馬紅章 李書光 張令坦 張亞萍 劉素美 朱海豐 李 靜

（中國石油大學(xué)（華東） 理學(xué)院，山東 青島 266580）

在互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)快速發(fā)展的今天，大學(xué)生的學(xué)習(xí)需求、學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)風(fēng)格已經(jīng)發(fā)生了重大變化，這為高等教育的改革提供了新的動力和途徑［1-2］。實施創(chuàng)新教育是時代賦予高等教育的新使命，而大學(xué)物理實驗課程具有基礎(chǔ)性與探索性并存的特點，對啟發(fā)與培養(yǎng)創(chuàng)新能力具有重要作用［3-4］。在“互聯(lián)網(wǎng)+”應(yīng)用普及和創(chuàng)新教育背景下，如何建設(shè)線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源并保證其被高效利用，如何將網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)支撐的線上輔助教學(xué)與傳統(tǒng)實驗課堂有機融合等是大學(xué)物理實驗教學(xué)需要有效解決的重要問題。中國石油大學(xué)（華東）物理實驗中心（以下簡稱物理實驗中心）依托多個省部級以及校級教學(xué)改革項目，圍繞著層次化教學(xué)內(nèi)容、多元化教學(xué)方法與手段、網(wǎng)絡(luò)信息化考核與評價、信息化立體實驗室建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)管理與教學(xué)資源等方面進行了綜合改革與實踐，相關(guān)改革成果獲2018年度山東省教學(xué)改革成果一等獎。本文重點介紹以信息化立體實驗室建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)信息化教學(xué)管理與教學(xué)資源建設(shè)以及線上線下實驗教學(xué)有效融合措施為核心的大學(xué)物理實驗“O2O”教學(xué)研究與實踐的具體情況。

一、現(xiàn)狀分析與問題總結(jié)

大學(xué)物理實驗是大學(xué)生進入大學(xué)學(xué)習(xí)的第一門基礎(chǔ)實驗課程，它覆蓋面廣，包含豐富的實驗思想和方法，能提供很強的基本技能訓(xùn)練［5］。大學(xué)物理實驗課程的基礎(chǔ)性與探索性并存的特點為創(chuàng)新教育的實施提供了優(yōu)越條件，對培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和掌握科學(xué)的方法論具有奠基作用［6-9］。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)多數(shù)高校的大學(xué)物理實驗課程都存在如下問題：（1）大學(xué)物理實驗課程授課對象群體龐大，生師比過大，造成教學(xué)資源緊張，教師對學(xué)生的課前課后輔導(dǎo)缺失。（2）大學(xué)物理實驗課程學(xué)時短、學(xué)分低，學(xué)生對課程重視程度普遍不高，大部分學(xué)生實驗課前不預(yù)習(xí)，導(dǎo)致課堂教學(xué)效率低，教學(xué)互動差，實驗教學(xué)內(nèi)容得不到拓展，“翻轉(zhuǎn)課堂”、自主討論與探究式等教學(xué)過程無法實踐。（3）實驗室開放時間有限，儀器設(shè)備不充足造成教學(xué)內(nèi)容不夠豐富，反映現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展、實驗設(shè)計思想和培養(yǎng)創(chuàng)新能力的實驗項目不足等，使學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容、方式、時空受到限制。

隨著網(wǎng)絡(luò)時代的到來，利用網(wǎng)絡(luò)資源以及仿真實驗來輔助實驗課堂教學(xué)變得越來越重要。雖然目前國內(nèi)大多數(shù)高校投入了大量人力物力進行物理實驗課程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源的建設(shè)，在依托網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)實施物理實驗課程的線上輔助教學(xué)以提升線下教學(xué)效率等方面也有一定程度的研究與實踐，但往往由于信息化實驗教學(xué)平臺建設(shè)跟不上形勢發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)內(nèi)容與表現(xiàn)形式對學(xué)生吸引力不足；教學(xué)管理措施缺乏針對性等導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源利用率低；線上網(wǎng)絡(luò)資源教學(xué)輔助環(huán)節(jié)與線下實驗課堂銜接度不緊密，彼此間缺乏呼應(yīng)，沒有達到預(yù)期教學(xué)效果［10-12］。

