行研究与分析。归纳大学物理实验线上线下混合式教学的优势，梳理存在的问题，进一步探讨优化方案。

2 研究方法

2.1 实验设计与抽样

（1）实验设计。

研究采用非对等组的准实验研究模式。从2019、2020、2021 三年的大学物理实验成绩中，抽样同一大类的5 个班级由同一组教师教授的5 个实验项目,成绩来源于各个实验的三个部分：实验预习、实验操作、实验报告,并对综合成绩进行分析与研究。

（2）实验组学生描述。

选取的实验对象是修读大学物理实验A 的入学年份为2018年、2019年、2020年的电子信息类的学生，这些学生都来自同一个大类。2018 级5 个班级均属于电子信息类，称为A 组，共225 位注册学生；男生176 人，女生49 人。2019 级5 个班级均属于电子信息类，称为B 组，共212 位注册学生；男生168 人，女生44 人。2020 级5 个班级均属于电子信息类，称为C 组，共221 位注册学生；男生176 人，女生45 人(见表1)。在数据选取时，将高年级重修学生的数据进行了剔除。

表1 样本分布情况

宁波大学是省部共建的地方综合性大学，自2008年开始根据大类进行招生，每年的招生人数和招生区域稳定，生源的高考名次也基本稳定。三个实验组的学生均来自电子信息类，电子信息类的学生大一时分布在不同的5 个自然班，待大二专业分流至电器工程及其自动化、电子信息科学与技术、光电信息科学与工程、通信工程四个专业。大学物理实验A 是工科院系的必修基础课，面向大学一年级学生在第二学期开设。

（3）授课教师与教学内容。

大学物理实验A 由绪论+12 个实验组成，共6 位教师教授12 个实验，一位教师负责两个实验项目。我们选取了同时给3 个实验组授课的6 位资深教师，均教学经验丰富，其中一位教师还编写了《大学物理实验》的教材，对实验原理、步骤与内容掌握透彻。

我们统一选取了在9-13 周开展的5 个相同的实验内容。

2.2 实验处理

A 组的授课模式采用全线下的教学方法。教师在绪论课上将实验的基础理论进行了讲解，包括误差和有效数字等知识。并对学生具体实验时的各项要求进行了说明，如采用的预习方式、预习报告的格式、实验操作时的注意事项、实验报告的格式等。线下实验采用教师讲解实验内容、学生操作实验的方式进行，A 组的授课内容为第1 周绪论，第2-13 周线下实验。

B 组的授课模式采用组合套餐式的授课方式，第1 周线上绪论课程，讲述的内容和A 组相同，同时在超星学习通提供了相关资料和视频，并要求学生观看与提问，教师在线进行解答。第2-4 周线上 “居家实验”，实验中心选取了难度适宜的三个实验，这些实验就地取材，让学生利用已有的物理和数学知识解决问题，完成实验内容。第5-7 周要求学生完成三个“虚拟仿真”实验,最后的8-13 周线下经典实验，依然采用传统的授课方式。

C 组的授课内容为第1 周绪论，同时提供了视频和相关资料，要求学生学习和提问，教师在线解答，第2-13周采用线上预习+线下实验方式（见表2）。具体授课方式为在超星学习通上提供视频学习，在线解答学生问题；利用虚拟仿真实验，精选相近但不相同的实验，要求学生提前进入系统操作，进行预习。在线下实验教学中，教师讲解实验时间减少，并省略部分步骤，采用教师进行提问、引导学生思考的方式，最后，要求学生自主完成实验内容。三个组的教学方式总体上有所差异，但实验项目相同。

表2 不同实验组的教学设计表

2.3 教学效果的评测

为了检验三个实验组在实验基本技能和分析理解上的差异，三个实验组之间教学效果的评测采用实验操作与实验报告的综合成绩，并用SPSS 软件进行分析。

2.4 学生能力提升评价

学生学习完大学物理实验A 之后，实验中心每年都会在学期末开展浙江省物理创新比赛报名与选拔，采用学生自愿报名加教师推荐的方式，成员从当年修读大学物理实验A 的学生中选拔。我们搜集了学生参加竞赛的人数和获奖的情况，了解不同的教学模式下学生的物理学兴趣和能力的提升情况。

