錢小青

（寧波大學 物理科學與技術學院，浙江寧波 315211）

1 問題提出

2020年疫情期間，在教育部“停課不停學、停課不停教”的要求下，全國高校組織了有史以來規(guī)模最大、課程最多、涉及人數(shù)最廣的線上教學[1-2]。如何有效推進“互聯(lián)網(wǎng)+”教學，利用各種線上資源，優(yōu)化教學模式，提升教學效果，成了教育工作者思考的問題，關于混合式教學的探索與研究也日益增多[2-7]。但是，目前在線上線下混合式教學研究中，理論教學相關研究占絕大多數(shù)，而在為數(shù)不多的混合式實驗課程的研究中[3-5]，定性研究居多，定量研究較少。

寧波大學物理實驗中心是浙江省重點實驗室，中心面向全校一年級理工科學生開設了大學物理實驗A課程。在2020年之前一直沿用傳統(tǒng)的線下課堂教學，2020年實施了 “居家+虛擬仿真+線下”組合套餐式教學，2021年在2020年的基礎上嘗試了線上線下混合式教學。本文嘗試以教學數(shù)據(jù)為基礎，利用SPSS 軟件進行研究與分析。歸納大學物理實驗線上線下混合式教學的優(yōu)勢，梳理存在的問題，進一步探討優(yōu)化方案。

2 研究方法

2.1 實驗設計與抽樣

（1）實驗設計。

研究采用非對等組的準實驗研究模式。從2019、2020、2021 三年的大學物理實驗成績中，抽樣同一大類的5 個班級由同一組教師教授的5 個實驗項目,成績來源于各個實驗的三個部分：實驗預習、實驗操作、實驗報告,并對綜合成績進行分析與研究。

（2）實驗組學生描述。

選取的實驗對象是修讀大學物理實驗A 的入學年份為2018年、2019年、2020年的電子信息類的學生，這些學生都來自同一個大類。2018 級5 個班級均屬于電子信息類，稱為A 組，共225 位注冊學生；男生176 人，女生49 人。2019 級5 個班級均屬于電子信息類，稱為B 組，共212 位注冊學生；男生168 人，女生44 人。2020 級5 個班級均屬于電子信息類，稱為C 組，共221 位注冊學生；男生176 人，女生45 人(見表1)。在數(shù)據(jù)選取時，將高年級重修學生的數(shù)據(jù)進行了剔除。

表1 樣本分布情況

寧波大學是省部共建的地方綜合性大學，自2008年開始根據(jù)大類進行招生，每年的招生人數(shù)和招生區(qū)域穩(wěn)定，生源的高考名次也基本穩(wěn)定。三個實驗組的學生均來自電子信息類，電子信息類的學生大一時分布在不同的5 個自然班，待大二專業(yè)分流至電器工程及其自動化、電子信息科學與技術、光電信息科學與工程、通信工程四個專業(yè)。大學物理實驗A 是工科院系的必修基礎課，面向大學一年級學生在第二學期開設。

（3）授課教師與教學內(nèi)容。

大學物理實驗A 由緒論+12 個實驗組成，共6 位教師教授12 個實驗，一位教師負責兩個實驗項目。我們選取了同時給3 個實驗組授課的6 位資深教師，均教學經(jīng)驗豐富，其中一位教師還編寫了《大學物理實驗》的教材，對實驗原理、步驟與內(nèi)容掌握透徹。

我們統(tǒng)一選取了在9-13 周開展的5 個相同的實驗內(nèi)容。

2.2 實驗處理

A 組的授課模式采用全線下的教學方法。教師在緒論課上將實驗的基礎理論進行了講解，包括誤差和有效數(shù)字等知識。并對學生具體實驗時的各項要求進行了說明，如采用的預習方式、預習報告的格式、實驗操作時的注意事項、實驗報告的格式等。線下實驗采用教師講解實驗內(nèi)容、學生操作實驗的方式進行，A 組的授課內(nèi)容為第1 周緒論，第2-13 周線下實驗。

B 組的授課模式采用組合套餐式的授課方式，第1 周線上緒論課程，講述的內(nèi)容和A 組相同，同時在超星學習通提供了相關資料和視頻，并要求學生觀看與提問，教師在線進行解答。第2-4 周線上 “居家實驗”，實驗中心選取了難度適宜的三個實驗，這些實驗就地取材，讓學生利用已有的物理和數(shù)學知識解決問題，完成實驗內(nèi)容。第5-7 周要求學生完成三個“虛擬仿真”實驗,最后的8-13 周線下經(jīng)典實驗，依然采用傳統(tǒng)的授課方式。