二、信息化建設(shè)內(nèi)容

物理實驗中心以培養(yǎng)與提高學(xué)生的科學(xué)實驗素質(zhì)和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，以教改項目為依托，以平臺建設(shè)為支撐，建設(shè)完備的立體化實驗平臺以拓展學(xué)生學(xué)習(xí)空間，建設(shè)完善的信息化教學(xué)平臺保障線上教學(xué)輔助與線下實驗課堂形成有效互動與融合。

（一）立體化實驗平臺建設(shè)與完善

實驗教學(xué)的特點是動手操作，為保證教學(xué)體系的實施，教學(xué)研究團隊爭取建設(shè)經(jīng)費，通過購置、自制、內(nèi)部調(diào)整、企業(yè)共建等方式，建設(shè)了設(shè)施完備、技術(shù)先進、項目齊全、功能完善的“實體+虛擬仿真+遠程”立體化實驗室，實體實驗室、基于網(wǎng)絡(luò)的實體遠程控制實驗與虛擬實驗三者結(jié)合，可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，延伸和拓展了學(xué)習(xí)空間，實現(xiàn)實驗學(xué)習(xí)效果的最大化。

實體實驗在培養(yǎng)學(xué)生實驗技能如設(shè)備調(diào)試、故障排除、現(xiàn)象觀察等方面有著無可比擬的優(yōu)勢，通過實體實驗學(xué)生更深刻地體驗到科學(xué)實驗的復(fù)雜性和科學(xué)家在設(shè)計實驗中所面臨的挑戰(zhàn)，從而提高對基礎(chǔ)理論知識的認識。實體實驗主要包括基礎(chǔ)實驗室、綜合實驗室、專題研究實驗室、創(chuàng)新實驗室等。2012年以來，教學(xué)團隊完成了近400萬元的實驗室建設(shè)，重點完善綜合與專題研究實驗項目和創(chuàng)新實驗項目，保障了實驗項目的層次性與先進性。

虛擬實驗具有不受時空限制、不受極端環(huán)境限制、不受成本限制的特殊優(yōu)勢，填補了相當(dāng)一部分實體實驗的空白，拓展了學(xué)習(xí)內(nèi)容。虛擬實驗具有直觀性和良好的互動性，在培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力與創(chuàng)新能力方面也有著突出的作用。自2012年來，研究團隊自主研發(fā)了由“實驗基本儀器使用訓(xùn)練項目（6個）+綜合物理實驗（20個）+實驗虛擬場景漫游+VR虛擬現(xiàn)實物理實驗項目”，通過購置（中國科技大學(xué)物理仿真實驗）拓展了60多個大學(xué)物理仿真實驗項目和1個設(shè)計性電學(xué)虛擬仿真實驗平臺。學(xué)生可在虛擬實驗環(huán)境中自行設(shè)計實驗方案、擬定實驗參數(shù)、選擇和操作儀器，模擬真實的實驗過程，深化理解物理知識。

遠程控制實驗的建設(shè)實現(xiàn)了實驗室的全天開放，教學(xué)團隊自主開發(fā)建設(shè)了油品比熱容測量實驗、半導(dǎo)體PN結(jié)的物理特性研究實驗、電學(xué)元件伏安特性研究實驗、金屬逸出功測量實驗等多個遠程控制實驗項目，學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)對實驗儀器進行控制，測量過程畫面和數(shù)據(jù)可實時傳送到客戶端，整個實驗過程中呈現(xiàn)真實的實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)，真正意義上實現(xiàn)了實驗室的全天候開放模式。

（二）教學(xué)信息化建設(shè)與完善

線上學(xué)習(xí)和教學(xué)管理都需要豐富的網(wǎng)絡(luò)資源以及信息化與智能化的管理手段來支撐，為此教學(xué)團隊建設(shè)了功能完善、內(nèi)容豐富的物理實驗信息化平臺，平臺由實驗學(xué)習(xí)與教學(xué)管理兩大功能模塊組成。