3 研究结果

3.1 教学效果比较

采用单因素方差分析方法，比较学生在全线下授课（实验组A）、组合套餐式授课（实验组B）和混合式教学（实验组C）不同教学方式下实验综合成绩的差异。结果表明，三个实验组之间的均值之间出现了差异，实验组B 的平均成绩（82.3744）高于实验组A（80.5540），但又低于实验组C（90.0508）。从最高分和最低分的分布也可以看到，实验组C（99.53,60.60）与A(88.96,61.52 )组合B（96.60,30.00）组相比较具有明显的优势（见表3）。

表3 不同实验组成绩分布表

为了得到这三个实验组之间的成绩差异是否具有统计学上的意义，我们进行了F 检验。我们可以发现三个教学实验组之间的P值小于0.05，即A、B、C 三个实验组之间教学效果出现了显著差异（见表4）。说明从2019年到2021年三种不同的教学方式对学生的成绩产生了不同的影响。

表4 F 检验数据分析表

为了进一步了解这三个实验组之间的差异，我们进行了多重比较，比较学生在大学物理实验A 中的学习成绩，可得出如下结论：

（1）传统线下授课（实验组A）与套餐组合式授课(实验组B)之间存在显著统计差异（Sig=0.006）。

（2）传统线下授课（实验组A）与混合式授课（实验组C）之间存在显著统计差异（Sig=0.000）。

（3）套餐组合式授课(实验组B)与混合式授课（实验组C）之间存在显著统计差异（Sig=0.000）。

进一步得出结论，比较学生在套餐组合式授课（实验组B）中的成绩比传统线下授课(实验组A)成绩的平均差高1.82045，混合式授课（实验组C）又比套餐组合式授课（实验组B）的平均差高7.67636，混合式授课方式优势明显（见表5）。

表5 不同教学模式多重比较表

3.2 学生参与竞赛的人数与获奖情况

研究表明，混合式教学提升了学生的学习成绩，激发了物理学习的兴趣，提高了分析问题、解决问题的能力。根据2019-2021年期间修读完大学物理实验A的学生参加浙江省物理实验与科技创新竞赛的获奖情况（见表6），可以看出，报名人数和获奖质量逐年提升。

表6 浙江省大学生物理实验与科技创新竞赛获奖情况

4 反思与讨论

通过上述研究与分析，我们可以发现，与传统线下实验教学相比，混合式实验教学取得了良好的教学效果：提升了学生的综合实验成绩，激发了学生对物理的兴趣，学生的分析能力、动手能力、创新思维能力等得到了全面的培养。大学物理实验混合式教学经过两年多的探索，形成了一套特有的模式。

4.1 遵循认知规律，结合现代信息技术优势进行教学设计。

引用布鲁姆目标分类法中关于认知领域中的六大方面制定本课程教学目标。根据“布鲁姆教育目标分类法”[8]，在认知领域的教育目标可分成：知道、领会、应用、分析、综合、评价这几个环节。大学物理实验遵循这个规律，从2019年开始，经过三年的更新迭代，设计了“在线资料提供+虚拟仿真预习+在线讨论+线下实验”的新模式。

首先，学生通过课前预习和同学之间的讨论，掌握了实验的原理与内容；通过虚拟仿真实验进行线上操作，进一步领会实验内容，并应用到虚拟现实的仿真场景当中。其次，在线下实验中,教师通过进一步讲解理论要点，现场进行操作示范，使学生在师生互动中加深对知识的理解。与理论课程不同，实验课程中实践与动手才是核心与关键。将某一实验理论放在实际的环境中去实践，从理论到实践的转化包含了综合性的各种技能，需要对理论知识有透彻的理解，将理论需要的条件在实验中实现有诸多办法，学生在这个过程中实现了知识的应用、分析与综合。

此教学模式深度融合了现代信息技术，充分利用了虚拟仿真平台，破解了传统实验课程预习中时空受限的难题。结合当代学生特点，利用碎片化时间，学习理论知识；利用虚拟和现实交流平台，实现生生、师生之间的无障碍交流。

4.2 虚-实结合的教与学助推有效教学与深度学习

虚-实结合的环境可以促进学习者对知识的认知、理解和应用。教育学家认为，从交互的环境中能够让学生身处其中，沉浸式的学习方式与环境让学习者如临其境，获得全身心多感官的体会，对于知识的深度学习具有非常重要的意义[9]。利用虚拟仿真实验，使得学习者可以方便快捷地进行实验预习，在模拟现实场景中操作，进一步掌握实验的原理和内容。

