唐艷妮,李雪琴,趙云芳,劉 芯,何楚洹

(火箭軍工程大學(xué) 基礎(chǔ)部，陜西 西安 710025)

為深入貫徹落實習(xí)近平總書記關(guān)于堅決打贏疫情防控阻擊戰(zhàn)的重要指示精神，針對新冠肺炎疫情對高校正常開學(xué)和課堂教學(xué)造成的影響，教育部發(fā)布了《關(guān)于在疫情防控期間做好普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見》，要求各高校應(yīng)充分利用優(yōu)質(zhì)在線課程教學(xué)資源，依托各級各類在線課程平臺、校內(nèi)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間等，積極開展線上授課和線上學(xué)習(xí)等在線教學(xué)活動，保證疫情防控期間教學(xué)進度和教學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)“停課不停教、停課不停學(xué)”[1]. 大學(xué)物理實驗課程作為一門實踐課，該如何開展線上教學(xué)，引發(fā)了全國高校物理實驗教師的探討[2]. 我校物理實驗中心結(jié)合大學(xué)物理實驗自身特點以及本校教學(xué)進度制定了疫情期間的居家實驗方案，具體方案為“慕課資源+仿真實驗+設(shè)計研究+趣味演示”，基本原則是盡可能按照原有的教學(xué)大綱進行教學(xué)安排，保質(zhì)保量地完成實驗教學(xué)目標(biāo).

1 居家實驗教學(xué)方案的制定背景

1.1 主觀條件

我校大學(xué)物理實驗課程安排在第3～4學(xué)期，第3學(xué)期，主要安排緒論、基礎(chǔ)性實驗和部分綜合性實驗，第4學(xué)期主要安排綜合性實驗和設(shè)計性研究性實驗. 在2019年秋季學(xué)期開設(shè)的基礎(chǔ)性實驗和綜合性實驗中，基本涵蓋了力、熱、聲、光、電等經(jīng)典實驗項目，通過1學(xué)期的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了基本的實驗技能、實驗方法、實驗設(shè)計思路、實驗結(jié)果的分析和處理以及部分數(shù)據(jù)分析軟件的使用. 同時大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)等通識課程均已開設(shè)，學(xué)生有一定的理論基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)功底. 這些都為居家大學(xué)物理實驗方案順利實施奠定了基礎(chǔ). 2020年春季學(xué)期的大學(xué)物理實驗教學(xué)方案的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、動手實踐能力和探索創(chuàng)新精神.

1.2 客觀條件

居家實驗教學(xué)方案整體內(nèi)容為：慕課資源+仿真實驗+設(shè)計研究+趣味演示. 此方案根據(jù)豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源、虛擬仿真實驗平臺以及便捷多樣智能手機傳感器等因素制定. 這些因素為居家物理實驗線上教學(xué)提供了有利的客觀條件.

1.2.1 慕課資源

目前網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺眾多，網(wǎng)上慕課資源豐富，在“愛課程”、“中國大學(xué)MOOC”、“學(xué)堂在線”等平臺均有成熟的大學(xué)物理實驗在線課程.

1.2.2 仿真實驗

在疫情期間，安徽科大奧銳科技有限公司積極響應(yīng)教育部號召，推出“校企同心、全力戰(zhàn)疫、停課不停教、停課不停學(xué)”公益助力高校線上實驗教學(xué)活動，全力配合高校開展在線實驗課程教學(xué)并提供技術(shù)支持與保障. 我校近幾年開設(shè)虛擬仿真實驗，學(xué)生和教師對實驗平臺的使用都有基礎(chǔ). 1.2.3 動手做實驗

做實驗的關(guān)鍵是實驗裝置和測量工具，目前的智能手機中配置有大量的傳感器，如：加速度、壓力、時間、磁力計、光強、GPS、陀螺儀等傳感器，利用這些傳感器可以實現(xiàn)力、熱、電、光等實驗數(shù)據(jù)的測量. 手機應(yīng)用軟件如Phyphox、音頻頻譜分析儀、聲音發(fā)生器等也可實現(xiàn)利用傳感器進行數(shù)據(jù)的測量與分析. 因此，利用手機即可完成系列自主設(shè)計實驗，如用單擺測重力加速度，用空氣柱駐波法測量聲速，等等，也可以利用手機的攝像功能和視頻圖像處理軟件分析處理實驗數(shù)據(jù).

2 居家實驗教學(xué)方案的實施過程

根據(jù)學(xué)生的認知特點，采用先虛后實、先理論模擬再動手實踐的思路，居家實驗教學(xué)方案的實施分2個階段：第一階段“慕課資源+仿真實驗”，第二階段“設(shè)計研究+趣味演示”.

