工科大学物理数字化与智能化教学方式探索与方法革新

赵文垒 可汗 韩超

摘要：数字化和智能化信息技术的快速发展，对工科大学物理课程传统教学方式带来颠覆性的影响。本文探讨在工科大学物理公共课中引入数字化和智能化信息技术，具体包括：设计多样化的在线课程；构建有效的虚拟实验环境；实现智能化学习系统；设计可量化的个性化评估方案。数字化和智能化教学方式消除了传统教学方法对地域和时间的限制，使更多的学生获得高质量的物理教学资源。这有助于普及大学物理知识，减少了不同地区之间的教学差距，为广大学生提供了学习机会。

关键词：工科大学物理；数字化；信息化

一、概述

随着数字化和智能化信息技术的快速发展，社会生活和职业环境发生了深刻变革。互联网、移动设备和人工智能等新兴技术对高等教育课堂教学模式提出了全新的要求和挑战。高等教育界也面临着技术创新和教育理念更新的历史机遇［12］。在此背景下，我国政府制定了一系列有利于高等教育数字化和智能化转型的政策措施。尤其是2022年1月发布的《“十四五”数字经济发展规划》，其中明确提出了推进智能教育发展的战略目标。此外，全国教育工作会议也制订了国家教育数字化战略行动计划，进一步彰显了数字化和智能化在推动教育改革与发展中的核心地位。

互联网和移动设备的普及引发了学生学习方式和习惯的变革［3］。传统的大学物理公共课教学模式主要依赖于课堂讲授和教材阅读，学生被动地接受知识，缺少与知识互动和实践的环境，从而影响了学生对物理知识的深层理解。抽象概念的难度使得学生容易失去学习兴趣，也使得教师面临着传统教学方法的局限性，难以适应不同学生的个性化需求，难以促进学生的主动参与和独立思考。与此同时，数字化和智能化信息技术的快速发展对教育产生了深远影响。虚拟现实、人工智能［4］和在线教育［56］等新型工具和平台为传统的课堂教学提供了新的可能性和挑战。在这一教育方式变革浪潮中，工科大学物理公共课也面临着教学方式和方法的创新需求。

工科大学物理是高等教育体系中重要的基础课程之一，既能够提升学生的科学素养，又为培养创新能力和科学思维奠定基础。然而，传统的物理教育方式和方法已很难适应现代学生的需求。物理课程中抽象概念和复杂公式使得学生难以理解并逐渐失去兴趣，而传统课堂中单向式的知识传授也难以满足不同学生的个性化需求，难以激发他们主动参与和独立思考的积极性。相比之下，数字化［7］和智能化技术为大学物理公共课教育带来了新的机遇和挑战，它们不仅开拓了教学方式和方法的新领域，还为提升教育质量、扩大教育覆盖、培养创新人才提供了新途径［8］。基于此，本文将重点探讨工科大学物理公共课如何进行数字化和智能化的教学方式与方法的改革与创新［911］。我们的主要方案是：（1）设计多样化的在线课程；（2）构建有效的虚拟实验环境；（3）实现智能化学习支持；（4）可量化的个性化评估方法设计。我们的目的是增强学生的学习效果，以期培养具有创新思维的科学人才。本文的探索为未来工科大学物理公共课的教学方法的发展提供了有益的借鉴和参考［12］。

二、数字化、智能化条件下教学方式方法

（一）设计多样化的在线课程

我们按照传统教学习惯，把工科大学物理分成力学、热学、电磁学和光学四个模块。每个模块涉及多个教学主题，在每个主题中涵盖丰富的知识点。我们针对每个知识点设计视频讲解、图文资料、习题练习，同时尽可能地插入实验演示视频。此外，我们采用混合式教学法，结合同步和异步的在线教学方式。同步教学主要通过网络直播平台进行，教师可以实时与学生互动、解答问题、进行讨论和测试。异步教学主要通过网络教学平台进行，教师可以上传视频、资料、习题和實验等内容，供学生自主学习和复习。同时，教师还可以通过网络教学平台发布作业、评价和反馈、跟踪学生的学习进度和效果。