当然，虚拟仿真实验再完美，作为一门实践类课程，还是需要实际的线下操作来完成。线下操作是应用和分析的重要环节。仿真实验再逼真，也不能替代线下实验带来的切身感受与情感体验，情景式的虚拟体验再多，代替不了线下实验的真实体会。即使是验证型的最基础的实验，也具有不可替代的作用。因此，当从虚拟的预习到了现实的操作时，如何将理论知识予以实际应用显得非常重要。解决实际的问题，也显得非常重要，很多时候，仿真实验当中的现象在实际操作时无法实现，当理想与现实虚拟世界与实情实景之间出现了矛盾、冲突、碰撞的时候，学习者便“被动”发现了问题，需要“主动”去解决。而此时，学习进入了应用阶段，分析与综合的能力便是学习者需要通过习得而获取的能力。

虚-实结合不仅体现在课程的学习上，还体现在师生和生生之间的相互沟通上。当代大学生对网络环境十分熟悉。学习的重要环节就是人与人之间的对话与交流。在学习领域颇有研究的日本教育学者佐藤学把学习看作“对话性实践”。他认为学习是学习者“跟客观世界的交往对话，跟他人的交往与对话，跟自身的交往与对话”[10]，人在学习的过程中，不仅可获得知识，还可建构起与他人之间的关系，在互动和共处中获得认同感和满足感。通过QQ 等网络沟通手段，可以让师生、生生之间随时、便捷地虚拟沟通与交流，通过教师解答、同学互答的方式，学习者可以感受到疑惑被教师解答之后的“豁然开朗”，思路被同学启发之后的“峰回路转”，观点和体会被人认同之后的“兴奋愉悦”，在这样的交流学习中，思路逐渐被理清，概念慢慢被构建，理解不断深入，是传统的实验授课方式无法实现的。另一方面，线下实验中的现实交往与对话可以补充虚拟交流中的不足，使得学习者面对真实的环境、同学和教师，获得真实的体验。

通过网上学习与线下实验，建立虚-实结合的学习共同体。实现理论知识、实验技能、问题反思的传递和交流。共同体可以加强师生、生生之间的联结，有效消除学生在学习和探究问题中的孤独感和无助感，能够更深层次地理解知识。通过提前预习、视频内容的观看、网上讨论、学生反馈、作业练习等方式，保障教师与学生之间进行交流与互动，营造师生同频互动、异频思考、多维度虚-实结合的学习环境[11-12]。

虚-实结合的教与学是混合式教学特有的优势，它充分发挥了虚拟平台与线下实验的优势，又很好地弥补了两者的短处与不足，促进了深度有效的教与学。

4.3 课堂内外的延伸促使师生将终身学习的理念进行到底

混合式教学利用现代信息技术，给课堂注入了活力，也给了教师和学生提出了更大的挑战。教师如何利用信息技术筛选有用的知识，通过脉络梳理，深度加工，将各个经典实验呈现给学生，并在课前与课后提供资料，布置开放性的作业。这一过程需要教师不断提升自己，学习新知识、新方法、新技术和新理论；另一方面也要掌握技术及相关行业的发展趋势、学科发展动向等前沿知识。学生在学习当中既感受到了社会进步、产业发展和技术创新永无止境，也深切体会到学海无涯，唯有不断学习才能保持自身优势[10]。

课堂之后，开设了物理实验的高阶选修课程，让对物理有兴趣的学生可以进一步学习深层次的理论和实践知识，同时开展大学物理实验创新竞赛，学生从智能、高科技、方便人们生活等需求出发，通过调研、学习、设计，最终实现自己的模型。这一过程的训练，使学生不断学习知识、不断实践、不断探索、不断提升的学习-实践路径养成，提高了学生终身学习的能力。

最终，通过将知识从课内到课外、从校内到校外进行延伸，从理论到实践进行提升，师生逐步共同形成终生学习的理念，并探索出一条行之有效的路径。

5 结论与启示

混合式教学在提升教学效果的同时，也存在不足，需要从教学内容、教学方式、考核评价方式上不断改进。

5.1 教学内容迫切需要重构与更新

教育学家认为，学习是一种改变、持久的行为或按照某种方式表现出来某种行为能力的持久变化，它来自实践或其他的经历[13]。仿真实验再完美，作为一门实践类课程，需要实际的线下操作来完成。线下的操作则是应用和分析的重要环节。情景式的虚拟体验再多，代替不了线下实验的真实体会，即使是验证型的最基础的实验，也具有不可替代的作用。

