歐陽建明 彭 剛 鄭浩斌 羅 劍

劉振祥 沈 志 楊衛(wèi)新 段孟常

1 引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)今社會對高校學(xué)生綜合實踐能力、創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)提出了越來越高的要求.實驗教學(xué)是高等教學(xué)實踐體系中基礎(chǔ)實踐層次的核心[1]，物理實驗教學(xué)是高等學(xué)校實驗教學(xué)的重要組成部分.通過物理實驗的學(xué)習(xí)與實踐，學(xué)生可以鞏固所學(xué)物理知識，掌握基本實驗方法，鍛煉基本物理實驗技能，掌握基本物理量的測量以及基本儀器的使用，熟練使用基本數(shù)據(jù)處理方法，為其他實踐課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ).在掌握知識的同時，通過實驗可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的學(xué)習(xí)態(tài)度，提高學(xué)生觀察及分析問題的能力、合作及與人共事的能力、自主學(xué)習(xí)的能力，掌握研究性學(xué)習(xí)的方法[1].

學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)離不開物理實驗教學(xué)平臺的建設(shè)，構(gòu)建新的物理實驗教學(xué)平臺是物理實驗教育教學(xué)改革的重要發(fā)展方向.國防科技大學(xué)物理實驗教學(xué)長期以來依托大學(xué)物理實驗室和物理創(chuàng)新實踐基地，以培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)實踐能力為目標(biāo)，開設(shè)大學(xué)物理實驗課程；以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力為目標(biāo)，開展本科生物理創(chuàng)新實踐活動.

原有的物理實驗教學(xué)平臺存在以下問題：

(1)大學(xué)物理實驗課程開設(shè)20個左右的實驗項目，所有學(xué)生均完成相同實驗項目與內(nèi)容，實驗教學(xué)沒有層次化.

(2)實驗課程由于受到實驗儀器設(shè)備臺套數(shù)以及實驗場地的限制，大規(guī)模開設(shè)的公共基礎(chǔ)實驗課程難以滿足學(xué)生個性化學(xué)習(xí)時間的需求，學(xué)生只能在排課的時間進(jìn)入實驗室學(xué)習(xí)，其他時間很難接觸實驗儀器.

(3)實驗課程都要求學(xué)生實驗前進(jìn)行預(yù)習(xí)，學(xué)生一般根據(jù)教材進(jìn)行預(yù)習(xí)，不夠直觀，很多學(xué)生照書抄預(yù)習(xí)報告，預(yù)習(xí)目的達(dá)不到.

國防科技大學(xué)物理實驗課程組以高素質(zhì)新型軍事人才實踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)，圍繞“以學(xué)生為中心，厚基礎(chǔ)、強(qiáng)實踐、重創(chuàng)新”的教學(xué)理念，將原有物理實驗教學(xué)平臺進(jìn)行拓展與創(chuàng)新，構(gòu)建了信息資源、自主實驗、基礎(chǔ)能力訓(xùn)練、創(chuàng)新能力提升“四元一體”的物理實驗教學(xué)平臺，提供虛實結(jié)合、線上線下混合、從基礎(chǔ)到創(chuàng)新的層次化物理實驗教學(xué)基礎(chǔ)條件，為物理實驗課程的線上線下混合式教學(xué)打下了良好的基礎(chǔ).

多元化物理實驗教學(xué)平臺由信息資源平臺、基礎(chǔ)訓(xùn)練平臺、創(chuàng)新提升平臺和自主實驗平臺等4部分構(gòu)成，分成線上和線下2部分.信息資源平臺主要由MOOC和虛擬仿真實驗等構(gòu)成，基礎(chǔ)訓(xùn)練平臺主要由線下實驗構(gòu)成，二者是基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)的基礎(chǔ).自主實驗平臺是線上實驗的補(bǔ)充，通過線上布置，學(xué)生利用簡單易獲取的材料自搭實驗裝置，完成實驗.創(chuàng)新提升平臺通過物理創(chuàng)新項目、物理學(xué)科競賽等方式提升學(xué)生的課外物理創(chuàng)新能力.

“四元一體”物理實驗教學(xué)平臺構(gòu)成圖如圖1所示.

