线上教学和虚拟仿真实验在大学物理实验课程中的实践探索

2023-08-02苏守正陶灵平孙赟程小燕

大学·教学与教育 2023年5期

苏守正陶灵平孙赟程小燕

摘要：大学物理实验课程是本科教育阶段理工科专业学生的基础课程，在培养正确认识世界、思考并解决问题和探索创新能力方面起着重要作用。高等教育的发展和科技的进步为大学课堂提供了更多优质而丰富的教学内容，各高校在大学物理实验教学上建立了多种课程形式，如MOOC、精品课程、虚拟仿真实验等。文章主要探讨大学物理实验课程的创新教学设计，首先分析了该课程的教学特点，然后在对理论知识的理解运用和实验数据的测量分析基础上，结合网络在线教学平台和虚拟仿真实验技术，将BOPPPS教学理念引入课程设计中。这种新的课程形式拓展了学生自主学习的空间和边界，激发了学生学习物理的热情和乐于思考乐于探索的科学精神。

关键词：大学物理实验；在线教学；虚拟仿真实验；BOPPPS；教学研究

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1673-7164（2023）14-0058-04

大学物理实验是本科阶段所学习的基础课程之一，涵盖了力学、光学、电磁学、热学以及近代物理等领域的基本实验内容，能够培养学生正确认识世界、分析解决问题和探索创新的能力，其重要意义不言而喻。近年来，各高校为了提升本科教育水平，加大了基础课程的发展力度，在大学物理实验教学中也建立了多种课程模式，包括MOOC（Massive Open Online Courses）、精品课程、虚拟仿真实验、SPOC（Small Pate Online Courses）、BOPPPS教学等［1］，这些课程模式以丰富多样的设计为各理工科专业学生提供了精彩的学习内容［2］，增强了学习物理的趣味性，非常有利于学生吸收基本物理概念和思想方法，培养科学认识世界的素质和能力［3］。随着网络技术的普及和信息技术的发展，这些新的教学模式在大学物理实验课程中发挥着越来越重要的作用，例如MOOC、精品课程等以线上线下结合的形式提高了学习效率［4］，虚拟仿真技术也给物理实验教学带来很多新的教学体验，如Sakai软件平台、虚拟仿真实验等让学生可以随时进行實验学习，摆脱了实验条件的限制［5］。这些新的教学形式促进了实验教学的发展，然而大学物理实验课程有其特殊性，学生们需要在实际的实验过程中研究实验现象、分析实验结果，才能真正培养出学生的研究能力和创新能力［6］。为了促进教学改革，本文探究在日常的大学物理实验教学过程中引入BOPPPS教学理念，通过改变实验教学内容和学习方式，设计更科学更有效的实验教学模式，以提高大学物理实验课程的教学质量。

本科教育不仅要注重培养学生的科学人文知识体系，更加重要的是培养学生思考问题解决问题等综合能力，因此以学生为中心的教学设计在大学课堂中很重要［7］。BOPPPS教学理念正是秉持这样的思想，将课堂划分为六个阶段，通过不同的课堂阶段调动学生主动学习和思考的积极性，这些阶段分别是引入（Bridge-in）阶段、目标（Objective）阶段、前测（Pre-assessment）阶段、参与式学习（Participatory-learning）阶段、后测（Post-assessment）阶段以及总结（Summary）阶段［8］。根据这样的教学理念，本文的课程设计将大学物理实验模块化分解，在不同的模块中引导学生分别完成不同的实验学习任务，依托信息网络技术构建以学生为中心和以自主学习为主导的实验学习环境，着力培养学生对大学物理实验的学习兴趣和思考创新能力。本文将首先简述目前大学物理实验课程常见的教学体系和面临的现状，深入剖析传统的以教师讲解演示实验、学生做实验的教学模式的优势和缺点，然后结合BOPPPS教学理念，在日常教学实践中探索并建设新的以学生为中心的实验教学模式。

