魏 薇，譚佐軍，劉 泉，謝 靜，陳建軍，王 芳，沈 環(huán)

(華中農(nóng)業(yè)大學 理學院 物理系，湖北 武漢 430070)

大學物理實驗課程是高等農(nóng)林院校對學生進行科學實驗基本訓練的基礎課，是學生接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓練的開端. 其在人才培養(yǎng)體系中具有獨特地位，是本科人才實踐能力培養(yǎng)的重要基礎性實踐教學環(huán)節(jié)，對于提高學生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與實踐能力具有重要作用[1]. 由于農(nóng)林院?；A實驗教學普遍存在教學時空固定且教學方式單一的問題，因此基礎實驗教學中心化、開放式的改革工作日漸盛行[2-4]. 然而隨著開放式實驗教學改革的不斷深入，改革工作進入深水區(qū)，問題與困難逐漸顯現(xiàn)：實驗教學開放式不僅僅是簡單的教學時空開放和教學形式的開放，其對開放背景下的教學模式和方法提出了更高要求；開放式的實驗教學，需要與之相匹配的實驗教學內(nèi)容體系相互支撐；開放式實驗教學的評價體系需更加過程化和多元化. 當前信息技術高速發(fā)展，教學新模式、新方法、新技術成為驅(qū)動基礎實驗教學進一步提升、改革的強大動力，也為破解實驗教學難題提供重要契機. 在前期開放式教學改革的基礎上，大力推行大學物理實驗教學內(nèi)容和模式的進一步革新.

基于農(nóng)林類大學物理實驗課程的教學改革現(xiàn)狀及普遍存在的教學問題，課程組充分吸納以往改革實踐的成果與經(jīng)驗，開展了充分的調(diào)查研究，凝練并提出了“以四有為導向，主動性提升與創(chuàng)造力培養(yǎng)并重”的實驗教學改革理念. 四有即有趣、有度、有用、有味. “有趣”著力于激發(fā)學生的學習興趣和科學創(chuàng)意；“有度”著力于培養(yǎng)學生的獨立實驗能力，培養(yǎng)學生的觀察、質(zhì)疑、研究、應用能力，打造金課；“有用”著力于與農(nóng)林院校專業(yè)知識技能融合，與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、生活實際緊密聯(lián)系；“有味”著力于提升課程的思政功能，強化科學素養(yǎng)，把好實踐教學環(huán)節(jié)的第一道關，在實踐教學環(huán)節(jié)滲透育人元素. 利用學校開展的教育思想大討論、青年教師講課競賽、國內(nèi)各類教育改革研討會、微信公眾平臺等方式，積極宣傳改革理念，在校內(nèi)外形成了廣泛的共識.

1 構(gòu)建大學物理實驗虛實結(jié)合的BOPPPS教學模式

BOPPPS教學模型是北美高校教師技能培訓過程中推崇的教學模型之一，是根據(jù)教育學的認知理論提出的教學設計過程. BOPPPS教學模型將教學過程劃分為引入(Bridge-in)、目標(Objective)、前測(Pre-assessment)、參與式學習(Participatory learning)、后測(Post-assessment)和總結(jié)(Summary)6個部分[5-11]. BOPPPS教學模型的核心為：一是強調(diào)學生全方位參與式學習；二是及時獲得學生的反饋信息，以調(diào)整后續(xù)的教學活動. 對于教學過程以實踐為主，教學目標以培養(yǎng)學生學習自主性與創(chuàng)造性為重的實驗課程，構(gòu)建虛實結(jié)合的BOPPPS教學模式，對破解開放式實驗教學背景下的改革難題有重要意義. 大學物理實驗課程充分應用虛實結(jié)合、靈活多樣的教學環(huán)境，鼓勵學生積極參與實驗教學全過程，使學生能夠主動、創(chuàng)造性地完成實驗內(nèi)容. 大學物理實驗虛實結(jié)合的BOPPPS教學模式見圖1，圖中紅色實線框表示實體，藍色虛線框表示虛擬.