圖1 “四元一體”物理實驗教學(xué)平臺構(gòu)成圖

2 融合MOOC與虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建信息資源平臺

基于現(xiàn)代信息化技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)，國防科技大學(xué)建設(shè)了數(shù)理虛擬仿真實驗教學(xué)中心，該中心在2014年獲批為首批100所國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心之一.在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步融入大規(guī)模在線開放教育技術(shù)，2015年開始建設(shè)了大學(xué)物理實驗MOOC，該課程包含虛擬仿真實驗、自主實驗、遠(yuǎn)程控制實驗、思想實驗以及演示實驗的五大實驗內(nèi)容模塊，并出版了全國首本針對實驗MOOC的教材.課程2017年春在中國大學(xué)MOOC平臺作為全國首門實驗類MOOC上線[2].大學(xué)物理實驗MOOC的創(chuàng)新建設(shè)，突破傳統(tǒng)實驗課程學(xué)習(xí)時間和地域的限制，實現(xiàn)了全地域、全天候開放學(xué)習(xí).依托大學(xué)物理實驗MOOC，學(xué)生可以進(jìn)行線上的物理實驗理論學(xué)習(xí)，國家級數(shù)理虛擬仿真實驗教學(xué)中心可以提供50個物理虛擬仿真實驗項目，學(xué)生在課前可以進(jìn)行虛擬仿真實驗的操作與學(xué)習(xí).國家級數(shù)理虛擬仿真實驗中心和國家精品在線開放課程——大學(xué)物理實驗，構(gòu)成了物理實驗教學(xué)的信息資源平臺，為物理實驗教學(xué)提供了優(yōu)質(zhì)的線上教學(xué)與實驗環(huán)境.

信息資源平臺在學(xué)生課前的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用，學(xué)生通過大學(xué)物理實驗MOOC的學(xué)習(xí)，可以了解實驗原理、實驗應(yīng)用等內(nèi)容，通過虛擬仿真實驗，可以提前了解儀器的構(gòu)造與使用，提高了預(yù)習(xí)效果.

3 基于遠(yuǎn)程控制實驗與手機(jī)物理實驗 構(gòu)建自主實驗平臺

線上實驗不光可以“虛”，也可以實現(xiàn)“實”，遠(yuǎn)程控制實驗以及自主實驗可以彌補(bǔ)線上虛擬仿真實驗“實”的不足.遠(yuǎn)程控制實驗[3]是一種利用信息化技術(shù)，通過遠(yuǎn)程訪問，操控實體儀器而開展的實驗.與虛擬仿真實驗通過數(shù)值計算等方式獲得實驗結(jié)果不同，遠(yuǎn)程控制實驗操控的是真實的實體儀器，得到的是真實的實驗結(jié)果.測量結(jié)果再通過攝像頭等方式進(jìn)行遠(yuǎn)程讀取，可以隨時隨地完成實驗.遠(yuǎn)程控制實驗可以作為實體實驗的延伸，學(xué)生完成線下實體實驗教學(xué)后可以通過遠(yuǎn)程控制實驗進(jìn)行復(fù)習(xí)，遠(yuǎn)程控制實驗與虛擬仿真實驗結(jié)合，解決了學(xué)生排課時間后難以接觸儀器的問題.

除了遠(yuǎn)程控制實驗外，學(xué)生也可以利用手機(jī)，結(jié)合自制簡易實驗裝置，開展基于手機(jī)的自主實驗項目.智能手機(jī)中都集成了多種傳感器，例如加速度傳感器、重力傳感器、光傳感器、壓力傳感器、磁傳感器等等，通過“手機(jī)物理工坊”等APP，可以調(diào)用手機(jī)傳感器，實現(xiàn)加速度、壓強(qiáng)、磁場等物理量的測量，開展物理實驗[4].

2020春季學(xué)期，突如其來的新冠肺炎疫情使得線下實驗教學(xué)難以實施.線上的信息資源平臺以及自主實驗平臺在學(xué)生返校前的實驗教學(xué)中發(fā)揮了重要作用，學(xué)生通過MOOC進(jìn)行實驗理論部分的學(xué)習(xí)，通過虛擬仿真實驗、遠(yuǎn)程控制實驗以及基于手機(jī)APP的自主實驗開展實驗研究，完成了疫情期間的實驗教學(xué)活動.

4 完善實驗課程體系與項目體系構(gòu)建基礎(chǔ)能力訓(xùn)練平臺

國防科技大學(xué)物理實驗室具有良好的基礎(chǔ)，2011年獲評湖南省普通高校實踐教學(xué)示范中心.在已有基礎(chǔ)上，物理實驗中心通過重組、升級、新建等方式，建設(shè)了大學(xué)物理實驗室、技術(shù)物理實驗室、近代物理實驗室.其中大學(xué)物理實驗室以學(xué)生的基礎(chǔ)實踐能力培養(yǎng)為主要目標(biāo)，包含基本實驗知識、基本方法與技能、典型物理量測量等方面的訓(xùn)練，開設(shè)了涵蓋力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)以及近代物理的30余個實驗項目，形成模塊化、系列化的基礎(chǔ)物理實驗項目體系.新開設(shè)了模擬彈頭轉(zhuǎn)動慣量測量、全息瞄準(zhǔn)鏡的制作、超聲成像等軍事特色實驗項目，提高課程的軍味.在大學(xué)物理實驗課程后，開設(shè)了技術(shù)物理實驗、近代物理實驗等進(jìn)階以及高階的物理實驗公共選修課程，完善了物理實驗課程體系.學(xué)生在完成大學(xué)物理實驗課程后，按照興趣選修相應(yīng)課程，在物理測量技術(shù)以及近代物理實驗技術(shù)等方面開展專門訓(xùn)練，進(jìn)一步提高物理實踐能力.