一、传统大学物理实验课程的优与劣

大学物理实验课程承担着培养本科生基础实验技能和建立科学认知能力的重任，是理工科各专业的必修课程，然而目前高校理工科专业招生人数逐年增加，不同专业的培养方案不同，对本课程的课时安排与内容需求有明显区别［9］。为了应对不同的专业人才培养方案，很多高校采用将大学物理实验课程按学时比例划分成基础性实验、综合性实验、设计性实验等部分，以供各专业学生根据学时和培养方案合理选择［10］。基础性实验要求本科生掌握基本物理量的测量，熟悉常见的物理实验方法，能够科学地分析问题和处理测量数据等。综合性实验常常涉及多个领域的知识点，如混沌效应实验，学生不仅要熟悉交流电路的基本原理，而且需要了解非线性方程的性质，能熟练使用信号发生器和示波器等，这对学生的物理知识水平和仪器使用要求较高。设计性实验是以灵活运用基本的知识点、实验方法和基本测量仪器为基础，培养学生主动思考分析问题的能力，激发学生研究探索精神和创新精神。这种分层次的实验教学体现了较强的灵活性，能很方便地适应各专业培养体系的需求，兼顾了知识点与学时的不同要求。

一般大学物理实验课程的教学过程是进行课前预习并完成预习实验报告、在实验室完成仪器调节和数据测量，最后分析测量数据并完成实验报告。这个过程充分尊重了实验科学的研究方法与发展规律，让学生能够深刻感受到科学探索的强大魅力，在繁多的测量数据中可以发现藏在背后的物理定律。物理学是建立在科学实验基础之上的，基本理论都是基于大量实验的科学观测，包含了很多科学思想和实验方法，只有在实际的实验过程中解决问题、分析测量数据，才能得到科学的结论，培养学生严谨的治学态度和活跃的创新思想，树立科学的世界观和方法论，这是其他课程难以代替的。虽然教学实验高度简化了研究过程，但仍然需要学生深刻理解相关的理论知识点，熟练使用仪器并正确完成数据测量，解决实验过程中遇到的问题，思考观察到的实验现象，在分析测量数据中得到合理的结论，整个实验课程需要学生具有较强的独立思考和积极主动解决问题的能力，弥补理论教学中重计算轻实践的缺陷。

然而，在当前应试氛围浓厚的高等教育环境中，大学物理实验课程在实际教学过程中仍面临着很多困境［11］。首先，课程教学模式缺乏多样性，难以激发学生的实验热情，很多实验课程逐渐变成简单枯燥的数据测量。教学实验不同于科学研究性实验，实验原理通常是清晰正确的成熟理论，所得到的实验结果也是比较明确的，这导致不少学生只是机械地测量数据，并不去了解背后的理论知识，也不认真分析测量数据并思考实验现象得到结果。这种本末倒置的学习情况不利于培养学生的研究创新能力，反而误导学生对科学观念的正确认识。其次，很多院系只重视本专业的教学和建设，而轻视大学物理实验这样的公共课程，导致分配的学时量较少，很难满足基本的课程需求。在实际的实验教学中，很多学生在每学期开学的时间段，对大学物理实验课程兴趣浓厚、期望很高，不仅认真学习相关的理论知识点，而且认真地测量实验数据并分析实验现象。但是由于每个实验项目仅分配约三个学时，对于难度稍大的实验项目，学习理论知识、掌握仪器使用并完成数据测量所花费的时间大大超过三个学时，这样容易造成很多学生在课程后期学习敷衍甚至抄袭实验报告。由于每学期的学时较少，学生所学习的大学物理实验项目也较少，大都只能覆盖基础性实验，学生主要学习基本的实验测量方法，缺乏综合性和设计性实验的学习经历，难以激发探索和研究的积极性。

二、基于线上教学和虚拟仿真实验平台的课程设计

大学物理实验课程既注重理论知识的理解与运用，也注重实验数据的测量与分析，其课程内容深刻、知识点繁多、学习时间投入大，但目前很多高校分配的课时较少，师资力量和实验设备不足等因素都造成了该课程难以达到良好的教学效果［12］。为了克服这些困难营造更加丰富的实验学习氛围，在课程设计与实践中，大力推进在线教学和虚拟仿真实验平台在大学物理实验课程中的应用［13］，这样可以有效拓展学生的学习空间，特别是新冠疫情发生以后，这些新的教学形式体现了强大的教学优势。本文的课程设计依托学习通网络平台和虚拟仿真实验平台，借鉴BOPPPS教学理念及其在实验教学中的经验［14-15］，改革大学物理实验课程，并在日常教学中不断改进这样的教学模式，激发学生的学习热情，培养学生的综合能力和科学素养［16］。

