大学物理实验信息化教学体系构建与应用

饶益花　唐益群　陈铀　彭志华

［摘 要］文章探索构建大学物理实验信息化教学体系的具体路径，打造大学物理实验线上线下、虚实结合多元混合式教学模式。该教学体系成功应用于2020年春季学期线上授课，完成了既定的教学任务，达到了课程教学目标，教学效果令人满意。

［关键词］大学物理实验；信息化；教学体系；在线课程；虚拟仿真

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）02-0092-03

进入21世纪，计算机、网络等信息技术迅猛发展，传统人才培养模式受到了冲击，国内外教育系统都在尝试利用信息技术改革教学体系，建立网络课程体系或线上线下混合教学模式[1-2]。大学物理实验课程是高等工科院校对学生进行科学实验基本训练的一门重要必修课程，是学生进入大学后受到系统实验方法和实验技能训练的开端，它对培养学生的科学素养和实践能力、创造性思维能力具有重要的作用。传统大学物理实验教学延续夸美纽斯的以教师为中心的课堂结构，并受到实验课程时间安排、实验场所、实验仪器等因素的制约，而与时俱进的信息化教学改革是解决这些问题的有效途径[3-5]。

从2020年春季学期开始，新冠疫情加速了笔者所在学校大学物理实验课程信息化资源整合、建设的步伐。本文分享笔者所在学校大学物理实验信息化教学体系的构建与实践，打造线上线下、虚实结合的多元混合式大学物理实验教学新模式。多元混合式教学提倡以学生为主体、教师为主导，满足了高等教育大众化背景下学习多样性、个性化的需求[6]。

一、大学物理实验信息化教学体系的构建

（一）大学物理实验在线课程

大学物理实验在线课程依托于超星尔雅通识教育平台，课程包括所开设的全部实验项目的数字化电子信息文件，具体课程内容如图1所示。

在线课程分5章，共17次课，其中理论课2次课，教学实验15次课。理论课按知识点制作了PPT，录制了相应的讲课视频，教学实验制作了PPT、实验原理讲课视频、实验仪器介绍视频、实验操作视频，如图2所示。

PPT和讲课视频中融入实验背景介绍、物理知识探索过程中的小插曲等，启迪、引导学生养成细致认真、团结合作、不怕牺牲、勇于追求真理的精神，树立科学的世界观和积极的人生观[6]，潜移默化中落实“三全育人”和课程思政。例如在快速电子动量与动能相对论关系仿真实验中，穿插爱因斯坦狭义相对论提出的历史背景：迈克尔逊-莫雷通过实验否定以太的存在，麦克斯韦在理论上否定以太，牛顿经典力学受到冲击，后来爱因斯坦推出狭义相对论。以物理理论的诞生过程类比学习过程，鼓励学生敢于质疑，努力探索，推陈出新。又例如，讲述用核技术、放射源的快速电子来验证狭义相对论时，融入我国核物理学家钱学森、邓稼先等在祖国最需要的时候毅然回国、鞠躬尽瘁的故事，他们的大爱、大义和奉献，是培养学生爱国情怀的最好实例。而且针对大一学生的学情，视频文件创作应突出主题、短小精悍、乐观向上、资源多样、契合学生的学习特点。

在线课程还建立了课程资料库，其中包含丰富的教学资源，如每个实验项目的电子教材、实验报告模板、辅助学习的资料和链接等；并且还组建了习题库，每个项目根据教学目标和知识点，至少设置10道选择题（单选或多选）、简答题、讨论题等，根据在线教学活动的进程，灵活地从题库中抽题搭配，在學生预习、课堂教学或课后复习环节发布作业。

教师利用在线课程统计模块，可以查阅学生章节学习情况、任务点执行情况、课堂活动参与积极性，也可以批改作业、批阅实验报告、进行成绩导出和统计。

（二）虚拟仿真实验平台

物理实验教学离不开具体实验仪器操作。常规实物仪器的操作和使用受时间、空间的制约，只能在规定的时间内到指定的实验室操作。笔者所在团队利用现代信息技术，如动画、Adobe Flash等技术，采用Visual Studio开发工具、SQL Server数据库等开发了系列虚拟仿真实验，尤其是一些高危或不可重复的实验[7]；并且利用网络技术配套建立了大学物理虚拟仿真实验平台，将所开发的仿真实验上传至平台，为虚拟仿真教学提供教学环境和支撑服务，满足线上教学的需求。仿真实验的仪器操作和教学不受时空制约，学生可随时随地登录平台进行学习。仿真实验教学系统主要板块包括用户管理（教师管理、学生管理）、教学情况（教学管理、教学实验资源、实验操作评价、实验数据管理、实验情况统计）、下载升级（系统版本升级）、仿真实验（在线仿真实验、在线互动讨论等），将真实实验操作过程通过虚拟技术手段完美呈现出来。学生可在虚拟场景中模拟真实操作，掌握相关仪器的结构、使用方法，观察实验现象并测量实验数据，完成相关实验操作内容。每个仿真实验的功能菜单如图3所示。

正常情况下，虚拟仿真实验平台可供学生进行课前预习、课后复习巩固，促进学生对实验仪器、实验操作、实验现象等的理解，锻炼学生操作和实验的能力[8]；特殊情况下（如新冠疫情时期）还可以把远程虚拟仿真实验平台和在线课程相结合，构成完整的实验教学闭环，进行全课程的线上教学。随着实验教学改革的深入，也可采用部分内容（比如两次理论课）线上教学、部分内容线下授课，部分内容实物仪器授课、部分内容虚拟仿真授课的形式，为打造线上线下、虚实结合的多元混合式大学物理实验教学新模式奠定基础[9-11]。

