大学物理实验线上教学的探索

关寿华,张 萍,刘德弟

(大连民族大学 物理与材料工程学院,辽宁 大连 116605)

大学物理实验是教育部规定的高等学校理工科专业学生六门必修基础课之一,在培养大学生科学实践能力和创新素质的过程中发挥着重要作用。但传统的大学物理实验教学模式存在许多问题。例如,教学模式单一,课外只能通过阅读教材来学习;由于实验场地、仪器和师资的限制,实验室无法解决学生基础差异大的问题,无法充分满足学生广泛的兴趣和不同专业的差异化需求。随着科技的发展,利用虚拟仿真实验辅助教学已经成为国内高校解决这些问题和需求的重要途径[1-2]。

作为民族高校,为解决学生基础差异大的问题,大连民族大学于2000年引入虚拟仿真实验来辅助教学,主要是用于预习和复习。2020到2022年间,大连民族大学和众多高校一样对大学物理实验课进行了线上教学的实践[3-5],突破时空限制,让学生在线上完成实验学习。总结此次线上教学实践的经验,对于大学物理实验课的发展有着积极的意义。

1 实验资源

大连民族大学的大学物理虚拟仿真实验网络平台资源十分丰富,可以提供涵盖力、热、电、光等多个领域的众多实验项目;登录仿真实验平台后,就可以选择某个实验项目进行沉浸式的实验操作及观测。学校教务处将教师和学生录入企业微信,按照院、系、年级和班级建立通讯录,从而可以便利地建立授课群,进行线上直播教学和即时交流,加上网络、智能设备十分普遍,线上实验教学的条件俱备。

2 线上教学模式

2.1 课前引导

每个班是按照制定好的实验进度表同时上课,做同一实验项目,这样安排有利于学生互相提醒,不迟到不缺课,并且可以避免出现任务扎堆、学习质量下降的现象。教师会提前数天提醒学生通过阅读讲义、进入仿真平台观看演示视频等方式进行预习。临近上课时会提醒学生在群里签到并进入直播间,上课期间不定时地需要学生在直播间里签到,并督促学生认真听讲。

2.2 线上实验教学

教师在企业微信直播间里采用显示屏幕方式授课,用PPT课件讲解实验原理等基本理论知识,进入仿真实验平台,讲解仪器的使用方法以及实验步骤、测量内容等。教师结束直播后,会将课件发到群里。课内剩余时间及课后,学生可以不限时间和次数的进入仿真实验平台学习、观测以及数据处理等,如有疑问可以在群里随时与老师讨论,还可以重复观看讲课视频回放以及课件,来强化掌握课堂教学内容。通常要求学生在下一次上课前完成实验,并上交报告,如此安排,学生有充足的时间学习,从而保障了实验水平和成绩。

2.3 成绩考核

线上实验成绩由三部分综合评定给出:考勤成绩、操作成绩以及报告成绩,这三部分满分成绩分别为2分、3分和5分。与线下实验相比,线上实验的操作成绩是由仿真平台即时自动评定给出,比较客观公正。学生每做完一次实验,马上就可以查到自己的实验操作成绩,从而决定是否再次实验。仿真平台记录每一次实验操作成绩,并且提交截止当时的最高成绩,教师据此量化出实验操作考核成绩。

3 线上实验教学实践的总结

3.1 线上实验教学的优势

由于虚拟仿真实验能对实体实验高度模拟,能提供相对沉浸式的场景和观测操作,因此线上实验教学模式基本上实现了实验课培养目标。由于虚拟仿真实验网络平台突破了时空限制,使得实验学习不再局限于实验室,并且允许学生不限次数地实验,操作成绩又是自动即时给出,因此极大地激励了学生的学习热情。通过后台分析可以发现,学生常常自觉地加班学习乃至多次实验,以此提高实验水平来取得更好的实验成绩。

以大连民族大学电子215班的密立根油滴实验为例,全班31人,共做实验126次,人均4次多,做实验4次及以上的人数超过总人数的45%。操作次数及其对应的人数、操作平均成绩见表1,操作次数及其对应的人数、操作满分人数的变化曲线如图1。从表1可以看出,操作次数较多学生的操作平均成绩要高于次数较少的学生,虽然并不完全成正比。从图1可以看出,随着操作次数的增加,满分人数逐渐接近实验人数,尤其是超过6次以上学生的操作成绩基本为满分。整体上看,有近20%的学生进行了6次以上的操作;虽然约有55%的学生操作次数少于4次,但这些学生中的一半是因为已经获得操作满分,另一半学生多为操作2-3次后则满足于现有成绩,从而不再尝试了。

