《大学物理实验》智慧教学模式的构建与研究
2023-04-06李阳娟
李阳娟
莆田学院工程实训中心,福建 莆田 351100
智慧教育是指利用互联网和人工智能等现代信息技术来提高教育质量,维护教育公平,这是一种打破传统的创新型教育模式[1]。智慧教育利用了互联网上丰富的教育资源和资源共享平台,帮助人们突破传统教育的时间和空间限制,为创新型人才的培养与发展提供了最大的可能,是未来教育的发展趋势。教育部发布的《教育信息化2.0行动计划》强调,要利用智能设备和互联网等新兴工具与技术积极开展智慧教育创新研究和示范,推动现代教育的模式变革[2]。因此,将智慧教育理念应用于教学活动中,积极创建智慧教学环境,用更现代化的技术手段来提高教学效率,符合国家教育现代化的政策需求。
《大学物理实验》是理工科专业的基础必修课程,对学生的科学思维、创新意识和实践技能的培养具有重要的作用,特别是在科技发展和社会进步相适应的综合能力的培养方面有着不可替代的作用。随着教育改革的不断发展,传统的物理实验教学模式的弊端逐渐显现,培养出的学生自主学习能力差且创新能力不足。因此,为了改善教学现状,我们将智慧教育理念引入教学活动中,构建《大学物理实验》创新教学模式,对培养创新型人才具有重要的意义。
一、《大学物理实验》的现状与不足
(一)重视度不够,设备陈旧老化
《大学物理实验》是传统的基础实验,不具备学科优势,并且很多普通本科高校未开设物理专业,导致了在学校层面的重视程度不够、投入的经费有限、实验设备陈旧老化和课程学时缩减等情况[3]。对于学生而言,由于物理实验课程并非自己的专业课程,思想上不够重视,在学习上持有应付态度,没有认真预习实验及完成实验报告等。这样的现状严重影响了《大学物理实验》课程的教学效果。
《大学物理实验》课程包含力学、热学、光学、电学和近代物理学等方向的实验内容,课程内容覆盖面广但又相对独立,各方向的仪器设备基本不能共用,有限的经费投入无法满足仪器更新换代的需求,仪器设备陈旧及配套数不足已成为大多数高校物理实验室的常态。
(二)课程设置落后,上课形式单一
传统的《大学物理实验》教学过程通常是学生课前预习实验,在实验课上教师讲解并演示实验操作,最后由学生独立完成实验和记录数据。这样的教学模式过于单一,依靠教师的单向灌输知识会使学生产生依赖性和枯燥感,学生被动接受知识不愿动脑思考。另外,由于课堂讲解的时间较多,学生在进行实验的时间则相对紧张,缺少了师生之间的交流互动和知识反馈。
《大学物理实验》不仅包含很多物理学的知识点,比较抽象难以理解,还需要较强的动手实践能力。实际中学生的基础、学习能力和实践能力差异大,在传统的教学授课中学生的差异性被忽视,无法培养学生自主学习的能力,不能满足不同层次学生的个性化需求。
二、基于智慧教育的教学改革与实践
(一)线上线下相结合的智慧教学模式
线上教学主要针对理论课程,对于实验课程来说,需要锻炼学生的实际操作能力,难以完全依靠线上教学模式,只适用一定比例的线上课程和线下实验教学相结合的线上线下混合教学模式。因此,利用线上课堂的有利条件,构建了《大学物理实验》在线实验教学平台,探索出线上微课学习和实体实验操作相结合的智慧教学模式。即通过线上自主学习、课堂重点难点讲解、实验操作和问题讨论等方式引导学生自主学习,提高了学生自主学习、独立思考和分析问题的能力[4-5]。
教师利用教学软件提前制作好微课视频,其中包含详细的实验原理,仪器介绍和实验操作演示。学生可以通过视频提前预习实验,遇到重点难点可以反复播放视频学习,加深印象,课后还可以参考视频进行巩固复习和完成实验报告。鼓励学生自主学习,带着问题来上实验课,在课堂上教师可以参考学生的问题有的放矢,着重强调重点和难点。同时,数字化的教学软件还可以实时记录每个学生的学习情况,通过平台的个性化评价对每位学生进行精确的分析,然后通过课堂教学上的师生互动进行查缺补漏。
我们在进行线上线下混合教学的过程中,由于减少了实验原理和仪器介绍等部分的课堂教学,在一定程度上促使学生在进入实验室之前自主预习实验。教师在实验课堂上只强调实验的重点和难点,以及解决实验过程中的问题,这样增加了学生自主实验和思考的时间,提高了教学效果。因此,在《大学物理实验》教学中合理地应用微课和智能教学软件,实现注重个性和差异的智慧教学模式,有助于培养具有自主学习能力的创新型人才。
(二)虚实结合的智慧教学模式
虚拟仿真实验综合应用了虚拟现实、计算机、多媒体及人工智能等技术建立一种虚拟逼真的实验教学环境,学生可以从中感受到真实的实验场景,并从虚拟的实验中获取知识和技能[6]。虚拟仿真实验突破了传统实验对仪器、环境和地点的限制,增加了学生动手实践的机会,提高了教学效率,并对学生创新思维的培养有着重要的作用。教育部提出虚拟仿真实验项目的设置,以“虚实结合,相互补充,能实不虚”为基本原则[7]。因此,我们以该原则为导向创建虚拟仿真实验平台,将虚拟仿真实验与实物实验在教学过程中相融合,构建虚实结合的物理实验教学模式。虚实结合教学模式符合智慧教育的理念,也是未来实验教学改革的重要研究方向。