網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源建設(shè)以學(xué)生為中心，實現(xiàn)學(xué)習(xí)之前有需求、學(xué)習(xí)之中有樂趣、學(xué)習(xí)之后有成就。物理實驗中心以物理實驗學(xué)習(xí)網(wǎng)站為依托，完成了具有課前預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)交流、線上實驗、拓展研究、評價考核等功能的網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)。建設(shè)完善了課程簡介、教學(xué)大綱、教學(xué)基本要求、上課須知、課程考核標(biāo)準(zhǔn)及其他各種教學(xué)管理資料，指導(dǎo)學(xué)生認識物理實驗課程的特點，使學(xué)生了解課程的學(xué)習(xí)要求。每個實驗項目配套學(xué)習(xí)資源以項目卡形式呈現(xiàn)，含實驗預(yù)習(xí)要求、實驗背景、實驗原理與實驗操作的教學(xué)微視頻、仿真實驗、實驗題庫、自我測試以及重要文獻與問題等欄目，各欄目下的學(xué)習(xí)資源以概覽表呈現(xiàn)并標(biāo)注鏈接地址與預(yù)習(xí)提示，概覽表保障學(xué)生能快速方便地定位學(xué)習(xí)內(nèi)容，避免在豐富龐雜的網(wǎng)絡(luò)資源里“迷航”。

教學(xué)管理資源需確實能搭建線上教學(xué)輔助與線下實驗課堂的橋梁，使實驗課前、課中、課后得到有效銜接，實現(xiàn)實驗預(yù)習(xí)有保障、實驗課堂高效率、課后探索大時空。自主研發(fā)的實驗教學(xué)管理系統(tǒng)具備日常教學(xué)管理、學(xué)生考核評價、教師教學(xué)評價等功能。日常教學(xué)管理功能包括實驗網(wǎng)絡(luò)預(yù)約、學(xué)生實驗成績管理、師生互動等功能；結(jié)合物理實驗考試系統(tǒng)和實驗試題庫，通過實驗課程基礎(chǔ)理論知識網(wǎng)上答題、虛擬實驗操作測試與綜合知識測試，實現(xiàn)課程的過程化考核；通過問卷形式實時開展網(wǎng)上教學(xué)評價與反饋，有助于教師及時掌握學(xué)習(xí)反饋，調(diào)整教學(xué)方法，對提高教師教學(xué)水平大有裨益。

O2O教學(xué)實現(xiàn)實質(zhì)性融合，依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的線上輔助教學(xué)可以延伸學(xué)生的學(xué)習(xí)時空、拓展學(xué)習(xí)內(nèi)容、提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性與實驗預(yù)習(xí)質(zhì)量，同時線下實踐教學(xué)要充分利用與學(xué)生直接面對面的有限機會，堅持“以人為本”，課堂教學(xué)采用引導(dǎo)、啟發(fā)、翻轉(zhuǎn)課堂等方式，加強師生之間的平等互動，讓學(xué)生自始至終主動參與其中，獲得最佳的學(xué)習(xí)效果。網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)需對學(xué)生有足夠的吸引力，同時教師要依托物理實驗學(xué)習(xí)在線答疑討論室，發(fā)布實驗知識儲備要求，及時有效地解答學(xué)生預(yù)習(xí)中遇到的問題，引導(dǎo)和幫助學(xué)生對實驗基礎(chǔ)理論知識從認識到認知，設(shè)置實驗的懸念，激發(fā)學(xué)生的求知欲；實驗課后依托網(wǎng)絡(luò)，再進一步解決課堂中出現(xiàn)問題的基礎(chǔ)上拓展內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，提出相關(guān)假設(shè)并借助虛擬實驗系統(tǒng)進行檢驗或到開放實驗室自主做相關(guān)實驗，培養(yǎng)學(xué)生的探索創(chuàng)新能力。

三、建設(shè)案例

物理實驗中心高度重視實驗預(yù)習(xí)，因為實驗預(yù)習(xí)的好壞直接決定了實驗課堂的教學(xué)方式與教學(xué)效率。依托網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源實施實驗課堂準(zhǔn)入原則，即要求學(xué)生必須通過預(yù)習(xí)測試方可允許進入實驗室學(xué)習(xí)，因此每個實驗項目配套的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源建設(shè)既要能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，又能客觀地定量評價預(yù)習(xí)效果。從學(xué)生學(xué)習(xí)體會角度，配套網(wǎng)絡(luò)資源需給學(xué)習(xí)者帶來預(yù)習(xí)之前有需求，預(yù)習(xí)之中有樂趣，預(yù)習(xí)之后有成就的學(xué)習(xí)體會。

以邁克爾遜實驗為例（見表1）進行具體實驗項目的配套線上教學(xué)資源建設(shè)以及課前課后銜接情況介紹。該項目所有學(xué)習(xí)資源內(nèi)容組織脈絡(luò)清晰，以項目卡形式呈現(xiàn)，方便學(xué)生進行定位、選擇和學(xué)習(xí)。

