關(guān)壽華,張 萍,劉德弟

(大連民族大學(xué) 物理與材料工程學(xué)院,遼寧 大連 116605)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是教育部規(guī)定的高等學(xué)校理工科專業(yè)學(xué)生六門必修基礎(chǔ)課之一,在培養(yǎng)大學(xué)生科學(xué)實(shí)踐能力和創(chuàng)新素質(zhì)的過程中發(fā)揮著重要作用。但傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在許多問題。例如,教學(xué)模式單一,課外只能通過閱讀教材來學(xué)習(xí);由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、儀器和師資的限制,實(shí)驗(yàn)室無(wú)法解決學(xué)生基礎(chǔ)差異大的問題,無(wú)法充分滿足學(xué)生廣泛的興趣和不同專業(yè)的差異化需求。隨著科技的發(fā)展,利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)高校解決這些問題和需求的重要途徑[1-2]。

作為民族高校,為解決學(xué)生基礎(chǔ)差異大的問題,大連民族大學(xué)于2000年引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來輔助教學(xué),主要是用于預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。2020到2022年間,大連民族大學(xué)和眾多高校一樣對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行了線上教學(xué)的實(shí)踐[3-5],突破時(shí)空限制,讓學(xué)生在線上完成實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)?？偨Y(jié)此次線上教學(xué)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn),對(duì)于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的發(fā)展有著積極的意義。

1 實(shí)驗(yàn)資源

大連民族大學(xué)的大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)資源十分豐富,可以提供涵蓋力、熱、電、光等多個(gè)領(lǐng)域的眾多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;登錄仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后,就可以選擇某個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行沉浸式的實(shí)驗(yàn)操作及觀測(cè)。學(xué)校教務(wù)處將教師和學(xué)生錄入企業(yè)微信,按照院、系、年級(jí)和班級(jí)建立通訊錄,從而可以便利地建立授課群,進(jìn)行線上直播教學(xué)和即時(shí)交流,加上網(wǎng)絡(luò)、智能設(shè)備十分普遍,線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的條件俱備。

2 線上教學(xué)模式

2.1 課前引導(dǎo)

每個(gè)班是按照制定好的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度表同時(shí)上課,做同一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,這樣安排有利于學(xué)生互相提醒,不遲到不缺課,并且可以避免出現(xiàn)任務(wù)扎堆、學(xué)習(xí)質(zhì)量下降的現(xiàn)象。教師會(huì)提前數(shù)天提醒學(xué)生通過閱讀講義、進(jìn)入仿真平臺(tái)觀看演示視頻等方式進(jìn)行預(yù)習(xí)。臨近上課時(shí)會(huì)提醒學(xué)生在群里簽到并進(jìn)入直播間,上課期間不定時(shí)地需要學(xué)生在直播間里簽到,并督促學(xué)生認(rèn)真聽講。

2.2 線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)

教師在企業(yè)微信直播間里采用顯示屏幕方式授課,用PPT課件講解實(shí)驗(yàn)原理等基本理論知識(shí),進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),講解儀器的使用方法以及實(shí)驗(yàn)步驟、測(cè)量?jī)?nèi)容等。教師結(jié)束直播后,會(huì)將課件發(fā)到群里。課內(nèi)剩余時(shí)間及課后,學(xué)生可以不限時(shí)間和次數(shù)的進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)學(xué)習(xí)、觀測(cè)以及數(shù)據(jù)處理等,如有疑問可以在群里隨時(shí)與老師討論,還可以重復(fù)觀看講課視頻回放以及課件,來強(qiáng)化掌握課堂教學(xué)內(nèi)容。通常要求學(xué)生在下一次上課前完成實(shí)驗(yàn),并上交報(bào)告,如此安排,學(xué)生有充足的時(shí)間學(xué)習(xí),從而保障了實(shí)驗(yàn)水平和成績(jī)。

