大学物理实验线上线下教学浅探

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摘要：带来了危机，但也为大学物理实验教学带来了改革的新契机。文章结合网络上丰富的教学资源、虚拟仿真实验平台和便利的网络直播教学平台，同时依据南京航空航天大学金城学院的实际学情，提出了线上+线下混合教学模式，并且在线上教学中融入思政元素。实践表明，混合教学模式能有效提高学生的学习热情，提升综合评价结果，为今后大学物理实验教学改革提供了新路径。

关键词：大学物理实验；线上教学；线下教学；课程思政

0引言

物理学是建立在实验基础上的实验科学，物理实验教学和物理理论教学具有同等重要的地位。它们既有深刻的内在联系和配合，又有各自的任务和作用。无论是物理概念的建立还是物理规律的发现都必须以严格的科学实验为基础，并通过今后的科学实验来证实［1］。南京航空航天大学金城学院作为一所以培养应用型人才为主的工科类高等学校，大学物理实验是一门以培养学生科学实验能力为目标的必修课程，是学生进入大学后接受系统的实验理论、实验方法和实验技能训练的开端，是工科类各专业对学生进行系统科学实验能力培养的重要基础，尤其强调对学生自主开展实验能力素养的锻炼和培养。可见，大学物理实验应该是一门以学生探索为主、教师指导为辅的实践课程。南京航空航天大学金城学院为在校工科专业学生开设了学时的大学物理实验，分别涉及热学、力学、光学、电磁学等16个实验，每个实验2学时。然而，在物理实验教学过程中发现多数同学由于基础知识不扎实，自主学习能动性差，导致在课堂互动中缺乏学习热情，参与度不理想，进而无法自主完成实验项目。最终，大学物理实验课程的教学演变成了教师把原理和实验方法“掰碎揉烂”了“填鸭”式地喂给学生，即便如此，在实验操作环节，如果教师不演示不讲解不帮助，还是有不少同学一头雾水，不知如何下手。这样一来，实验教学就失去了其初衷，学生只会机械式地在教师的指挥下按部就班地完成实验项目。显然，这样的教学模式违背了实验课程对培养创新型、应用型人才的目标。0年初，突如其来的给这一成不变的现状带来了改变的契机。为阻断疫情蔓延，教育部了《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》，要求各高校应充分利用优质在线课程教学资源，依托各级各类在线课程平台、校内网络学习空间等，积极开展线上授课和线上学习等在线教学活动，保证疫情防控期间教学进度和教学质量，实现“停课不停教、停课不停学”［2］。为保障线上教学，特别是实验课程的线上教学质量，面向全国高校开放了全部优质在线课程和虚拟仿真实验教学资源，并全天候开放国家虚拟仿真实验教学项目共享平台，免费提供0余门虚拟仿真实验课程资源。依托这些丰富的教学资源和便捷的互联网环境，经过充分调研，结合实际学情，以及尝试在实验教学中融入思政元素［3-4］，南京航空航天大学金城学院实验教师对线上+线下融合模式的教学方案进行了探索和思考［5-6］。

1实验课程的特殊性

1.1实验课程是理论知识的集合

理论课在一节课中讲授的知识点往往是单一的，而实验项目的建立则不然，它基本上都要运用到多学科的手段来实现某个物理量的测量，以“液体表面张力系数的测定”实验为例。图1为实验中用到的液体表面张力系数测定仪，该实验系统集合了力学、电学、传感器技术和常规测量手段才能实现液体表面张力系数的测量。在授课过程中，除了要介绍液体表面张力的根源，即微观机理和详细分析拉脱法过程中的受力变化，还要介绍硅压阻式力敏传感器的工作原理和标定方法。在对传感器标定的实验过程中，有的同学还可能遇到因仪器老旧，数字电压表无法调零的情况。对于这样的情况，需要引导学生在不调零的情况下，通过作图的方法来计算标定数据的斜率以确定传感器的灵敏度。此外，还可以介绍对于非线性元件的标定方法。可见实验课程所涉及的知识点往往是丰富多样的，学生在完成实验的过程中自然而然地就把以往所学习到的各种知识串联到一起，能够很好地拓展学生思维的广度和深度，激发学生的创造力。