圖1 大學物理實驗虛實結(jié)合的BOPPPS教學模式

1.1 引入(B)

學生以實驗報告冊中的“實驗引導問題”為線索，完成對每個實驗的預習. 課前引入環(huán)節(jié)采取“網(wǎng)絡資源平臺+引導性虛擬實驗系統(tǒng)+預習實驗室”相結(jié)合的方式完成. 學生通過網(wǎng)絡平臺隨時隨地獲得豐富的學習資源(資源庫按照基本物理原理、實驗設計方法、儀器操作規(guī)范、數(shù)據(jù)處理方法、實驗創(chuàng)新方法等分成多個資源模塊，采取不同資源呈現(xiàn)方式，為學生自主設計實驗提供支撐)，通過平臺的互動交流模塊，學生之間、師生之間可以即時進行引導問題的交流與反饋. 除此之外，通過預約系統(tǒng)，學生可以隨時隨地進入24 h全開放的預習實驗室熟悉相關實驗內(nèi)容. 學生將網(wǎng)絡平臺獲得的預習知識與直觀的儀器使用體驗相結(jié)合，可以解決絕大部分實驗引導問題，取得很好的預習效果.

1.2 目標(O)

學生完成實驗引入后，教師確定本次實驗的實驗目標. 實驗目標包括：知識目標、能力目標以及素養(yǎng)價值目標. 此外，明確引入環(huán)節(jié)中尚未解決的關鍵問題，作為課堂實驗部分的學習重點.

1.3 前測(1P)

為了解學生在引入環(huán)節(jié)的學習情況，通過引導性虛擬仿真實驗系統(tǒng)完成對引入環(huán)節(jié)的考核，形成實驗課前前測成績. 虛擬仿真實驗系統(tǒng)模擬真實的實驗環(huán)境，采用統(tǒng)一的導航結(jié)構(gòu)，內(nèi)容表現(xiàn)方式以全景、立體動態(tài)展示的形式，學生通過人機交互，完成大學物理實驗的前測. 另外虛擬仿真系統(tǒng)還能提供實驗操作考核，學生在全景虛擬環(huán)境中，根據(jù)隨機抽取的操作考核任務，通過人機交互進行操作. 以此來考查學生的實驗學習效果，給出操作考核成績.

1.4 參與式學習(2P)

課上的實驗實踐環(huán)節(jié)，學生進行較好的預習準備后進入實驗室，教師引導學生圍繞實驗的關鍵問題展開討論，解決疑問，學生自主完成實驗操作，通過觀察現(xiàn)象、定量測量和數(shù)據(jù)采集，完成實驗課堂部分.

1.5 后測(3P)

學生完成實驗后，教師通過線上系統(tǒng)對實驗數(shù)據(jù)進行測評，結(jié)合虛擬仿真系統(tǒng)中的操作考核，完成實驗課堂學習效果后測.

1.6 總結(jié)(S)

課后學生按照要求完成實驗報告，其間學生可以通過網(wǎng)絡平臺與同學或教師進行實時交流，也可以通過線下的答疑室進行相關答疑.

BOPPPS實驗教學全過程緊密結(jié)合虛實學習環(huán)境，充分發(fā)揮了遠程網(wǎng)絡學習結(jié)合本地學習的優(yōu)勢，虛中有實，實中有虛，實現(xiàn)信息技術與實驗教學的深度融合，并使得BOPPPS實驗教學的各個環(huán)節(jié)都能達到預期的教學效果.

2 打造“有趣、有度、有用、有味”的大學物理實驗教學模塊化內(nèi)容體系

課程內(nèi)容打破相對封閉的傳統(tǒng)物理實驗內(nèi)容教學體系，把實驗內(nèi)容進行重新分類，將原來獨立的實驗有機聯(lián)系起來[12],構(gòu)建了“基礎必選+開放自選+課外拓展”三大實驗模塊(圖2)，使得傳統(tǒng)的12個實驗項目體現(xiàn)出“有趣、有度、有用、有味”的四有特點.