2.3 成績(jī)考核

線上實(shí)驗(yàn)成績(jī)由三部分綜合評(píng)定給出:考勤成績(jī)、操作成績(jī)以及報(bào)告成績(jī),這三部分滿分成績(jī)分別為2分、3分和5分。與線下實(shí)驗(yàn)相比,線上實(shí)驗(yàn)的操作成績(jī)是由仿真平臺(tái)即時(shí)自動(dòng)評(píng)定給出,比較客觀公正。學(xué)生每做完一次實(shí)驗(yàn),馬上就可以查到自己的實(shí)驗(yàn)操作成績(jī),從而決定是否再次實(shí)驗(yàn)。仿真平臺(tái)記錄每一次實(shí)驗(yàn)操作成績(jī),并且提交截止當(dāng)時(shí)的最高成績(jī),教師據(jù)此量化出實(shí)驗(yàn)操作考核成績(jī)。

3 線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐的總結(jié)

3.1 線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?duì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)高度模擬,能提供相對(duì)沉浸式的場(chǎng)景和觀測(cè)操作,因此線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式基本上實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)課培養(yǎng)目標(biāo)。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)突破了時(shí)空限制,使得實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)不再局限于實(shí)驗(yàn)室,并且允許學(xué)生不限次數(shù)地實(shí)驗(yàn),操作成績(jī)又是自動(dòng)即時(shí)給出,因此極大地激勵(lì)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。通過后臺(tái)分析可以發(fā)現(xiàn),學(xué)生常常自覺地加班學(xué)習(xí)乃至多次實(shí)驗(yàn),以此提高實(shí)驗(yàn)水平來取得更好的實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

以大連民族大學(xué)電子215班的密立根油滴實(shí)驗(yàn)為例,全班31人,共做實(shí)驗(yàn)126次,人均4次多,做實(shí)驗(yàn)4次及以上的人數(shù)超過總?cè)藬?shù)的45%。操作次數(shù)及其對(duì)應(yīng)的人數(shù)、操作平均成績(jī)見表1,操作次數(shù)及其對(duì)應(yīng)的人數(shù)、操作滿分人數(shù)的變化曲線如圖1。從表1可以看出,操作次數(shù)較多學(xué)生的操作平均成績(jī)要高于次數(shù)較少的學(xué)生,雖然并不完全成正比。從圖1可以看出,隨著操作次數(shù)的增加,滿分人數(shù)逐漸接近實(shí)驗(yàn)人數(shù),尤其是超過6次以上學(xué)生的操作成績(jī)基本為滿分。整體上看,有近20%的學(xué)生進(jìn)行了6次以上的操作;雖然約有55%的學(xué)生操作次數(shù)少于4次,但這些學(xué)生中的一半是因?yàn)橐呀?jīng)獲得操作滿分,另一半學(xué)生多為操作2-3次后則滿足于現(xiàn)有成績(jī),從而不再嘗試了。

表1 密立根油滴實(shí)驗(yàn)電子215班操作次數(shù)及對(duì)應(yīng)人數(shù)、操作平均成績(jī)的統(tǒng)計(jì)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析可以確認(rèn),這種線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,確實(shí)能夠激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ恼莆铡?/p>

3.2 線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性

通過實(shí)踐體會(huì)到,目前階段的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)雖然是高度仿真模擬,但還不能完全如實(shí)地再現(xiàn)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景,尤其是實(shí)驗(yàn)過程中變化多端的各種現(xiàn)象和可能。電腦屏幕、鼠標(biāo)和鍵盤也無(wú)法帶來實(shí)體儀器的那種質(zhì)感。此外,學(xué)生做電腦屏幕中的虛擬實(shí)驗(yàn),無(wú)法生成做實(shí)體實(shí)驗(yàn)的那種認(rèn)真、謹(jǐn)慎的心態(tài)。所以,目前階段的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以傳授基本實(shí)驗(yàn)知識(shí),鍛煉基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?但還不能完全代替實(shí)體實(shí)驗(yàn)。