对于理论教学来说,物理学原理比较抽象复杂,利用虚拟仿真技术可以将抽象的原理通过动画等方式直观地展现出来,有助于学生理解物理实验原理、步骤及注意事项等,提升学生对物理实验学习的兴趣和动力。对于实验教学来说,可利用虚拟仿真技术建设成本较高、操作复杂或危险性较高的物理实验。学生通过虚拟仿真实验学习复杂精密的实验仪器,根据学习内容大胆进行实验操作、模拟调试和方案验证等,避免了真实实验中高危试剂或高压等因素对人身的伤害,同时也避免了实验仪器的损坏。
虚拟仿真系统中有实验原理、内容和操作演示,能够满足不同层次学生的学习和实验需求,学生可以根据自己的实际情况自主灵活地选择实验时间和地点,多次反复地进行实验。系统具有实时的评价功能,不仅能及时提示学生在实验过程中出现的危险性或错误性的操作,还能在学生完成实验之后实时的对操作过程、测量的数据和求解的结果进行评分。学生在仿真实验过程中能及时获得成果评价并进行改进,这种反复的实验训练过程不仅锻炼了学生的实验技能,还加深了对实验原理的掌握与应用。我们在实际教学中可以开设部分实物实验,学习一些常用的测量工具和经典的实验,再利用虚拟仿真系统开设一些综合性设计性的实验,作为基础实验之外的补充和提高,实行“基础实验—综合实验—设计实验”的分阶段式教学,让学生由易到难循序渐进地学习,能更好地提高学生的实践技能,提升教学效果,有助于培养学生自主探索和创新思维的能力。
(三)基于创新能力培养的智慧教学模式
创新实践活动充分利用实验室资源,为学生提供自主实践和创造的空间,是物理实验教学的延伸,既增强了学生的实践能力和创新意识,又提高了学生的综合素质,有助于培养现代化的创新人才。我们将创新教育融入人才培养的全过程中,其成效最终反映在人才培养质量的提高。可从以下几方面进行:
利用物理演示实验资源,面向理工科或文科学生开设自然科学与文化素养类课程、创新创意类课程或物理演示实验课程等科学通识教育课程。物理学中的很多概念和规律的发现都是以实验为依据,因此观察实验是物理学习过程中不可缺少的环节[8]。物理演示实验具有趣味性、探索性和科学性等优点,可以形象地展示抽象的物理学理论,生动有趣地展示生活、生产实际或科学研究中常见的物理现象。学生通过学习演示实验,可以增加对物理和科学知识的感性认识,促进对物理概念或科学知识的认识和理解,激发学习兴趣和探索热情。从而提高学生的综合科学素养,培养创新意识。
鼓励学生积极参与物理或工程类相关的创新设计项目或竞赛,这些项目或竞赛的选题往往来源于真实的生活或生产实际背景,它们通常没有固定的答案,而是考查学生对问题的分析能力和创新能力,需要综合所学的知识提出独特的见解和解决方案。学生可以从中将抽象的理论知识与生动有趣的实际应用相联系,并将真实的实际问题转化为物理和数学模型[9],有助于提高学生分析解决问题的能力和创新能力。参与竞赛不仅考验学生对理论知识的掌握程度,更加考验学生的实践能力与创造力。另外,在竞赛过程中,学生需要互相配合处理各种难题,这有利于提升学生的团队协作意识。
针对理工科相关专业的学生开设毕业设计等创新实践活动,毕业设计要求学生综合运用所学的理论和技术知识,相对独立地解决科学研究等实际问题,最终形成创新成果[10]。学生完成毕业设计的过程是学习的深化和升华的重要过程,对培养学生的综合素质、创新思维和工程实践能力等具有重要的作用。我们可以设计物理实验仿真与模拟相关的毕业设计课题[11],学生在完成设计的过程中,不仅深刻掌握了相关的实验原理与现象,而且通过仿真了解了不同条件下实验现象的演变,拓展了知识与认知。还可以将实验室的仪器设备开放给进行创新或科学研究的教师与学生,鼓励学生进入实验室开展科学研究,有助于培养和提升学生的创新实践能力。
三、结语
本文对《大学物理实验》的现状与不足进行分析,发现落后陈旧的实验设备以及传统的教学模式不利于培养学生的自主学习能力和创新意识。鉴于此,提出基于智慧教育的《大学物理实验》教学模式,利用微课视频及教学软件建设在线实验教学平台,实现线上线下相结合的智慧教学模式;以“虚实结合,相互补充,能实不虚”为原则建设虚拟仿真实验平台,实现虚实结合的智慧教学模式;利用物理实验室资源,拓展科学通识教育课程、创新项目或竞赛、毕业设计等创新实践活动,探索基于创新能力培养的智慧教学模式。这些改革措施能有效增强学生的自主学习能力和实践能力,提高创新意识和综合素质。
随着我国信息技术的飞速发展和教育改革的不断推进,基于现代信息技术的智慧教育是未来教育的发展趋势。将智慧教育理念应用于教学活动中,积极创建智慧教学环境,用更现代化的技术手段来提高教学效率,改善教学效果,有助于培养现代化的创新型人才。