2.1 第一階段：慕課資源，自學(xué)實驗理論；仿真實驗，熟悉實驗過程

通過上學(xué)期的物理實驗學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了基本的實驗方法和技能,具備自學(xué)物理實驗理論的基礎(chǔ)和能力. 在開課前，實驗中心組織教師對“愛課程”、“學(xué)堂在線”、“中國大學(xué)MOOC”等平臺的網(wǎng)絡(luò)課程先考察學(xué)習(xí)，選取適合我校教學(xué)大綱要求和學(xué)生基礎(chǔ)的優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)課程. 經(jīng)過教師試聽試學(xué)，以“愛課程”平臺的“國防科技大學(xué)的大學(xué)物理實驗國家精品課”為主，以其他在線課程為輔，既達到我校教學(xué)大綱要求，又使學(xué)生有更多的選擇，滿足個性化學(xué)習(xí)需求. 學(xué)生根據(jù)教師的要求在一定時間內(nèi)學(xué)習(xí)相關(guān)實驗的教學(xué)視頻，了解實驗背景，掌握實驗原理，熟悉實驗儀器.

學(xué)生在掌握實驗理論的基礎(chǔ)上，在線進行仿真實驗操作，練習(xí)實驗臺搭建、調(diào)試、測試和數(shù)據(jù)處理，模擬實驗操作全過程. 考慮到使用實驗軟件人數(shù)多，網(wǎng)絡(luò)易擁堵，安排學(xué)生分時段練習(xí).

作為新型共享資源和新型的教學(xué)模式，慕課實現(xiàn)了教育資源的最優(yōu)化配置，并在實踐中取得了較好的成果[3-4]. 慕課模式也存在問題，如學(xué)生在自主學(xué)習(xí)中缺乏自覺性[5-6]，且線上教學(xué)，師生空間分離. 為了督促學(xué)生學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生了解知識掌握程度，及時查漏補缺，測試環(huán)節(jié)必不可少.

為了檢驗學(xué)生實驗理論及仿真操作的學(xué)習(xí)效果，教學(xué)組依托仿真實驗軟件提供的預(yù)習(xí)考核功能，教師根據(jù)重難點，提前設(shè)計每個實驗的測試卷，包括客觀題和操作題，客觀題檢驗學(xué)生的實驗理論學(xué)習(xí)效果，操作題檢驗學(xué)生實驗操作規(guī)范性. 通過有學(xué)有考的方式，不僅能夠督促學(xué)生認真學(xué)習(xí)，而且利用軟件的數(shù)據(jù)統(tǒng)計優(yōu)勢，可以即時得出成績統(tǒng)計分布圖，為線下教學(xué)輔導(dǎo)提供參考依據(jù).

2.2 第二階段：設(shè)計研究，落實學(xué)思踐行；趣味演示，激發(fā)實驗熱情

學(xué)生通過慕課資源學(xué)習(xí)，加深了對實驗原理和物理知識的理解掌握，通過仿真實驗熟悉了實驗內(nèi)容及操作過程，但作為實驗課，最主要的任務(wù)還是要培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力和解決實際問題的能力. 基于此，在教學(xué)計劃中安排了設(shè)計性研究性實驗內(nèi)容，讓居家物理實驗課不僅要“動動腦”，還要“動動手”.

我校物理實驗中心組織教師編寫設(shè)計性研究性實驗項目資源庫. 每個實驗項目只提供大的研究方向，每個研究方向下按照基礎(chǔ)、提升到進階和選做，逐步提高難度，分階段設(shè)置研究問題，引導(dǎo)學(xué)生研究. 通過設(shè)置分層次實驗項目資源庫，既能避免學(xué)生初次做設(shè)計性研究性選題的迷茫，又讓學(xué)生有自主研究空間；既能保證基礎(chǔ)薄弱學(xué)生可以完成基本的學(xué)習(xí)任務(wù)，又能讓有能力的學(xué)生有挑戰(zhàn)性. 在實驗項目選題中，更鼓勵學(xué)生自擬題目，如通過變通測量物理量、測量方法、測量儀器等方式設(shè)計新的研究內(nèi)容，建議參加2020年CUPT競賽的學(xué)生把競賽題目作為設(shè)計性研究性實驗選題，深入研究.

學(xué)生根據(jù)選擇的實驗項目，利用日常生活中的常見材料和手機傳感器軟件，自主設(shè)計搭建實驗裝置. 通過親自設(shè)計實驗，使學(xué)生從單純的操作者變成設(shè)計者，這一角色的轉(zhuǎn)變，使學(xué)生嘗試了實驗從設(shè)計、實施、取得結(jié)果到撰寫論文的全過程. 通過課題研究模式培養(yǎng)學(xué)生基本的科研素養(yǎng)和科研習(xí)慣. 既讓學(xué)生解脫電腦屏幕的束縛，又鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維；既有挑戰(zhàn)，又有成就感.