（三）信息化教学评价

实验教学活动是综合性强的复杂活动。传统实验评价注重到课率、实验报告评价等，而信息化教学能实现教学评价的可追溯。在线课程中，学生预习时完成的任务点，课堂教学时开展的签到、抢答、投票、讨论、课堂练习等活动，系统都会自动记录并评价给分；仿真实验系统也可以自动记录评价学生的实验过程。以“快速电子动量与动能相对论关系仿真实验”为例，系统自动考查实验操作过程是否损坏仪器、预置高压电源的最佳参考电压是否正确、操作中是否注意打开和关闭有机玻璃罩、放射源盖子的开合、游标的探测范围、误差大小、操作时间等，自动对学生的操作过程进行评价。故信息化教学更方便把实验学习、操作过程作为重要因素纳入评价体系，实现过程性评价。

学生在网上（在线课程或者仿真系统）提交实验报告，指导教师根据实验报告中的实验原理、测量数据、数据处理、实验结果分析等给出报告成绩。

基于信息化教学特点的综合评价体系如下：单个实验满分100分，评价由签到、预习、课堂活动、实验操作、实验报告五方面因素构成，分别对应权重为5%、10%、10%、25%、50%。期末综合考虑所有开设的实验，把所有实验成绩加起来取平均值，即得到大学物理实验课程的期评成绩。这个评价方法考查了预习、课堂教学过程、实验操作过程、实验报告等因素，实现了学习过程的综合评价。

二、大学物理实验信息化教学体系的应用

2020年春季学期，笔者所在学校成功运用大学物理实验信息化教学体系，将在线课程和远程仿真实验相结合，实现了停课不停教、不停学。

下面以“快速电子动量与动能相对论关系实验”[12]教学为例，展示信息化教学体系的应用过程。超星泛雅平台建设的在线课程大学物理实验“近代物理实验”的第三个实验即“快速电子动量与动能相对论关系实验”，课前要求学生进行预习，写好预习报告，充分利用在线教学资源（主要包括电子教材、教学PPT、实验原理教学视频、实验仪器介绍视频、实验操作引导视频等）进行自主学习。在学生对实验有了大致了解后，教师利用在线课程PPT， 运用问题探究法就学生在预习过程中难以理解的问题进行重点讲述和讨论，让学生掌握如何测量快速电子的动量动能，如何用测量数据验证爱因斯坦狭义相对论。教师在进行实验演示的时候，可以在虚拟仿真实验平台演示实验的操作过程、注意事项以及如何操作使测量精度更高，并对真空条件下和非真空条件下的物理现象进行对比观察和理解[13-14]，培养学生的动手能力和探索性思维。理论讲述和实验操作使用的在线课程和仿真实验平台都支持互动讨论，仿真实验平台会就学生的操作过程自动给出客观评价。实验报告在在线课程中提交，一个实验的成绩由签到、预习、课堂教学、操作过程和实验报告评分综合得出，实现了实验考核的过程性评价。在线课程和仿真实验平台也支持课后复习巩固，学生可不限时间、不限地点登录学习。图4总结了信息化教学实施的过程。

2020年春季学期，笔者所在学校全校3851名理工科大一学生通过大学物理实验信息化教学体系完成了居家期间物理实验的学习。教师利用“问题探究—实验演示—对比学习”教学方法，指导学生探索快速电子的动量动能之间的狭义相对论关系，收到了良好的教学效果。

三、结束语

笔者所在学校将大学物理实验在线课程和大学物理仿真实验平台的教学优势进行了整合，构建了大学物理实验信息化教学体系，经过一个学期的线上教学使用，取得了令人满意的教学效果。大学物理实验信息化教学体系在正常情况下，可作为实验前在线预习、实验后复习以及学习过程中的重要学习资源，在非常时期能用于全课程的线上教学，还有助于打造线上线下、虚实结合的多元混合式大学物理实验教学新模式。

［ 参 考 文 獻 ］

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[5］ 方恺，吕军，马现超，等.大学物理实验课程微课程移动学习系统的实现与研究[J].物理与工程，2016，26（2）：65-69.

[6］ 黄丽，刘伟龙，赵海发，等.“同向同行”的大学物理实验课程思政教学设计与探索[J].物理与工程，2019，29（S1）：37-39.

[7］ 饶益花，管亮，唐益群，等.基于组件开发及动画技术的快速电子动量与动能的相对论关系虚拟仿真实验[J].物理实验，2020，40（1）：30-34.

[8］ 饶益花，唐益群，刘应传，等.快速电子动量与动能的相对论关系虚拟仿真实验的教学应用[J].物理实验，2020，40（10）：47-50.

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[12］ 饶益花.大学物理实验[M].西安：西安电子科技大学出版社，2018.

[13］ 苗琦，王明东，杨晓段，等.β粒子验证相对论动量-能量关系实验中单能电子阻止本领的研究[J].物理与工程，2009，19（4）：20-23.

[14] 郭慧民，周会.β粒子验证相对论动量-能量关系实验中的一些问题[J].北京师范大学学报（自然科学版），2002（1）：74-77.

［责任编辑：周侯辰］