大學物理實驗金課建設與實踐

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摘要：肺炎疫情的全球暴發凸顯大學傳統教學與當代教育技術完美融合的重要性。在疫情之下，以泛在學習理論與混合學習理論為理論基礎的“大學物理實驗”金課進行了持續建設和實踐。本文具體闡述“大學物理實驗”金課的建設體系，以豐富新穎的教學內容為核心，以線上線下混合式教學模式為目標，逐步建設虛擬仿真實驗輔助平臺，積極進行了教學實踐。

關鍵詞：肺炎；大學物理實驗；金課

2020年初，突如其來的新型肺炎疫情徹底打破傳統的教學模式，隨著肺炎疫情的全球暴發，更加凸顯了大學傳統教學與當代教育技術完美融合的重要性。為深入貫徹落實“關于堅決打贏疫情防控阻擊戰的重要指示精神”，2020年2月教育部了《關于在疫情防控期間做好普通高等學校在線教學組織與管理工作的指導意見》，要求各高校應“充分利用優質在線課程教學資源，依托各級各類在線課程平臺、校內網絡學習空間等，積極開展線上授課和線上學習等在線教學活動，保證疫情防控期間教學進度和教學質量”，實現“停課不停教、停課不停學”[1]，這與教育部提出的“建設金課、淘汰水課”的目的與目標一致。從本質上來講，都是由我國教育目標所決定，教高〔2018〕2號文件強調“到2035年，形成中國特色、世界一流的高水平本科教育，為建設高等教育強國、加快實現教育現代化提供有力支撐?！盵2]2018年6月21日150所高校聯合發出《一流本科教育宣言（成都宣言）》，再次強調“高教大計，本科為本?！迸c此同時，教育部部長陳寶生首次提出“金課”概念，要求“合理增加課程難度、拓展課程深度、擴大課程的選擇性?！盵3]2018年8月，“金課”首次被寫入教育部文件(教高〔2018〕8號)，要求各高校要全面梳理各門課程的教學內容，淘汰“水課”，打造“金課”，切實提高課程教學質量。課程是人才培養的核心要素，直接關乎教育質量[4]和人才培養質量，正如教育部高等教育司司長吳巖[5]表示：“課程是人才培養的核心要素，是教育的微觀問題，解決的卻是戰略大問題?！庇纱丝梢?，國家要建設具有中國特色、擁有世界一流的高水平本科教育，其核心與關鍵就要提升核心課程的教學質量，建設一批具有“兩性一度”的“金課”尤其重要與迫切，這里的“兩性一度”，即高階性、創新性、挑戰度，是對“金課”建設的要求。物理學是自然科學的基礎，而物理實驗又是物理學的基礎。從專業體系的角度來看，大學物理實驗占有舉足輕重的專業地位，正如著名物理學家丁肇中所說“沒有實驗證明的理論是沒有用的，理論不能推翻實驗，而物理實驗則可以推翻理論?！睆膰腋咝Ｈ瞬排囵B方案的角度來看，“大學物理實驗”是理工科高校最重要的公共基礎課程和專業素質課程之一，是學生進入大學后接受系統實驗技能及科學實驗數據處理訓練的一門非常重要的必修實驗課。它不僅能夠幫助學生對抽象的物理知識加深理解，而且還能培養學生對物理學科的興趣，提高學生對事物的觀察能力以及邏輯思維能力，是大學生從理論轉向實踐的重要環節[6]。我國高校中“大學物理實驗”開設面廣、受益面大，對“實現新世紀人才培養目標”起著至關重要的作用。從而，在新時代和背景下，“大學物理實驗”金課的長期建設與教學實踐將是我國高校一線物理專業教師所面臨的重要課題，也是一項艱巨的任務[7]。任何一門課程的建設與教學實踐都是長久的工作，它需要一線教師花費大量精力與時間進行發展與建設。在肺炎疫情之下，基于多年教學探索成果，我們一直努力以“兩性一度”為標準，分別探究了“大學物理實驗”金課建設與教學探索的理論基礎，并積極持續建設“大學物理實驗”金課體系，包括教學內容、教學手段和輔助平臺的建立，并積極進行教學實踐。