1.2实验课程是理论与实践的桥梁

在多年的教学过程中发现学生所学的知识往往是跟实践脱节的，调研发现学生在进入大学之前几乎没有做过任何物理实验。就以“单摆测重力加速度”这个实验为例，高中阶段就已经学习过，所有的理论及结论学生也都很清楚。但是真的到了实验课上，竟然有不少同学数“周期”只数一半，这就是典型的没能把“往复运动”这个词具象化，显然解决这类问题的途径就是实操。南京航空航天大学金城学院作为一所以工科为主的工程技术大学，秉承着“修学储能，经世致用”的办学理念，激励和劝勉全校师生德智兼修，知能并重，志存高远，学以致用。而能让莘莘学子从“十年寒窗”顺利迈向“经世致用”的桥梁之一就是通过实验实践课程的培训，在科学严谨的科学实践活动中“知行合一”，激发学生探知欲，培养务实理念。

2线上+线下混合教学模式及课程思政探索

在对大学物理实验课程新教学模式的探索过程中，通过调研线上教学案例发现，关于大学物理实验的在线教学主要包括实验原理的PPT讲解、实验操作视频演示和习题练习，有条件的学校还开发了虚拟仿真实验。虚拟仿真实验能在一定程度上弥补因线上教学而缺少的实践过程，学生也能体会到自己动手的乐趣。但虚拟仿真实验是建立在理论基础上的理想模型，整个操作过程都是程序化的，结果也是预先设定好的，它不能体现实际操作过程中各种外在或内在因素导致的实验结果的变动性，很难引起学生对实验过程和结果的思考。所以在目前的技术条件下，虚拟仿真实验是不能完全取代现场实验操作的，它只能作为大学物理实验教学过程中的补充，让学生提前了解实验仪器及其操作步骤。经过多方调研并结合南京航空航天大学金城学院学生的具体学情，认为在条件允许的情况下不能放弃线下实验教学环节，应该要让学生进入实验室真正动手做一做，因此提出了线上+线下混合教学的方案。此外，为响应在全国高校思想政治工作会议上提出的“要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学过程，实现全程育人、全方位育人，还强调了要用好课堂教学这个主渠道，各类课程都要与思想政治理论课同向同行，形成协同效应”，在教学实践过程中还积极探索将思政元素融入新的教学模式中。