考慮到學(xué)生封閉在家，長時間面對電子設(shè)備學(xué)習(xí)，情緒容易煩躁，繁重的學(xué)習(xí)任務(wù)也會給學(xué)生心理上增加負擔(dān)，在第二階段的教學(xué)計劃中還安排了趣味演示實驗. 教師在微信群中發(fā)居家趣味演示，鼓勵學(xué)生“秀一秀”，通過“搓鍋接力”，觀察在實驗室中用演示儀器魚洗才能看到的平面駐波現(xiàn)象，如圖1所示. 通過“水中漂比賽”，觀察水的表面張力，如圖2所示. 通過“玩”的方式，寓學(xué)于樂，既活躍了學(xué)習(xí)氛圍，拉近了師生之間的關(guān)系，又激發(fā)了學(xué)生對物理實驗的學(xué)習(xí)熱情，豐富了疫情期間的教學(xué)內(nèi)容和形式.

圖1 平面駐波演示

圖2 表面張力演示

2.3 授課方式及互動交流

大學(xué)物理實驗線上教學(xué)采用直播加輔導(dǎo)的授課方式，通過直播課介紹實驗任務(wù)、實驗要求及實驗方案舉例. 通過微信群組與學(xué)生互動交流，推送演示視頻、軟件使用說明、參考文獻等材料供學(xué)生參考，鼓勵學(xué)生小組討論，相互借鑒，通過思維碰撞，促進對知識的理解. 學(xué)生利用碎片化時間做實驗，時間分配靈活自由. 針對共性問題，教師通過語音、書寫拍照、短視頻、實物演示等方式輔導(dǎo)答疑，通過靈活多變的形式，使線上教學(xué)不枯燥，聲音和圖像實時傳遞，師生互動性更強.

3 居家實驗教學(xué)方案實施中應(yīng)注意的問題

3.1 讓學(xué)生明確階段性學(xué)習(xí)目標(biāo)

學(xué)生在寬松舒適的環(huán)境中學(xué)習(xí)，會有很多干擾因素，沒有督促，容易產(chǎn)生惰性. 因此在居家實驗教學(xué)中要讓學(xué)生明確每個階段的學(xué)習(xí)目標(biāo)，如在第一階段的自學(xué)慕課、虛擬仿真實驗教學(xué)中，要求學(xué)生1個星期完成1個實驗項目，教師設(shè)置預(yù)習(xí)考核試卷，在線考核，考核成績計入平時成績，實現(xiàn)全過程考核. 在第二階段的設(shè)計性研究性實驗，由于時間周期長，采用組長負責(zé)制. 學(xué)生每星期向組長匯報實驗進展情況及存在問題，組長向教師匯報，教師及時了解整體實驗進展情況.

3.2 以學(xué)生為中心，急人之所急，需人之所需

為有效開展線上教學(xué)，實驗中心多次征求學(xué)生意見，問卷調(diào)查了解學(xué)情，不斷改進教學(xué)計劃. 如在問卷中，“你希望怎樣進行設(shè)計性研究性實驗教學(xué)”的問題，結(jié)果見圖3. 大多數(shù)學(xué)生具有獨立探索研究的欲望，對于這些學(xué)生，教師要“散養(yǎng)”，給他們足夠的探索空間. 還有部分學(xué)生希望教師設(shè)定目標(biāo)和關(guān)卡，自己進行“闖關(guān)”式學(xué)習(xí)研究，對于這些學(xué)生，教師要做好向?qū)?，預(yù)設(shè)問題.

圖3 學(xué)習(xí)方式喜好調(diào)研結(jié)果

為了解學(xué)生在實驗過程中的困難，有針對性輔導(dǎo)，設(shè)置問題“關(guān)于設(shè)計性研究性物理實驗，你希望得到哪方面的指導(dǎo)?” 結(jié)果反饋見圖4，學(xué)生主要在實驗選題、數(shù)據(jù)處理軟件使用和論文書寫方面存在困惑. 針對學(xué)生的問題，實驗中心教師查找資料，及時補充實驗項目資源庫. 對居家實驗中涉及比較多的軟件，如手機傳感器Phyphox、視頻追蹤分析軟件Tracker、數(shù)據(jù)處理軟件Origin等，為學(xué)生推送軟件安裝包、使用說明視頻資料. 以參考論文為例向?qū)W生講解論文的一般要素、書寫重點、圖表比例分布等.

圖4 資源需求調(diào)研結(jié)果

在實驗周期設(shè)置上，最初計劃14天完成1個設(shè)計性研究性實驗，但通過溝通調(diào)研，學(xué)生理論課程滿，學(xué)習(xí)壓力大，為緩解壓力，保證實驗質(zhì)量，實驗周期做了適當(dāng)延長.