一、泛在學習理論與混合學習理論是“大學物理實驗”金課的理論基礎

“金課”建設是當前高等教育領域的熱點，也是強化本科教育的關鍵。教育部文件中的“金課”是描述性概念，是一種教學實踐模式、一種教學形態和教學理念，更是一種價值追求，其意義就是為現實教學產生一種動力、牽引、導向作用，這必須與教學規律、學生特點相結合。每一門“金課”的建設與實踐必須遵循適應當代學生特點的教學規律、教學實踐準則，這是進行“大學物理實驗”金課的首要條件。泛在學習理論與混合學習理論是當代“大學物理實驗”金課建設的教學理論基礎。首先，泛在學習就是指無時無刻地溝通交流、無處不在地學習，最具有4A(anyone,anytime,anywhere,anyway)方式的移動學習特點[8]。在當代互聯網學習環境下，如何通過泛在學習所需的技術環境和具有泛在學習理念的人文情境來建立泛在學習中的各類教學資源庫，以滿足不同類型學習者的不同學習任務和要求，是當前教育信息化背景下對信息化教學提出的新課題。然后，混合學習是結合傳統學習方式和數字化、虛擬仿真化、網絡化學習的優勢，既要發揮教師的主導作用，又要體現出學習者作為學習過程主體的主動性、積極性和創造性的學習過程。從教育學與心理學的角度，“大學物理實驗”金課的建設與教學實踐不是教學資源的堆積，而是在上述教學理念與技術規范指導下的以提高教學質量為目標的一個系統化、科學化的工程，也是一個隨著技術發展和知識更新而不斷探索前行的過程，這些均要考慮泛在學習理論與混合學習理論。

二、“大學物理實驗”金課的建設與實踐必須適應教育規律

任何一門課程的教學均脫離不了時代的發展。隨著移動互聯網、智能手機、通信技術的飛速發展與普及，教育與信息化教學手段與方式相互交叉融合，引起教師和學生的廣泛關注，發展非常迅猛，創造了現代教育混合教學模式發展的奇跡，比如：微課、慕課、翻轉課堂、虛擬仿真、虛擬現實平臺等。這些教學模式具有方便快捷、趣味性強等特點，吸引了更多年輕人的關注，幾乎“00后”大學生均在使用這些現代化教學技術進行學習與交流?！按髮W物理實驗”是理工科專業必修的一門課程，知識點比較多，教學課時比較少，理論性與實際實驗操作結合性比較強，存在許多非常抽象的物理概念、原理、圖像，導致了學生對預習和自學產生畏懼，降低學習的積極性，這一直是本課程傳統教學存在的頑疾。從大學物理實驗條件來看，全國理工科高校學生眾多、實驗室條件有限，在進行“大學物理實驗”的教學過程中，普遍存在實驗儀器資源緊張、教師教學任務重等情況。例如，2019年秋，中國地質大學（北京）物理實驗教學中心要承擔著全校54個班級、1800多名學生的“大學物理實驗”課程，年上課人時數達10.5萬，有限的教師很難在有限的時間內細致地指導大批的學生，設計性和探索性實驗更是難以開展。“大學物理實驗”課程受一定的時間、教學實驗條件、場地、成本、安全等因素的制約，正常進行教學實驗操作比較困難，從本質上來講，這些均與在肺炎疫情之下“停課不停學”面臨的關鍵問題是一致的。在進行“大學物理實驗”金課的持續建設與實踐過程中，中國地質大學（北京）物理實驗中心更新教學與實驗的舊觀念，重點采用了符合現代教育技術的輔助教學模式，融合先進實驗方法，加強優質資源的利用與開發，提高了學生的學習興趣，增強了學生的創造能力和實踐能力。在肺炎疫情之下，在進行“大學物理實驗”金課的持續建設與實踐過程中，首先完成了與現代信息技術進行深度融合，建設了較多開放型、網絡化、多層次、綜合性的虛擬(物理實驗)仿真教學實驗平臺點，這些融合均能夠有效地彌補傳統的“大學物理實驗”課程受場地、成本、安全等因素制約的缺陷，有效解決了“大學物理實驗”教學目標完成所遇到的關鍵困難，較好完成了2020年春季“停課不停學”的教學任務[9]。