以光波干涉现象为例，我们分析了知识特点，对课程采用了多样化教学设计，包括以下几种教学方式：（1）视频讲解。运用动画、图解、公式等手段，阐述了干涉现象的原理和规律。（2）图文资料。提供相关的背景知识、历史发展、实际应用等信息，拓展了学生的视野，激发学习兴趣。（3）习题练习。设计了不同难度和类型的习题，包括选择题、填空题、计算题、简答题等，检验了学生对干涉现象的理解和运用。（4）实验演示。利用简单的器材，如激光笔、双缝片、镜子、肥皂泡等，展示了不同条件下的干涉现象，并让学生观察并记录实验结果。

本课程旨在让学生掌握大学物理的基本概念、原理和方法，培养学生的物理思维和创新能力，激发学生对物理学的兴趣和热情。在数字化背景下，本课程采用多样化的在线教学活动，适应不同学习风格和层次的学生，提高课程内容的吸引力和互动性，促进学生灵活运用所学知识解决实际问题。我们采用多元化的评价方式，包括过程评价和终结性评价。过程评价通过同步教学中的测试、讨论和互动，以及异步教学中的习题、作业和实验等方式进行，及时检测和反馈学生的学习情况，帮助学生发现和改进不足。终结性评价通过期中考试和期末考试进行，综合考核学生对大学物理的掌握程度和应用能力。

（二）构建有效的虚拟实验环境

虚拟实验不需要大量昂贵的实验设备和耗材，有助于降低学习成本，为复杂的和高成本的物理实验提供了一个高效的学习平台。该仿真平台消除了传统大学物理实验的时间和空间限制，可以让学生在灵活的时间和地点访问虚拟实验室，并在仿真环境中获得高质量的实验体验，增加了学习的灵活性。此外，虚拟实验环境可以根据学生对学术的专业性和学科的不同需求进行量身定制，为他们提供个性化的学习体验。这样，学生可以根据自己的兴趣探索实验，并轻松共享虚拟实验资源。这种资源的可复制性有助于提高教学资源的利用率，让更多学生和教师受益。

虚拟仿真环境需确保实验结果的准确性和教学效果的有效性，因此，构建有效、逼真虚拟实验环境是核心问题。为了实现这个目标，我们采取以下方案：（1）软硬件设备。我们采用高性能的计算机，保障运行复杂的虚拟实验软件和模拟实验中的各种物理现象。（2）实验过程指导。我们在虚拟实验环境中应提供详细的实验指导，包括实验原理、目标、步骤、所需仪器和材料清单以及注意事项。（3）评估与反馈。我们提供有效的评估机制，包括测验、报告和实验结果分析等。通过高质量评估策略及时纠正错误、改进学生的技能，让他们更好地理解物理原理，鼓励学生深入思考和探索。

（三）实现智能化学习系统

智能化学习系统可以根据学生的基础层次和学习风格提供个性化的建议和资源，有助于满足不同学生的需求，提供更具针对性的学习体验。智能系统还可以提供即时反馈，帮助学生了解他们的学习进展，并根据平时测试表现调整学习策略，有助于纠正错误，提高学习效率。此外，智能系统可以收集和分析学生的学习数据，识别学生的弱点和优势。基于此，提前干预学习方案，以确保学生顺利完成课程学习。数字化和智能化科技为学生提供了多样化的学习资源，包括交互式教材和视频等。通过数字化平台，学生可以访问来自世界各地的教育资源和课程，从而拓宽他们的学术视野，提升国际化能力。

我们借助智能化技术，为学生提供个性化的学习方案，以满足不同学生的学习需求，增强学习效果，具体实施方案包括以下几个方面：（1）利用人工智能技术，如机器学习和自然语言处理，开发智能学习系统。这些系统可以根据学生的学习进度和能力，提供个性化的学习资源和建议。（2）利用大数据分析技术深入了解学生的学习情况，并为教师提供有效反馈。这种数据驱动的反馈机制可以帮助教师对学生进行个性化指导，并增强课堂教学的效果。（3）开发智能诊断工具，根据学生的测试成绩和作业完成情况，快速诊断出他们在哪些方面存在困难，并为教师提供相应的教学建议。这有助于教师更及时地应对学生的学习需求，为学生提供更好的学习体验和更好的学习成果。