为了便于结合线上课程的优势特点，本文的课程设计首先通过学习通网络教学平台建立大学物理实验在线课程，将课程的实验原理内容、仪器使用和数据测量通过在线視频的形式放在网络教学平台上。学习通网络平台按照课程分类，每个课程可以建立不同上课班级，每位选课的学生可以通过学习通账号在线观看所选课程的教学视频，这样的网络学习系统可以让学生摆脱空间和时间的限制，极大地拓展了学生的自主学习空间。为了加强在线教学效果，任课教师可以在学习通平台上实时提问，然后根据每位同学的回答情况评价他们的课堂学习，使平时成绩更加客观、合理。

在日常的实验教学中，任课教师经常发现即使要求学生在上课前写预习实验报告，学生在实验课堂中也难以顺利完成实验数据的测量，究其原因是实验教材只是文字或图片的静态表述，学生难以想象实验仪器实际的操作方法和实验过程。此外，实验仪器的更新速度较快，很多实验教材的编写较慢，所用仪器大都是很多年前的陈旧仪器，这也导致学生难以通过教材了解实验仪器。这些问题可以通过虚拟仿真实验平台很好地解决，学生通过登录软件平台学习模拟物理实验操作过程，这样可以提前熟悉实验仪器的基本操作方法和实验测量过程。此外，虚拟仿真平台还可以结合数据可视化技术让测量数据显示出更直观、科学的图示效果，让测量数据不再枯燥无味，这不仅激发了学生学习大学物理实验课程的兴趣，更提高了学生对实验的理解程度。

依托于在线网络教学平台和大学物理实验虚拟仿真平台，本课程设计不仅让学生乐于在课堂之外学习实验课程，而且提高了实验课堂中的教学效果，即使如分光计的调节与使用等这些难度较大的实验课程，很多学生也能较快地吸收设计原理并完成数据测量。在此基础上，本课程设计根据BOPPPS教学模式将每个实验项目的课程内容设置为六部分。在课程开始阶段，针对每个实验讲述一个科学史上的经典故事或者重要的科学问题作为导言部分，以此引起学生对这个实验的兴趣，了解人类在科学研究中解决问题所做出的努力和经历的艰难曲折，并潜移默化地感受历史人物所具有的高尚品质和伟大精神。紧接着，根据实验课程的总体内容总结出这个实验的目的并以此作为目标部分，让学生明确这个实验的任务和目的。在实验课程之前，教师可以通知学生按要求观看学习通在线网络平台上的视频和PPT教学内容，登录虚拟仿真平台完成虚拟实验操作内容，并且完成预习实验报告的写作，这作为参与式学习的一部分，让学生在自由的环境下独立学习和思考实验内容。在此情况下，教师可通过学习通布置少量问题，要求学生在预习实验报告中完成，通过这些前测内容可以了解学生对实验原理和测量的理解程度。在实验课程的实验测量部分，教师可以增加学生的实验时间分配，首先让学生在教师指导下完成基本的实验测量，对于学生在实验过程中遇到的问题，教师以引导和启发的方式让学生自己解决。完成基本测量后，教师可以要求学生自主进行实验测量并解决教师提出的问题，增加实验测量的自主性和研究性，这作为参与式学习的另一部分，着重培养学生的研究和创新能力。在这一阶段，课程设计的关键是针对每个实验内容提出的研究性问题应该同时具备一定的挑战性和易解决性，否则学生难以在有限的课堂教学时间内完成，这就达不到预期的培养目标。在实验课程最后阶段，由教师总结本实验的主要知识点和结论，并对学生的自主实验过程进行点评，学生通过这总结部分强化对实验课程整体内容的理解掌握。在实验课程结束后，学生在一定时间段内完成实验报告并交给任课教师批改，教师根据实验报告的写作和数据分析评价学生的实验成绩，学生通过这些后测部分加深对实验内容的理解。此外，教师通过学习通平台提供实验完成后的疑问解答，不仅有效延伸了后测部分，也提高了学生对实验课程的理解程度。

三、结语

高水平的大学物理实验课程能够让学生感受到物理实验的科学思想，能够让学生体验到思考问题解决问题带来的成就感，能在观察实验现象、分析测量数据中认识到自然科学的本质规律。网络技术和虚拟仿真平台的快速发展，以及实验教学仪器的不断更新，都为教育教学提供了更多更好的教学环境，然而上好大学物理实验课程的关键仍然体现在老师对每一个实验教学环节的精心设计，激发学生积极主动思考问题解决问题。本文的教学设计通过BOPPPS教学模式探索大学物理实验课程的教学设计，结合学习通网络在线平台和虚拟仿真实验平台，让课堂成为学生乐于学习、乐于思考、乐于探索的场所。

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