圖2 大學物理實驗教學模塊化內(nèi)容

2.1 有趣

強調(diào)實驗內(nèi)容與生活實際的聯(lián)系，突出實驗內(nèi)容的趣味性和測量手段的生活化. 例如，開放自選模塊第一層次的全息攝影實驗,讓學生綜合運用光學的干涉和衍射原理完成器件擺放,并使其了解現(xiàn)代科技的成果,調(diào)動學生的學習積極性. 利用智能手機和生活材料，實現(xiàn)對生活場景中物理量的測量，例如，搭建水音階、地磁場測量、手機計步功能研究、水透鏡成像等項目，都力求提升實驗內(nèi)容的趣味性. 針對農(nóng)林類專業(yè)學生用電技能薄弱的特點，自主設計的電路故障判斷實驗.

2.2 有度

強調(diào)物理實驗中科學實驗和實驗技能的基本訓練，讓學生學習系統(tǒng)的實驗方法，提高課程的挑戰(zhàn)難度. 例如，光電顯微成像技術研究與應用實驗要求學生運已經(jīng)學到的實驗技能和方法，設計完成光電顯微成像技術測量光柵常量,讓學生能夠運用多種方法和手段實現(xiàn)實驗目的. 實驗不僅要求學生掌握光學中幾何光學和波動光學的知識,還要求學生掌握光學實驗的方法和光路圖的設計,以達到光學實驗的教學目的. 課外拓展模塊中的創(chuàng)新性實驗教學內(nèi)容著力于提升學生綜合運用多學科知識分析、解決實際問題的能力，為保證項目的實施質(zhì)量，學生選題后要按照科研項目的申報方式執(zhí)行. 例如水果品質(zhì)無損檢測實驗，學生利用課內(nèi)掌握的基礎實驗知識，通過CCD成像方法采集數(shù)據(jù)，將獲得的數(shù)據(jù)進行數(shù)學建模，從而保證實驗內(nèi)容具有挑戰(zhàn)性.

2.3 有用

突出實驗內(nèi)容對實踐能力、科學思維的提升作用，強化實驗內(nèi)容與專業(yè)特色、后續(xù)課程的融合，提高學生對知識的拓展應用能力，實現(xiàn)物理實驗有用. 例如，在基礎必選模塊實驗項目設計上，把測量物理量相同、測量工具相似以及測量技術或方法一致的實驗優(yōu)化整合在一起，突出實驗基礎. 開設的每個實驗模塊,按照實驗項目的內(nèi)在聯(lián)系編排實驗，實驗內(nèi)容從簡到難分層次上升,而且強化物理與農(nóng)科專業(yè)之間的融合,加強多學科交叉，例如，光電顯微成像技術的研究與應用實驗使學生了解顯微成像原理在生命科學研究中的應用，植物反射光譜的研究實驗融合了植物學科的相關知識.

2.4 有味

對實驗內(nèi)容進行重新組織，選擇物理學發(fā)展史上曾起過重要作用、物理思想獨特、設計方法巧妙的經(jīng)典實驗，通過強調(diào)物理實驗過程中思維的閃光點與方法的突破點，促進學生物理思維的提升. 通過講解物理思想的唯物辯證觀、物理理論的實踐性、物理學史的波瀾壯闊性，使學生將自身發(fā)展與國家發(fā)展和民族振興相結(jié)合，勤奮、創(chuàng)新、自信. 圍繞馬克思主義哲學的基本觀點開展課程設計，將思政元素以畫龍點睛式、專題嵌入式、元素化合式、隱性滲透式等手段融入授課過程中，對技能和知識給予簡明提示. 另外，授課教師的為人師表、以身作則、言傳身教都是隱性滲透的思政教育.

3 實現(xiàn)“自主化+泛在化”的大學物理實驗學習過程

BOPPPS教學模式強調(diào)學生參與式的學習過程，改變了傳統(tǒng)的實驗教學方式、方法，實現(xiàn)了學生學習過程的自主化. 學生在課外通過“網(wǎng)絡平臺+引導性虛擬實驗項目+預習實驗室”虛實結(jié)合的學習環(huán)境完成了引入環(huán)節(jié)，并且明確了實驗的學習目標，掌握了實驗的基本原理，了解了實驗儀器的操作方法和數(shù)據(jù)處理方法，并且多數(shù)學生已完成實驗的步驟設計任務和課前前測. 在這樣的條件下，課內(nèi)實驗教學更好地體現(xiàn)了學生的主動參與性. 教師不需要對實驗進行詳細介紹和講解，而是讓實驗課堂充分發(fā)揮學生自主實驗操作實踐、師生互動討論的功能. 這種以學生為主體的教學模式，減少了教師的重復性勞動，激發(fā)了教師的教學潛能，并且更好地調(diào)動了學生學習的自主性.