C 組的授課內(nèi)容為第1 周緒論，同時提供了視頻和相關資料，要求學生學習和提問，教師在線解答，第2-13周采用線上預習+線下實驗方式（見表2）。具體授課方式為在超星學習通上提供視頻學習，在線解答學生問題；利用虛擬仿真實驗，精選相近但不相同的實驗，要求學生提前進入系統(tǒng)操作，進行預習。在線下實驗教學中，教師講解實驗時間減少，并省略部分步驟，采用教師進行提問、引導學生思考的方式，最后，要求學生自主完成實驗內(nèi)容。三個組的教學方式總體上有所差異，但實驗項目相同。

表2 不同實驗組的教學設計表

2.3 教學效果的評測

為了檢驗三個實驗組在實驗基本技能和分析理解上的差異，三個實驗組之間教學效果的評測采用實驗操作與實驗報告的綜合成績，并用SPSS 軟件進行分析。

2.4 學生能力提升評價

學生學習完大學物理實驗A 之后，實驗中心每年都會在學期末開展浙江省物理創(chuàng)新比賽報名與選拔，采用學生自愿報名加教師推薦的方式，成員從當年修讀大學物理實驗A 的學生中選拔。我們搜集了學生參加競賽的人數(shù)和獲獎的情況，了解不同的教學模式下學生的物理學興趣和能力的提升情況。

3 研究結果

3.1 教學效果比較

采用單因素方差分析方法，比較學生在全線下授課（實驗組A）、組合套餐式授課（實驗組B）和混合式教學（實驗組C）不同教學方式下實驗綜合成績的差異。結果表明，三個實驗組之間的均值之間出現(xiàn)了差異，實驗組B 的平均成績（82.3744）高于實驗組A（80.5540），但又低于實驗組C（90.0508）。從最高分和最低分的分布也可以看到，實驗組C（99.53,60.60）與A(88.96,61.52 )組合B（96.60,30.00）組相比較具有明顯的優(yōu)勢（見表3）。

表3 不同實驗組成績分布表

為了得到這三個實驗組之間的成績差異是否具有統(tǒng)計學上的意義，我們進行了F 檢驗。我們可以發(fā)現(xiàn)三個教學實驗組之間的P值小于0.05，即A、B、C 三個實驗組之間教學效果出現(xiàn)了顯著差異（見表4）。說明從2019年到2021年三種不同的教學方式對學生的成績產(chǎn)生了不同的影響。

表4 F 檢驗數(shù)據(jù)分析表

為了進一步了解這三個實驗組之間的差異，我們進行了多重比較，比較學生在大學物理實驗A 中的學習成績，可得出如下結論：

（1）傳統(tǒng)線下授課（實驗組A）與套餐組合式授課(實驗組B)之間存在顯著統(tǒng)計差異（Sig=0.006）。

（2）傳統(tǒng)線下授課（實驗組A）與混合式授課（實驗組C）之間存在顯著統(tǒng)計差異（Sig=0.000）。

（3）套餐組合式授課(實驗組B)與混合式授課（實驗組C）之間存在顯著統(tǒng)計差異（Sig=0.000）。

進一步得出結論，比較學生在套餐組合式授課（實驗組B）中的成績比傳統(tǒng)線下授課(實驗組A)成績的平均差高1.82045，混合式授課（實驗組C）又比套餐組合式授課（實驗組B）的平均差高7.67636，混合式授課方式優(yōu)勢明顯（見表5）。

表5 不同教學模式多重比較表

3.2 學生參與競賽的人數(shù)與獲獎情況

研究表明，混合式教學提升了學生的學習成績，激發(fā)了物理學習的興趣，提高了分析問題、解決問題的能力。根據(jù)2019-2021年期間修讀完大學物理實驗A的學生參加浙江省物理實驗與科技創(chuàng)新競賽的獲獎情況（見表6），可以看出，報名人數(shù)和獲獎質(zhì)量逐年提升。