表1 密立根油滴实验电子215班操作次数及对应人数、操作平均成绩的统计

根据以上数据分析可以确认,这种线上实验教学模式,确实能够激励学生的学习积极性,从而促进学生对基础实验知识和基本实验能力的掌握。

3.2 线上实验教学的局限性

通过实践体会到,目前阶段的虚拟仿真实验虽然是高度仿真模拟,但还不能完全如实地再现实体实验的场景,尤其是实验过程中变化多端的各种现象和可能。电脑屏幕、鼠标和键盘也无法带来实体仪器的那种质感。此外,学生做电脑屏幕中的虚拟实验,无法生成做实体实验的那种认真、谨慎的心态。所以,目前阶段的虚拟仿真实验可以传授基本实验知识,锻炼基本实验能力,但还不能完全代替实体实验。

线上开放式实验教学模式中,学生是主体。绝大多数学生表现很好,积极学习并取得良好成绩。但还是会有学生表现得不尽如人意,例如,个别学生即使实验操作水平不高、实验结果不尽理想,也不考虑通过多次实验来提高成绩;还有些学生自律性差,拖延等现象难以完全杜绝,快到截止时间才仓促地实验操作,效果较差。而在实体实验教学中,这两种情况基本上会被杜绝,教师会检查并指点学生提高实验操作水平,发现实验结果不理想,会帮学生查找原因并要求重新实验。线下实验教学中,学生集体行动,从众行为让自律性不高的现象大为改善。所以,在这种开放的线上实验教学中,教师虽然能够及时答疑,但指导并监督学生学习的职能有所弱化,从而导致实验教学质量下降。因此这种开放的线上教学课需要学生具有较高的自律性才行,同时也需要找到教师指导并监督学生的有效措施。

4 线上线下多元协作教学模式的思考

根据前述线上实验教学实践的总结分析,现阶段的大学物理实验课应该采取实体实验为主、线上实验为辅的多元协作教学模式,从而更好地实现大学物理实验的培养目标。

4.1 择优以线上实验替代部分实体实验

由于经费、场地和安全的限制,许多优秀的重要的实验项目无法实体开出,包括许多反映重要物理理论知识或者重大物理实验方法的经典实验,以及反映科技前沿重大进展的新实验项目等。经过综合权衡,可以选择一些实体实验室没有的内容优秀的虚拟仿真实验,替代部分实体实验项目,以线上教学的方式授课(如果有条件也可以在机房内开出,强化教师指导监督职能),如此安排,学生就可以按照培养需要择优学习物理实验项目,而不受硬件条件限制。大连民族大学物理实验室做过这方面的探索,开出过“热敏电阻温度特性研究”等仿真实验项目,学生积极性很高,收效很好。

4.2 以线上教学方式开设实验选修课

大学物理实验的项目众多,所涵盖的各种实验理论、方法和技术对于大学生未来的科研及生产实践有着巨大的应用价值,但由于学时、场地及设备的限制,教学计划内只能开出一部分。针对此种矛盾,可以开设在线上教学的虚拟仿真物理实验选修课,让对物理实验有兴趣或者有个人发展需要的学生有机会深入学习各种物理实验知识,进一步提高科学实践能力。线上实验选修课非常适合在校区分散、选课人数众多的情况下,让有一定实验基础、自律性较强的学生进行拓展学习,而且不受其他条件的限制。

5 结 语

大连民族大学大学物理实验中心基于实际情况,开展了大学物理实验课线上教学的探索和实践,顺利完成了培养计划。实践表明,线上教学模式具有突破时空限制、激励学生学习热情等许多优势,能在一定程度上提高实验水平与成绩,但也存在一些问题和局限性。如何整体设计来发挥优势、规避局限性,从而虚实结合、线上线下多元协作,做好大学物理实验课教学,还需要向其他兄弟高校学习,并进一步探索和实践。