4 居家實驗教學(xué)的啟發(fā)與思考

停課不停學(xué)既是應(yīng)對疫情，實現(xiàn)“不停教、不停學(xué)”的重要舉措，也是對我國“互聯(lián)網(wǎng)+教育”教學(xué)應(yīng)用能力和應(yīng)用成果的全面檢閱，更是全社會開展教學(xué)信息化協(xié)同創(chuàng)新的一次契機.

4.1 促進大學(xué)物理實驗混合式教學(xué)改革

當(dāng)前教育資源不斷更迭，線上教學(xué)工具不斷更新，促使混合式教學(xué)迅速發(fā)展. 混合式教學(xué)可以把傳統(tǒng)教學(xué)方式的優(yōu)勢和網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)的優(yōu)勢結(jié)合起來，既發(fā)揮教師引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)過程的主導(dǎo)作用，又充分體現(xiàn)學(xué)生作為學(xué)習(xí)過程主體的主動性、積極性與創(chuàng)造性[7-8]. 通過此次線上教學(xué)，把教學(xué)資源(如慕課資源)、校際共享以及新型教學(xué)手段(如虛擬仿真、智慧課堂、雨課堂等)，與實踐教學(xué)結(jié)合起來. 通過此次探索可以為后期的物理實驗教學(xué)改革提供方向.

4.2 大學(xué)物理實驗翻轉(zhuǎn)課堂從理念到實踐的深入

翻轉(zhuǎn)課堂是信息技術(shù)支撐下的當(dāng)代世界課堂教學(xué)形態(tài)的典范之作，它為教與學(xué)的發(fā)展提供了新的思路[9-10]. 翻轉(zhuǎn)課堂致力于整合教育資源、轉(zhuǎn)變教學(xué)方式、提高教學(xué)效率[11-13]. 在“慕課資源+仿真實驗+設(shè)計研究+趣味演示”教學(xué)模式中，教師不再按傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗教學(xué)模式，學(xué)生課前依據(jù)實驗教材寫預(yù)習(xí)報告，課上教師講解示范，學(xué)生重復(fù)實驗、測量數(shù)據(jù)、驗證現(xiàn)象及處理結(jié)果. 而是充分體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，教師的主導(dǎo)作用，教師在課前把更多的資源推薦給學(xué)生，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)問題，教師有針對性地解決問題. 這個教學(xué)過程正是翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)理念的體現(xiàn). 但由于是在特殊時期，沒有結(jié)合課堂教學(xué)，如果要在后期的教學(xué)中繼續(xù)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，還需要不斷總結(jié)現(xiàn)有經(jīng)驗，深入實踐.

4.3 自主設(shè)計研究思想從短期到常態(tài)的發(fā)展

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，社會迫切需要創(chuàng)新型人才，大學(xué)物理實驗作為工科院校的基礎(chǔ)實驗課程，如何能夠通過增強綜合性和實踐性培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，也是迫切需要解決的問題. 在宅家教學(xué)實踐中，學(xué)生能夠根據(jù)教師的問題導(dǎo)向進行自主研究，在研究中嘗到了在實驗室不曾有的失敗和挫折，也因為自己的創(chuàng)意設(shè)計更有成就感. 通過獨立完成設(shè)計、安裝、測量整個過程，更能鍛煉學(xué)生抗挫能力和探索精神. 這種教學(xué)方式也可以考慮推廣到日常教學(xué)中，教師在實驗教學(xué)設(shè)計中借鑒設(shè)計性研究性實驗的教學(xué)形式，以問題牽引為線，鼓勵學(xué)生發(fā)散思維，從每個基礎(chǔ)實驗項目逐步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識.

5 結(jié)束語

在此次特殊背景下，根據(jù)先虛后實、先理論模擬再動手實踐的思路，設(shè)計了“慕課資源+仿真實驗+設(shè)計研究+趣味演示”的教學(xué)模式，在此模式下的教學(xué)形式、教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)了線上線下混合、先學(xué)后教翻轉(zhuǎn)、設(shè)計研究創(chuàng)新等實驗教學(xué)改革的重要方向[14-15]. 通過線上教學(xué)，既是對前期教學(xué)資源建設(shè)的檢驗、教學(xué)理論研究的實踐，也是積累經(jīng)驗的過程. 作為特殊時期的線上實驗教學(xué)，有很多經(jīng)驗值得后期的實驗教學(xué)借鑒，但也存在特殊性，需要教師在后期的教學(xué)中不斷梳理存在的問題，總結(jié)方法經(jīng)驗，進一步完善.