另外，在虛實結(jié)合立體化教學支撐體系的支持下，實現(xiàn)實驗學習過程的泛在化. 在物理情景感知的支持下，增強現(xiàn)實技術為學生提供即時即地即景的演示實驗，通過三維建模、渲染、動畫增強現(xiàn)實互動環(huán)境，學生從該虛擬環(huán)境中獲得對物理概念、物理定理、物理規(guī)律的感性和理性認識. 將物理仿真實驗與移動學習進行有效結(jié)合，AR，VR和二維碼等現(xiàn)代信息技術與紙質(zhì)教材進行有機結(jié)合，能夠有效促進教材、課堂、教學資源三者融合，構(gòu)建更加高效的開放型教學模式. 學生通過手機APP可以隨時、隨地預習大學物理實驗，實現(xiàn)了大學物理實驗的泛在化學習. 移動學習的模式將學生日常的手機娛樂習慣拓展到學習上，從而拓寬了學生的選擇空間. 此外，移動學習還具有合作性質(zhì). 移動學習的場地往往是學生感覺最舒適、最自在的空間. 在這種氛圍下，學生之間的討論會給自主學習帶來豐厚的回饋.

4 建立“多元化+信息化+過程化”的考核評價方式

以促進學生自主學習為目的，將實體操作考試與上機虛擬考試相結(jié)合，教師評價與學生自我評價相結(jié)合，強化過程考核.

在評價主體上，通過信息化手段實現(xiàn)師生互評、學生自評，體現(xiàn)學生在評價過程中的主體性. 學生自我評價包括引入前測、實驗數(shù)據(jù)檢查及虛擬操作后測等環(huán)節(jié)，教師則根據(jù)實驗項目要求分別對學生的參與式實驗操作、實驗報告、創(chuàng)新能等方面進行評價. 實驗總成績包括教師評價和學生自我評價2部分.

在評價手段上，逐步改變紙卷考試的單一化方式，采用多元化、過程化的評價機制，全面評價學生的學習效果. 結(jié)合BOPPPS模式的評價特點，評價過程包括引入前測、操作后測、實驗報告、課程考試等方面. 不同實驗模塊、項目的考核形式、實驗分數(shù)的構(gòu)成均有所區(qū)別. 利用過程評價系統(tǒng)強化過程考核，使考核方式常態(tài)化. 實驗課程成績將由以上各部分成績按照比例加權(quán)計算得出，該成績更能客觀、全面地反映學生在實驗過程中的表現(xiàn)以及獲取知識、能力提升情況. 因此強化學習過程的評價能夠?qū)崿F(xiàn)過程考核信息化.

5 結(jié)束語

大學物理實驗的改革以學生為中心，實行全開放教學，且貫通課內(nèi)外，把學習的自主權(quán)交給學生，將教與學進行緊密結(jié)合，實現(xiàn)“虛-實-虛”的有機結(jié)合，構(gòu)建了BOPPPS教學模式，實現(xiàn)了自主化、泛在化學習. 實驗教學內(nèi)容強調(diào)與農(nóng)林院校專業(yè)知識技能融合的實用性，強化與科技結(jié)合、與興趣結(jié)合、與生活結(jié)合的趣味性，同時注重實驗內(nèi)容能否達到價值塑造、能力培養(yǎng)與知識傳授育人目標的高度，體現(xiàn)“有趣、有度、有用、有味”的特點. 強化學習過程評價，實現(xiàn)考核信息化和多元化，注重學生主動學習程度及實際教學參與程度、知識的創(chuàng)新和運用能力等綜合性考查. 開放式實驗教學改革，能夠更好地調(diào)動學生學習的主動性與創(chuàng)造性，充分體現(xiàn)價值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授的育人目標，體現(xiàn)農(nóng)業(yè)院校大學物理實驗的特色，是實踐類課程虛實結(jié)合的BOPPPS教學模式改革的重要嘗試.