与此同时，将课前预习、虚拟仿真引入到实验课程中，并不意味着可以削弱线下实验的讲授，直接让学生开展实验，相反，线下实验的授课方式更加重要，学生出现了更多的问题和疑惑，教师如何引导与应对变得尤其重要。在实验组C 的教学中，我们在线下实验中采用了讲重点、讲难点的方式，这种方式在提升学生实践能力的同时也存在问题：教学内容的不完整，学生对原理的认识、实验步骤的深层次理解依然不足，因此，原有的对应传统线下实验的理论与内容不再适用，迫切需要重构教学内容。

将实验原理与内容等打破重组，融入不同的教学方式中。比如：实验中注重实践、轻视理论的现象依然存在。实验课的教师认为，实验原理的讲解是理论课教师的事情，有的教师虽然讲解了理论课程，但是主要是照本宣科，学生虽然做了实验却不知道为什么这么做，对实验中出现的现象无法从本质上理解。如何利用混合式教学的优势，将实验原理重新构建，有效融入实验前、中、后三个环节中，是下阶段的重要内容。

5.2 教学方式需要不断优化与迭代

大学物理实验包含12 个实验项目，每一个实验都有各自的特点，有的实践操作性强，如分光计的调整和三棱镜顶角的测量；有的现象明显，原理清晰，如单缝衍射的相对光强分布；有的测量方法巧妙，让人惊叹，如密立根油滴法测定电子电荷实验。这些实验项目内容重组之后，单一的 “线上提供资料+虚拟仿真预习+线下操作”的教学方式难以满足多样化的实验项目需求，驱动教学方式相应调整和优化。

同时，虚拟仿真实验在当前取得了较好的实验预习效果，然而，不足也非常明显：不少虚拟仿真项目的研发者非实验工作者，项目的设置与实际操作有较大的差异，比如分光计的调整实验，目测粗调是非常重要的项目，然而在虚拟实验中却直接略过了，很容易误导学生线下操作；有的虚拟仿真项目过程性评价缺失，只需要输入答案即可得分；另外，虚拟仿真平台的界面不够友好，人机交互浅层表面等，一系列问题的出现需要对虚拟仿真实验项目进一步优化和调整。

另一方面，混合式的授课方式也不局限于虚拟仿真预习、课程资料的上网等现有的模式，不同的实验项目可以根据不同的学生采用不同的授课方式，翻转式、小组讨论式等方式可以引入到线下实验中，与内容的重构有效契合。

重组的内容和新型的教学设计需要教师采用不同的授课方式，而有别于传统的授课方式，学生改变传统的学习模式，需要深入学习、透彻理解、动手操作、分析应用，进一步促进师生深度有效地教与学。

5.3 评价方式需要多元且注重过程

当前大学物理实验课程的评价方式分为预习、操作、报告，分别占比20%、40%、40%。尽管从形式上来看对各分项进行了考核，注重了过程，然而每一个分项的具体内容还需要进一步的讨论和优化。

比如实验操作的给分，不同教师的标准不同，有的教师根据实验数据的好坏来评议，有的教师根据实验快慢评价，有的教师根据过程的关键点操作评价；缺乏科学合理的过程性标准，无法科学有效地评判给分。另一方面，一个教师在实验过程中面对24 名学生也无法时时刻刻观察到学生的实验操作行为。如何利用混合式教学的优势，结合智能化的教学设备，探讨考核过程的合理监控和评判，是大学物理实验过程性考核的重要内容。

因此，我们需要综合考量大学物理实验在各个专业人才培养方案当中的作用，设定该课程在培养目标达成度当中的分目标，根据课程目标重新设置各个考核指标，与教学方式相结合，利用现代信息技术，设计线上与线下、仿真与现实、理论与实践的综合可操作可评价的指标，注重过程性，体现多元化，精准、公平、公正地评判[14]。

6 结语

基于现代信息技术（尤其是虚拟仿真实验）的混合式教学可以提高大学物理实验成绩，培养学生综合能力，同时促使教师转变教学方式，促使学生改变学习方式，形成有效的教学与深度的学习。接下来，需要教学内容重构、教学方式优化、评价方式改革三管齐下，不断完善实验课程的混合式教学。