表6 浙江省大學生物理實驗與科技創(chuàng)新競賽獲獎情況

4 反思與討論

通過上述研究與分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)線下實驗教學相比，混合式實驗教學取得了良好的教學效果：提升了學生的綜合實驗成績，激發(fā)了學生對物理的興趣，學生的分析能力、動手能力、創(chuàng)新思維能力等得到了全面的培養(yǎng)。大學物理實驗混合式教學經(jīng)過兩年多的探索，形成了一套特有的模式。

4.1 遵循認知規(guī)律，結合現(xiàn)代信息技術優(yōu)勢進行教學設計。

引用布魯姆目標分類法中關于認知領域中的六大方面制定本課程教學目標。根據(jù)“布魯姆教育目標分類法”[8]，在認知領域的教育目標可分成：知道、領會、應用、分析、綜合、評價這幾個環(huán)節(jié)。大學物理實驗遵循這個規(guī)律，從2019年開始，經(jīng)過三年的更新迭代，設計了“在線資料提供+虛擬仿真預習+在線討論+線下實驗”的新模式。

首先，學生通過課前預習和同學之間的討論，掌握了實驗的原理與內(nèi)容；通過虛擬仿真實驗進行線上操作，進一步領會實驗內(nèi)容，并應用到虛擬現(xiàn)實的仿真場景當中。其次，在線下實驗中,教師通過進一步講解理論要點，現(xiàn)場進行操作示范，使學生在師生互動中加深對知識的理解。與理論課程不同，實驗課程中實踐與動手才是核心與關鍵。將某一實驗理論放在實際的環(huán)境中去實踐，從理論到實踐的轉化包含了綜合性的各種技能，需要對理論知識有透徹的理解，將理論需要的條件在實驗中實現(xiàn)有諸多辦法，學生在這個過程中實現(xiàn)了知識的應用、分析與綜合。

此教學模式深度融合了現(xiàn)代信息技術，充分利用了虛擬仿真平臺，破解了傳統(tǒng)實驗課程預習中時空受限的難題。結合當代學生特點，利用碎片化時間，學習理論知識；利用虛擬和現(xiàn)實交流平臺，實現(xiàn)生生、師生之間的無障礙交流。

4.2 虛-實結合的教與學助推有效教學與深度學習

虛-實結合的環(huán)境可以促進學習者對知識的認知、理解和應用。教育學家認為，從交互的環(huán)境中能夠讓學生身處其中，沉浸式的學習方式與環(huán)境讓學習者如臨其境，獲得全身心多感官的體會，對于知識的深度學習具有非常重要的意義[9]。利用虛擬仿真實驗，使得學習者可以方便快捷地進行實驗預習，在模擬現(xiàn)實場景中操作，進一步掌握實驗的原理和內(nèi)容。

當然，虛擬仿真實驗再完美，作為一門實踐類課程，還是需要實際的線下操作來完成。線下操作是應用和分析的重要環(huán)節(jié)。仿真實驗再逼真，也不能替代線下實驗帶來的切身感受與情感體驗，情景式的虛擬體驗再多，代替不了線下實驗的真實體會。即使是驗證型的最基礎的實驗，也具有不可替代的作用。因此，當從虛擬的預習到了現(xiàn)實的操作時，如何將理論知識予以實際應用顯得非常重要。解決實際的問題，也顯得非常重要，很多時候，仿真實驗當中的現(xiàn)象在實際操作時無法實現(xiàn)，當理想與現(xiàn)實虛擬世界與實情實景之間出現(xiàn)了矛盾、沖突、碰撞的時候，學習者便“被動”發(fā)現(xiàn)了問題，需要“主動”去解決。而此時，學習進入了應用階段，分析與綜合的能力便是學習者需要通過習得而獲取的能力。

虛-實結合不僅體現(xiàn)在課程的學習上，還體現(xiàn)在師生和生生之間的相互溝通上。當代大學生對網(wǎng)絡環(huán)境十分熟悉。學習的重要環(huán)節(jié)就是人與人之間的對話與交流。在學習領域頗有研究的日本教育學者佐藤學把學習看作“對話性實踐”。他認為學習是學習者“跟客觀世界的交往對話，跟他人的交往與對話，跟自身的交往與對話”[10]，人在學習的過程中，不僅可獲得知識，還可建構起與他人之間的關系，在互動和共處中獲得認同感和滿足感。通過QQ 等網(wǎng)絡溝通手段，可以讓師生、生生之間隨時、便捷地虛擬溝通與交流，通過教師解答、同學互答的方式，學習者可以感受到疑惑被教師解答之后的“豁然開朗”，思路被同學啟發(fā)之后的“峰回路轉”，觀點和體會被人認同之后的“興奮愉悅”，在這樣的交流學習中，思路逐漸被理清，概念慢慢被構建，理解不斷深入，是傳統(tǒng)的實驗授課方式無法實現(xiàn)的。另一方面，線下實驗中的現(xiàn)實交往與對話可以補充虛擬交流中的不足，使得學習者面對真實的環(huán)境、同學和教師，獲得真實的體驗。