表1 邁克爾遜實驗的教學(xué)資源建設(shè)情況表

（續(xù)表1）

實驗預(yù)習(xí)是硬性要求，明確給出預(yù)習(xí)要求以及需要達到的最低要求，明確預(yù)習(xí)測試必須達標(biāo)。實驗背景內(nèi)容選擇上注重資源內(nèi)容要精致，對學(xué)生要有足夠的吸引力；實驗視頻分割為儀器介紹、光路調(diào)節(jié)操作以及實驗內(nèi)容操作，每個微視頻個體盡量控制在5分鐘內(nèi)能學(xué)習(xí)或者觀看完畢。預(yù)習(xí)測試要能公平合理地對預(yù)習(xí)效果做出定量評價，項目測試系統(tǒng)是以實驗試題庫為支撐的，每個實驗項目的實驗知識試題庫題量超過200道，預(yù)習(xí)測試要求完成20道隨機題（重復(fù)測試時題目不同）以及仿真操作，系統(tǒng)自動評定預(yù)習(xí)成績。實驗預(yù)習(xí)測試成績自動上傳至實驗成績管理系統(tǒng)，教師課前可從預(yù)習(xí)數(shù)據(jù)上掌握學(xué)生實驗預(yù)習(xí)情況，對教師調(diào)整教學(xué)進度與教學(xué)方法提供參考。課堂教學(xué)設(shè)計需體現(xiàn)以學(xué)生自主學(xué)習(xí)和討論為中心，在完成教材實驗內(nèi)容訓(xùn)練的過程中，圍繞項目卡8和9中的關(guān)鍵問題以及實驗課堂上的學(xué)生共性問題開展以教師參與引導(dǎo)的學(xué)習(xí)討論。布置課后需要思考的實驗拓展性問題，課后對學(xué)生自主探索成果給予及時的指導(dǎo)與肯定，同時學(xué)生的自由創(chuàng)新探索在課程考核的課程論文環(huán)節(jié)中可得到體現(xiàn)。

四、建設(shè)效果

O2O教學(xué)模式已在我校物理實驗課程中全面推廣實施，每年涵蓋45個專業(yè)，受益學(xué)生4 000多人，相關(guān)成果在與省內(nèi)外高校進行廣泛的交流中得到同行專家的充分肯定。

（一）學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和課堂教學(xué)效率明顯提升

改革成果的實施，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，提高了學(xué)習(xí)的主動性和積極性。由于實驗預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的加強和實驗準(zhǔn)入原則的執(zhí)行，課堂教學(xué)效率得到明顯提升，學(xué)生對實驗問題的討論更加深刻，實驗內(nèi)容完成數(shù)量與質(zhì)量得到顯著提高，改革前實驗選做內(nèi)容與實驗拓展教學(xué)在工科大面積教學(xué)中無法開展，改革后這部分教學(xué)內(nèi)容完成率已超過60%。

（二）創(chuàng)新能力培養(yǎng)效果明顯

通過物理實驗課程學(xué)習(xí)，學(xué)生的創(chuàng)新能力得到提升，學(xué)生創(chuàng)新成果數(shù)量逐年攀升。在2012—2019年間，物理實驗中心教學(xué)團隊（不包括兼職教師）指導(dǎo)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目90多項，其中國家級項目30多項，指導(dǎo)本科生獲得包括全國“挑戰(zhàn)杯”大賽在內(nèi)的各類國家級、省級大賽獲獎30多項，指導(dǎo)本科生以第一作者發(fā)表研究論文40多篇，授權(quán)專利10多項。這些成果中，超過30%的選題是來自學(xué)生通過對實驗項目討論并深入探究后取得的，體現(xiàn)出學(xué)生在自主性創(chuàng)新能力方面得到了提高。

（三）示范輻射作用效果明顯，社會聲譽得到提升

物理實驗中心作為先進集體在《中國石油大學(xué)報》給予了全面報道，在校內(nèi)外產(chǎn)生了廣泛影響。實驗中心每年有多人次參加全國物理類教學(xué)會議交流經(jīng)驗，在國內(nèi)產(chǎn)生了較大的影響和輻射作用。中國海洋大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）、中國石油大學(xué)（北京）和中國礦業(yè)大學(xué)（徐州）等省內(nèi)外多所高校先后來我校參觀，交流大學(xué)物理實驗教學(xué)改革經(jīng)驗，改革成果得到同行廣泛認同。