線上開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中,學(xué)生是主體。絕大多數(shù)學(xué)生表現(xiàn)很好,積極學(xué)習(xí)并取得良好成績(jī)。但還是會(huì)有學(xué)生表現(xiàn)得不盡如人意,例如,個(gè)別學(xué)生即使實(shí)驗(yàn)操作水平不高、實(shí)驗(yàn)結(jié)果不盡理想,也不考慮通過多次實(shí)驗(yàn)來提高成績(jī);還有些學(xué)生自律性差,拖延等現(xiàn)象難以完全杜絕,快到截止時(shí)間才倉(cāng)促地實(shí)驗(yàn)操作,效果較差。而在實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,這兩種情況基本上會(huì)被杜絕,教師會(huì)檢查并指點(diǎn)學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)操作水平,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想,會(huì)幫學(xué)生查找原因并要求重新實(shí)驗(yàn)。線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生集體行動(dòng),從眾行為讓自律性不高的現(xiàn)象大為改善。所以,在這種開放的線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,教師雖然能夠及時(shí)答疑,但指導(dǎo)并監(jiān)督學(xué)生學(xué)習(xí)的職能有所弱化,從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量下降。因此這種開放的線上教學(xué)課需要學(xué)生具有較高的自律性才行,同時(shí)也需要找到教師指導(dǎo)并監(jiān)督學(xué)生的有效措施。

4 線上線下多元協(xié)作教學(xué)模式的思考

根據(jù)前述線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐的總結(jié)分析,現(xiàn)階段的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課應(yīng)該采取實(shí)體實(shí)驗(yàn)為主、線上實(shí)驗(yàn)為輔的多元協(xié)作教學(xué)模式,從而更好地實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的培養(yǎng)目標(biāo)。

4.1 擇優(yōu)以線上實(shí)驗(yàn)替代部分實(shí)體實(shí)驗(yàn)

由于經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地和安全的限制,許多優(yōu)秀的重要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無(wú)法實(shí)體開出,包括許多反映重要物理理論知識(shí)或者重大物理實(shí)驗(yàn)方法的經(jīng)典實(shí)驗(yàn),以及反映科技前沿重大進(jìn)展的新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等。經(jīng)過綜合權(quán)衡,可以選擇一些實(shí)體實(shí)驗(yàn)室沒有的內(nèi)容優(yōu)秀的虛擬仿真實(shí)驗(yàn),替代部分實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,以線上教學(xué)的方式授課(如果有條件也可以在機(jī)房?jī)?nèi)開出,強(qiáng)化教師指導(dǎo)監(jiān)督職能),如此安排,學(xué)生就可以按照培養(yǎng)需要擇優(yōu)學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,而不受硬件條件限制。大連民族大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室做過這方面的探索,開出過“熱敏電阻溫度特性研究”等仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,學(xué)生積極性很高,收效很好。

4.2 以線上教學(xué)方式開設(shè)實(shí)驗(yàn)選修課

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目眾多,所涵蓋的各種實(shí)驗(yàn)理論、方法和技術(shù)對(duì)于大學(xué)生未來的科研及生產(chǎn)實(shí)踐有著巨大的應(yīng)用價(jià)值,但由于學(xué)時(shí)、場(chǎng)地及設(shè)備的限制,教學(xué)計(jì)劃內(nèi)只能開出一部分。針對(duì)此種矛盾,可以開設(shè)在線上教學(xué)的虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)選修課,讓對(duì)物理實(shí)驗(yàn)有興趣或者有個(gè)人發(fā)展需要的學(xué)生有機(jī)會(huì)深入學(xué)習(xí)各種物理實(shí)驗(yàn)知識(shí),進(jìn)一步提高科學(xué)實(shí)踐能力。線上實(shí)驗(yàn)選修課非常適合在校區(qū)分散、選課人數(shù)眾多的情況下,讓有一定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)、自律性較強(qiáng)的學(xué)生進(jìn)行拓展學(xué)習(xí),而且不受其他條件的限制。

5 結(jié) 語(yǔ)

大連民族大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心基于實(shí)際情況,開展了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課線上教學(xué)的探索和實(shí)踐,順利完成了培養(yǎng)計(jì)劃。實(shí)踐表明,線上教學(xué)模式具有突破時(shí)空限制、激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情等許多優(yōu)勢(shì),能在一定程度上提高實(shí)驗(yàn)水平與成績(jī),但也存在一些問題和局限性。如何整體設(shè)計(jì)來發(fā)揮優(yōu)勢(shì)、規(guī)避局限性,從而虛實(shí)結(jié)合、線上線下多元協(xié)作,做好大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué),還需要向其他兄弟高校學(xué)習(xí),并進(jìn)一步探索和實(shí)踐。