三、豐富新穎的教學內容是“大學物理實驗”金課建設與實踐的前提

中國地質大學（北京）物理實驗中心多年積累的硬件基礎、軟件基礎與實踐基礎均是“大學物理實驗”金課持續建設與教學實踐的基礎，在肺炎疫情之下，它們發揮了巨大作用。1.教材建設教材建設是課程的靈魂。緊密結合“大學物理實驗”的課程特點，我們在多年教學實踐的基礎之上，編寫《大學物理實驗》教材，除了加入物理經典實驗，該教材還專門增加仿真實驗等信息化教學的相關內容。由于特點鮮明、專業特色突出，教材《大學物理實驗》被評為北京市精品教材。2014年至今，該教材不斷修訂與完善，加大虛擬仿真實驗的比重，進行再版。2.多年積累與建設的“大學物理實驗”教學方法是實驗教學最寶貴的材料“大學物理實驗”教學視頻材料是建設的重點，嘗試讓慕課與翻轉課堂、微課小視頻共同協助學生完成教學任務，三者相互協調進行，系統地完成“大學物理實驗”課程的教學內涵。我們緊緊圍繞“大學物理實驗”的教學內容與教學目標，分別進行部分章節實驗內容的視頻化，均放在我校物理實驗教學中心的網站上，每位學生均可以在線瀏覽或者手機下載進行學習與觀看。這些視頻更加形象和直觀，能夠更好地展現實驗的動態過程，特別是較好解決了操作中的細節問題，真正為學生提供了提高學習效率的有效途徑，得到學生的一致好評。

四、實踐教學平臺是“大學物理實驗”金課持續建設的雙翼

近幾年，緊緊圍繞“大學物理實驗”的深入改革，著手把虛擬VR技術引入“大學物理實驗”的教學之中，分別建立了部分物理實驗內容的虛擬仿真實驗、虛擬現實平臺，具體包括“示波器的使用、分光計的調節、長度與固體密度測量、光電效應和普朗克常數的測定、聲速測量”等5個虛擬仿真在線實驗，這些虛擬VR實驗與真實實驗平臺完全類似，可供學生自己動手配置、連接、調節和使用實驗儀器設備，并利用互聯網通過接近真實的人機交互界面完成實驗預習，起到了對實驗內容了解、預做、熟悉的目的，解決了實驗預習環節中學生無法看到實驗儀器的問題，從而，深層次地提升了“大學物理實驗”的教學質量。在疫情之下，在把虛擬仿真VR技術引入虛擬物理實驗平臺上的同時，還編著了帶有VR技術的教材，只需要手機掃“微信二維碼”，就可以將許多圖片變成了動態的立體圖形，無論從學習興趣、還是從觀察物理實驗角度上，都從本質上提升了學生理解與學習能力，提升了“大學物理實驗”的教學質量（圖1）。除此之外，以本為本，特別設計“啟發式的多層次居家自主物理實驗”部分，具體包括頭發的直徑、水瓶的重心位置、電動牙刷的振動頻率、屏幕的分辨率、羽毛的條紋間距的測量、淀粉溶液形成的非牛頓流體性質的定量等，深受學生喜歡，教學效果較好，可以納入“大學物理實驗”金課建設案例之中，并且這一部分可作為持續建設項目，作為突發狀況期間應急教學的實驗案例。

五、及時調整“大學物理實驗”金課的評價反饋體系

評價反饋是反映“大學物理實驗”金課教學效果的重要途徑，是對教學過程的監控，“大學物理實驗”金課的評價反饋體系具體滲透于本課程的課前、課中、課后、答疑、延伸、反饋等具體環節，對改善與提升本課程教學質量起到非常重要作用。在肺炎疫情之下，在“大學物理實驗”金課持續建設與實踐過程中，教師和學生可以在公眾平臺上發表專業疑惑、教學意見等，可以學生問、人人答，教師看到意見后及時對教學方法做出調整，改變了“大學物理實驗”傳統教學活動中“學生不敢提意見”的現狀，師生互動空間無限增大。綜上所述，“大學物理實驗”金課建設與教學實踐不是短暫工作，它是一項長期的、可持續的創新建設與教學實踐的過程，必須與時俱進，必須適應時代需求，必須符合教學規律。在肺炎疫情之下，在“大學物理實驗”金課持續建設與教學實踐中，積累了豐富的教學內容與實踐經驗，該課程增加了“啟發式的多層次居家自主物理實驗”特色部分，具體通過合理運用現代信息技術手段，積極設計物理實驗內容，努力開辟了“智能+教學+實踐”新穎的教學手段與途徑。

作者：李傳濤 鄭志遠 郝會穎 單位：中國地質大學（北京）數理學院