5 開展創(chuàng)新實踐與思想實驗構(gòu)建創(chuàng)新能力促進(jìn)平臺

為滿足學(xué)生創(chuàng)新活動的需求，物理實驗中心建設(shè)有大學(xué)生物理創(chuàng)新實踐基地，該基地2015年被認(rèn)定為湖南省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練中心.基地緊密圍繞物理學(xué)科競賽與大學(xué)生創(chuàng)新項目，建立了系統(tǒng)化培訓(xùn)和自由探索式相結(jié)合的創(chuàng)新活動培養(yǎng)方式.所謂系統(tǒng)化培訓(xùn)主要面向?qū)W科競賽，開展專題物理實驗?zāi)芰ε嘤?xùn).自由探索則是學(xué)生依據(jù)自己興趣，自主提出物理創(chuàng)新課題，在教師指導(dǎo)下進(jìn)行研究，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新、團(tuán)隊協(xié)作和交流溝通能力.

思想實驗是基于思維的虛擬實驗，以邏輯推演為根據(jù)，憑借實驗者的想象力，不受實驗物質(zhì)條件的制約，被愛因斯坦稱之為“思維的自由創(chuàng)造”，是“理智的自由發(fā)明”.在創(chuàng)新實踐活動中通過思想實驗提升學(xué)生的科學(xué)思維能力.在教學(xué)過程中定期發(fā)布思想實驗題目，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇題目，提出實驗方案，有效地提高了學(xué)生對物體圖像的理解和建模能力、邏輯思維能力以及實驗方案設(shè)計能力.通過相關(guān)訓(xùn)練，受訓(xùn)學(xué)生參加國際大學(xué)生物理競賽，連續(xù)4年獲得金獎4項，銀獎25項.

6 多平臺交叉融合提升物理實驗教學(xué)品質(zhì)

信息資源平臺、自主實驗平臺、基礎(chǔ)能力訓(xùn)練平臺、創(chuàng)新能力促進(jìn)平臺，4個平臺相互關(guān)聯(lián)，相互交叉融合.基礎(chǔ)實驗教學(xué)要求能實則不虛，物理實驗課程教學(xué)以線下實體實驗為主，以線上虛擬仿真實驗為輔，信息資源平臺為實體實驗提供了有益的補(bǔ)充，拓展了物理實驗的時域、空域，使得學(xué)生個性化實驗學(xué)習(xí)具有可能性，同時也彌補(bǔ)了實體實驗項目數(shù)的不足.自主實驗平臺與信息資源平臺 “虛”“實”結(jié)合，彌補(bǔ)了線上實驗“實”的不足.多層次的基礎(chǔ)能力訓(xùn)練平臺夯實了學(xué)生的基本實驗?zāi)芰Γ鴦?chuàng)新能力促進(jìn)平臺側(cè)重于提高學(xué)生的科學(xué)想象能力、科學(xué)思維能力以及自主創(chuàng)新能力.物理實驗教學(xué)實際中以基礎(chǔ)能力訓(xùn)練平臺為主，信息資源平臺、自主實驗平臺為輔，創(chuàng)新能力提升平臺為補(bǔ)充，4個平臺相互融合，有效地提高了物理實驗教學(xué)品質(zhì).

7 多元化物理實驗教學(xué)平臺建設(shè)成效

信息資源、自主實驗、基礎(chǔ)能力訓(xùn)練、創(chuàng)新能力提升“四元一體”物理實驗教學(xué)平臺，為大學(xué)物理實驗課程混合式教學(xué)模式提供了虛實結(jié)合、線上線下混合、從基礎(chǔ)到創(chuàng)新層次化的物理實驗教學(xué)基礎(chǔ)條件.平臺的建設(shè)也取得了一些成果，物理實驗課程組建設(shè)的大學(xué)物理實驗MOOC于2018年先后獲得湖南省和國家精品在線開放課程認(rèn)定，自主開發(fā)的牛頓環(huán)等遠(yuǎn)程控制實驗儀器獲得了2016年全國高等學(xué)校物理實驗自制儀器評比三等獎.基于多元化的物理實驗教學(xué)平臺，大學(xué)物理實驗課程獲得2019年湖南省線上線下混合式一流本科課程認(rèn)定.培養(yǎng)的學(xué)生近3年參加國際大學(xué)生物理競賽，獲得金獎4項、銀獎20余項，參加全國大學(xué)生物理實驗競賽，獲得一等獎3項、二等獎3項.