2.1线上教学实施

随着信息时代的蓬勃发展，互联网提供了多样的教育手段和丰富的教育资源，如：QQ直播、腾讯课堂、腾讯会议、英华学堂、MOOC、国家虚拟仿真实验教学项目共享平台（实验空间）等。利用这些平台，教师和学生可以不限时间和场所地开展教学和学习，拉近了教师与学生的时间和空间。根据学校提供的资源，大学物理实验线上教学主要选择了腾讯课堂和英华学堂来实现直播教学和课外知识面的拓展，具体教学过程如下。2.1.1课前教学准备及思政元素的融入。实验课程课前的教学准备主要是学生对下个实验内容的预习工作，这是个非常重要的环节，会直接影响课堂实验的效果。在传统的教学过程中，预习主要是完成对教材中相应实验的实验目的、原理、仪器、内容的学习工作并撰写实验预习报告。但是在实施过程中，多数同学并不能通过预习达到对原理、仪器的熟悉这一目标，而是浮于表面的完成任务。造成这一现象的原因是多方面的，学生自主学习能力弱是一方面，还有就是教材内容的单一枯燥，不能刺激到学生的感官，激发不了兴趣。在线资源的引入则可以很好地补上这一短板，在完成既定教材内容预习工作的同时，还为学生提供了丰富的视频学习资源。英华学堂中就囊括了多所高校大学物理实验课程优秀的教学视频，同时该平台还能直接导入学生信息，方便教师对学生预习情况进行监督［7-8］。依托网络上丰富的信息资源，在预习内容中还可以融入思政元素。譬如，在对“密里根油滴实验”的预习内容中加入了对密里根发明密里根油滴试验仪测量出基本电荷的电荷量，进而证明电荷的量子化获得诺贝尔物理学奖的介绍，让学生从中学习科学家严谨的科学精神和辩证的哲学思想等。通过对实验相关的物理学史、科学家简介和历史背景等内容的学习，可以更好地激发学生的学习兴趣，拓宽视野，还能培养学生的家国情怀，提升历史责任感。2.1.2线上直播教学。由于各个学校实验内容和仪器的差异性，在综合考虑教学效果和学生意见后，选择利用腾讯课堂平台进行直播为主的线上教学手段。通过该平台，教师为学生讲解实验的基本原理，并结合前期拍摄好的实验操作视频讲解实验操作步骤和注意事项。在此过程中，教师和学生可以通过视频、语音、文字进行实时互动交流，较以往静默的课堂氛围更加热烈融洽。此外，通过腾讯课堂软件，教师还能随时点名签到并统计每位同学在线听课的时长，方便教师对学生学习情况进行监督。经过6周的线上教学后，大学物理实验教学团队对线上教学的数据进行了统计并与上学期线下课堂教学情况做对比，如图2所示。发现总体教学情况有了较大的变化：虽然出勤率提升相对较小，其原因是对学生出勤一如既往的严格要求，但是这微小的提升也可说明线上教学对上课时间地点的放宽带来的变化，学生对上课的受迫感更小了；互动率的大幅提高是线上教学带来的最显著变化，没有课堂上面对面交流的压迫感和羞涩感，学生更加愿意在线上表达自己的想法，课堂环境更加平等和谐，实验报告优秀率有了较大的提升。但线上教学也有其弊端，由于缺乏更有效的监管，教师对学生的掌控度降低了，这就使得少部分自制力差的学生对待线上学习态度敷衍，上课期间教师的讲解完全变成了他们世界中的“背景音乐”，最终会导致较严重的“两极分化”。因此，让学生走进实验室，在实际动手操作中体验、发现和收获是必不可少的。2.1.1.3课后巩固和深化。仅通过课堂教学显然是不够的，课后还得对所学内容进行巩固和深化。对于每个实验内容，实验教材中都提供了课后思考题，包括对实验原理的推导证明、实验操作中的注意事项和相关数据处理等，需要让学生完成并在腾讯课堂平台上提交。同时，教师还可以一些问题，引导学生去对实验的过程、方法和结论进行思考，激发学生的探究欲望，并且可以让学生带着这些想法和疑惑在接下来的线下实验中去验证发现。

2.2线下实验教学及其改变

大学物理实验本质上就是一门实践性质的课程，其目的就是培养学生基本的科学素养、严谨的科学态度、自主探究的精神、脚踏实地的务实观。脱离实验室的实验课程显然是“空中楼阁”，无法架起学生从理论跨向实践的“桥梁”。经过线上系统全面的理论学习后，学生对实验内容已经“成竹在胸”，对手边的实验仪器不再陌生，不需要教师在动手之前耳提面命的讲解和指导就能很快地进行实操环节。这样一来，学生有充足的时间去实践和思考，而不是机械式地照本宣科。实践时间的宽裕自然就多出思考交流的空间，学生自然而然就成了实验课堂的主人，甚至动手能力强的同学在完成自己的实验后会不由自主地扮演小老师的角色，去帮助其他同学解决问题，无心插柳，没有引导，翻转课堂就在这种模式下实现了。同时，任课教师还切身地体会到，以往日复一日的枯燥乏味感消失了，与学生的交流互动更多，思维碰撞的火花时时闪现，为教师的教学科研带来更多“idea”。对大学物理实验的考核办法也发生了改变，传统的教学模式下由于学生实践时间有限，没办法对每个学生的实验操作做到一一考核，因此采用学期末卷面理论考核的办法，这种评价方式是片面的，甚至是不公平的。而在新教学模式下，教师有了充裕的时间去考核每位同学的实验操作情况。调查发现，学生普遍更加欢迎这样的考核方式，杜绝了成绩靠考前突击的现象，成绩评定更加客观合理。

3结语

著名人本主义教育家罗杰斯认为：学生是知识意义的主动建构者，而不是外界刺激的被动接受者。只有通过自己的切身体验和合作、对话等方式，学生才能真正完成知识意义的建构。把实验室还给学生，让学生成为实验课程的主人，在线上+线下混合教学模式的初步探索中初现成效，为传统大学物理实验教学打开了路径。

作者:潘云 朱娴 杨强 单位:南京航空航天大学金城学院