通過網(wǎng)上學習與線下實驗，建立虛-實結合的學習共同體。實現(xiàn)理論知識、實驗技能、問題反思的傳遞和交流。共同體可以加強師生、生生之間的聯(lián)結，有效消除學生在學習和探究問題中的孤獨感和無助感，能夠更深層次地理解知識。通過提前預習、視頻內(nèi)容的觀看、網(wǎng)上討論、學生反饋、作業(yè)練習等方式，保障教師與學生之間進行交流與互動，營造師生同頻互動、異頻思考、多維度虛-實結合的學習環(huán)境[11-12]。

虛-實結合的教與學是混合式教學特有的優(yōu)勢，它充分發(fā)揮了虛擬平臺與線下實驗的優(yōu)勢，又很好地彌補了兩者的短處與不足，促進了深度有效的教與學。

4.3 課堂內(nèi)外的延伸促使師生將終身學習的理念進行到底

混合式教學利用現(xiàn)代信息技術，給課堂注入了活力，也給了教師和學生提出了更大的挑戰(zhàn)。教師如何利用信息技術篩選有用的知識，通過脈絡梳理，深度加工，將各個經(jīng)典實驗呈現(xiàn)給學生，并在課前與課后提供資料，布置開放性的作業(yè)。這一過程需要教師不斷提升自己，學習新知識、新方法、新技術和新理論；另一方面也要掌握技術及相關行業(yè)的發(fā)展趨勢、學科發(fā)展動向等前沿知識。學生在學習當中既感受到了社會進步、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術創(chuàng)新永無止境，也深切體會到學海無涯，唯有不斷學習才能保持自身優(yōu)勢[10]。

課堂之后，開設了物理實驗的高階選修課程，讓對物理有興趣的學生可以進一步學習深層次的理論和實踐知識，同時開展大學物理實驗創(chuàng)新競賽，學生從智能、高科技、方便人們生活等需求出發(fā)，通過調(diào)研、學習、設計，最終實現(xiàn)自己的模型。這一過程的訓練，使學生不斷學習知識、不斷實踐、不斷探索、不斷提升的學習-實踐路徑養(yǎng)成，提高了學生終身學習的能力。

最終，通過將知識從課內(nèi)到課外、從校內(nèi)到校外進行延伸，從理論到實踐進行提升，師生逐步共同形成終生學習的理念，并探索出一條行之有效的路徑。

5 結論與啟示

混合式教學在提升教學效果的同時，也存在不足，需要從教學內(nèi)容、教學方式、考核評價方式上不斷改進。

5.1 教學內(nèi)容迫切需要重構與更新

教育學家認為，學習是一種改變、持久的行為或按照某種方式表現(xiàn)出來某種行為能力的持久變化，它來自實踐或其他的經(jīng)歷[13]。仿真實驗再完美，作為一門實踐類課程，需要實際的線下操作來完成。線下的操作則是應用和分析的重要環(huán)節(jié)。情景式的虛擬體驗再多，代替不了線下實驗的真實體會，即使是驗證型的最基礎的實驗，也具有不可替代的作用。

與此同時，將課前預習、虛擬仿真引入到實驗課程中，并不意味著可以削弱線下實驗的講授，直接讓學生開展實驗，相反，線下實驗的授課方式更加重要，學生出現(xiàn)了更多的問題和疑惑，教師如何引導與應對變得尤其重要。在實驗組C 的教學中，我們在線下實驗中采用了講重點、講難點的方式，這種方式在提升學生實踐能力的同時也存在問題：教學內(nèi)容的不完整，學生對原理的認識、實驗步驟的深層次理解依然不足，因此，原有的對應傳統(tǒng)線下實驗的理論與內(nèi)容不再適用，迫切需要重構教學內(nèi)容。