（四）设计可量化的个性化评估方案

为了更好地增强教学效果、满足学生的个性化需求、激发学生学习兴趣，我们构建一种可量化的个性化评估方案，旨在更全面地评估学生的学习表现和要求，精细调整和优化教学方式和方法。本研究提出了以下评估方法：（1）通过智能化测试为学生量身定制测验内容，根据其知识水平和学习进度智能地调整题目难度，以确保测验的精确性和适切性。（2）采用问卷调查和学习日志分析的方法了解学生的学习偏好和兴趣领域，为学生提供个性化的教学资源，从而更好地满足他们的需求。（3）针对教学方式和方法的改革创新，我们采用虚拟平台为学生制定个性化的教材内容，以满足他们的特定需求。通过数字化技术，提供虚拟实验和模拟活动，促进学生的实践能力培养和深度理解的提升。

设计可量化的个性化评估方案具有极其重要的作用，其重要性体现在以下几个方面。在信息时代，数据的重要性不言而喻。量化评估为学校和教师提供了的重要信息，有助于更好地配置资源和优化教学方法。可量化的评估方案允许教师客观地衡量学生的学习进度，为教学提供了科学依据，有助于准确识别学生的强项和需改进之处。个性化的评估方案能够帮助教师了解每个学生的学习习惯、兴趣和需求，为他们提供针对性的支持和指导，进而提高每个学生的学习效率，减小差距。总之，设计可量化的个性化评估方案在教学中具有不可或缺的重要性。它为教育提供了数据支持，有助于提高教育质量、促进学生个性化发展，同时也对教学方法的制定和改进起到促进作用，推动教育的不断进步。

三、结论和展望

本文针对工科大学物理数字化和智能化教学方法探索问题提出若干解决方案，为学生提供个性化的学习平台，期望满足学生的不同需求。

通过数字化教学方式可以提高学生的学习兴趣和参与度，进而提高教学效果和质量。数字化和智能化的教学方法也为教师提供了教学设计和评估教学效果的工具，帮助教师更好地定制教学内容，监控学生学习进展，并根据学生的反馈数据调整教学策略。这种方式可以提升教师的教学辅助功能，让教师能够更好地为学生提供帮助。此外，数字化和智能化的教学方式打破了传统教学方法的时间和地域限制，实现远程教学和在线学习。这种方式拓展了教学的范围，让更多的学生受益于高质量的教育资源。它有助于减少资源分配的不均衡，为偏远地区学生提供优质学习机会，增加教育的受益面。总之，数字化和智能化的教学方法改革，为现代工科大学物理教学提供了一种新的有效方法，从而满足不同学生的需求，提高教学质量，并缩小教育差距。

本文的教学方法改革具有较大必要性，首先，它能够提高教育的质量和效率，满足不同学生的学习需求，促进自主学习和创新思维的培养。其次，面对信息时代的挑战，采用新兴技术和教育方法可以更好地培养学生的信息素養和数字化能力，增强他们在未来社会的竞争力。最重要的是，这种教改还能够提高思政教育的效果。思政教育是培养学生综合素质和思想道德品质的重要任务。教学方法改革为思政教育提供了更广阔的发展空间。通过多样化的在线课程设计，可以更好地传达思政教育的核心价值观，激发学生的爱国精神和责任感。我们通过构建虚拟教学环境可以培养学生的批判性思维和解决问题的能力。智能化学习系统和个性化评估方案则可以根据学生的思政教育目标提供个性化的支持和反馈，帮助他们更好地理解和践行思政教育的理念。

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基金项目：本研究论文受到国家自然科学基金（12065009、12365002）和江西省自然科学基金（20224ACB201006、20224BAB201023）的资助

*通讯作者：赵文垒（1981—），男，汉族，山东济宁人，副教授，研究方向：理论物理。

作者简介：韩超（2000—），男，汉族，内蒙古包头人，硕士研究生，研究方向：电子科学与技术；可汗（1999—），男，汉族，湖北黄冈人，硕士研究生，研究方向：电子信息。