將實驗原理與內(nèi)容等打破重組，融入不同的教學方式中。比如：實驗中注重實踐、輕視理論的現(xiàn)象依然存在。實驗課的教師認為，實驗原理的講解是理論課教師的事情，有的教師雖然講解了理論課程，但是主要是照本宣科，學生雖然做了實驗卻不知道為什么這么做，對實驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象無法從本質(zhì)上理解。如何利用混合式教學的優(yōu)勢，將實驗原理重新構建，有效融入實驗前、中、后三個環(huán)節(jié)中，是下階段的重要內(nèi)容。

5.2 教學方式需要不斷優(yōu)化與迭代

大學物理實驗包含12 個實驗項目，每一個實驗都有各自的特點，有的實踐操作性強，如分光計的調(diào)整和三棱鏡頂角的測量；有的現(xiàn)象明顯，原理清晰，如單縫衍射的相對光強分布；有的測量方法巧妙，讓人驚嘆，如密立根油滴法測定電子電荷實驗。這些實驗項目內(nèi)容重組之后，單一的 “線上提供資料+虛擬仿真預習+線下操作”的教學方式難以滿足多樣化的實驗項目需求，驅動教學方式相應調(diào)整和優(yōu)化。

同時，虛擬仿真實驗在當前取得了較好的實驗預習效果，然而，不足也非常明顯：不少虛擬仿真項目的研發(fā)者非實驗工作者，項目的設置與實際操作有較大的差異，比如分光計的調(diào)整實驗，目測粗調(diào)是非常重要的項目，然而在虛擬實驗中卻直接略過了，很容易誤導學生線下操作；有的虛擬仿真項目過程性評價缺失，只需要輸入答案即可得分；另外，虛擬仿真平臺的界面不夠友好，人機交互淺層表面等，一系列問題的出現(xiàn)需要對虛擬仿真實驗項目進一步優(yōu)化和調(diào)整。

另一方面，混合式的授課方式也不局限于虛擬仿真預習、課程資料的上網(wǎng)等現(xiàn)有的模式，不同的實驗項目可以根據(jù)不同的學生采用不同的授課方式，翻轉式、小組討論式等方式可以引入到線下實驗中，與內(nèi)容的重構有效契合。

重組的內(nèi)容和新型的教學設計需要教師采用不同的授課方式，而有別于傳統(tǒng)的授課方式，學生改變傳統(tǒng)的學習模式，需要深入學習、透徹理解、動手操作、分析應用，進一步促進師生深度有效地教與學。

5.3 評價方式需要多元且注重過程

當前大學物理實驗課程的評價方式分為預習、操作、報告，分別占比20%、40%、40%。盡管從形式上來看對各分項進行了考核，注重了過程，然而每一個分項的具體內(nèi)容還需要進一步的討論和優(yōu)化。

比如實驗操作的給分，不同教師的標準不同，有的教師根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的好壞來評議，有的教師根據(jù)實驗快慢評價，有的教師根據(jù)過程的關鍵點操作評價；缺乏科學合理的過程性標準，無法科學有效地評判給分。另一方面，一個教師在實驗過程中面對24 名學生也無法時時刻刻觀察到學生的實驗操作行為。如何利用混合式教學的優(yōu)勢，結合智能化的教學設備，探討考核過程的合理監(jiān)控和評判，是大學物理實驗過程性考核的重要內(nèi)容。

因此，我們需要綜合考量大學物理實驗在各個專業(yè)人才培養(yǎng)方案當中的作用，設定該課程在培養(yǎng)目標達成度當中的分目標，根據(jù)課程目標重新設置各個考核指標，與教學方式相結合，利用現(xiàn)代信息技術，設計線上與線下、仿真與現(xiàn)實、理論與實踐的綜合可操作可評價的指標，注重過程性，體現(xiàn)多元化，精準、公平、公正地評判[14]。

6 結語

基于現(xiàn)代信息技術（尤其是虛擬仿真實驗）的混合式教學可以提高大學物理實驗成績，培養(yǎng)學生綜合能力，同時促使教師轉變教學方式，促使學生改變學習方式，形成有效的教學與深度的學習。接下來，需要教學內(nèi)容重構、教學方式優(yōu)化、評價方式改革三管齊下，不斷完善實驗課程的混合式教學。