对大学物理实验在线教学的探索
时间：2022-09-28 09:20:06 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
齐红霞
摘要：新冠肺炎疫情给课堂教学造成了很大冲击，在疫情严重时期，学校实施停课不停学的教学方式，理论课程均转为线上教学。大学物理实验课程固有的学科实践特性，由于无法开展线上教学而停滞。该文探讨在疫情等特殊时期，大学物理实验线上教学的可行性，在教学方法、效果评价等方面提出思路，利用现代信息技术，争取实现实验课程与理论课程同步线上教学，深化学生对物理理论的学习。
关键词：大学物理实验 在线教学 信息技术 效果评价
中图分类号：G434;O4-4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2022）07（b）-0000-00
Study on Online Teaching of College Physics Experiment
QI Hongxia
（School of Physics and Electronic Engineering， Jiangsu Normal University， Xuzhou， Jiangsu Province， 221116 China）
Abstract： Classroom teaching was impacted severely by the COVID-19. In the serious epidemic period， classes suspended but learning continues， and the theoretical courses have been converted to online teaching. However， the inherent discipline practice characteristics of college physics experiment courses makes it stagnate due to the inability to carry out online teaching. This paper discusses the feasibility of online teaching of college physics experiments in special periods such as epidemic situation， puts forward ideas in teaching methods and effect evaluation， and strives to realize the synchronous online teaching of experimental courses and theoretical courses by using modern information technology， so as to deepen students" learning of physics theory.
Key Words： College physics experiment course; Online teaching; Information technology; Impact assessment
新冠肺炎疫情對人们的生命财产和身体健康带来了巨大挑战，对人们的生产生活造成很大影响。对高校课程教学而言，在疫情防控常态化时期，不仅要关注线上教学资源的组织和管理，也要平衡不同学科的特性和差异[1-2]。大学物理实验具有实践性、互动性等特点[3-4]，在学生无法操作实验仪器的情况下开展线上教学，需要更加充分地利用信息技术手段，调动学生在线学习积极性和主动性，以讨论互动为主、观摩验证为辅的教学形式，弥补无实物教学的缺陷，师生合力达到教学目标的要求。1 传统的大学物理实验教学模式
实验课程是对理论课程的必要补充，是学生获取知识的直观体验，有助于培养学生的实践动手能力和创新意识[5-6]。通过实验操作和验证，强化了学生对理论的认识，深化了学生理论联系实际和解决具体问题的能力。大学物理实验是科学实验基本训练的必修基础课程，是高校理工科学生接受系统实验方法和实验技能训练的开端。大学物理实验包含力、热、声、电、光等多个知识模块，学生通过动手操作，既加深对理论知识的理解，又锻炼了以物理角度思考问题的方式，为以后生活中的安全用电等物理知识应用场景奠定基础。
高校大学物理实验均采用课堂教学模式，在实验室进行。以“薄透镜焦距的测量”这一光学实验为例，同学们进入实验室，提交预习报告，实验教师根据预习报告和学生对该次实验的熟悉程度进行评估，然后进行实验原理的讲解和实验仪器操作演示，接下来由学生独立完成实验并进行原始数据记录和数据处理。整个实验过程，教师与学生面对面，及时的讲解答疑和询问交流，保证每位同学都可以得到理论知识和实践技能的提升。
2 疫情对实验教学的冲击
突如其来的新冠肺炎疫情改变了人们的生活轨迹，人们对疫情从最初的惶恐、焦虑到现在的了解、战胜，中间经历了一个漫长的过渡时期。在这个过渡时期里，学校的教学模式也在逐步摸索和改变[7-8]。理论课程可以通过在线形式，以直播或录播的方式教授知识，現代化的网络通讯和教学平台，足以保障在线教育的成功实施。随着科技的发展，理论课程在线教学平台也在逐步完善，师生自由互动，几乎可以模拟课堂教学的实际，达到较好的教学效果。
然而，疫情初期停课不停学的理论在线教学期间，实验教学则处于停滞状态，大学物理实验也不例外，所有停课的高校，整个学期内物理实验室均处于封闭状态。由于实验课程的特殊性，无法在短期内找到类似理论教学的替代方案，只能选择疫情停课、开学补课的被动策略，导致实验课程积压滞后。
对于理工科学生来说，疫情缓和后的学期内，需要补充教学计划内缺失的上学期的大学物理实验课程，导致部分年级学生课程负担加重。补充的实验课程一般安排在晚上和周末进行，利用了学生的休息时间，部分学生产生抵触心理，学习效果大打折扣。另外，本该两个学期的实验课程被压缩到一个学期，额外的实验课时也会导致教师压力增大，实验仪器超负荷运转，对实验仪器的维护带来不利影响。由于平时缺少预案，导致疫情突发事件对实验教学的冲击较大。
3 物理实验在线教学的必要性
疫情已经得到缓解，由疫情导致积压的大学物理实验课程也已经全部补习完毕，但并不意味着我们已经完美解决了在突发事件下实验课程的所有问题。与其在突发状况下消极等待，不如现在行动起来，制定突发事件下实验教学的替代方案。在线实验教学虽然不能解决学生动手操作的难题，但也尽可能地满足对物理定理和规律进行验证的要求。
物理实验在线教学作为一种替代方案，是非常时期的有效实验教学方法，对大学物理理论教学起到补充和促进作用，使学生更直观地理解物理定理的内容，从而更好地掌握理论知识。实验在线教学可以延伸为微课实验，甚至突破物理实验教学大纲规定的必做实验，对大学物理课程中每个重要定理都以微课的形式展示出来，帮助学生深刻理解理论知识。
实验在线教学是一种非常规的教学方式，可以在一定程度上缓解突发事件对实验教学的冲击。学生在线学习实验内容之后，掌握了实验原理、实验过程等基本知识，即使突发事件过后再补做实验，也可节省课时，起到事半功倍的效果。
4 信息化手段的应用
现代信息技术为实验课程的远程教学提供了可能性，在疫情形势下，理论课程的线上教学迅速发展，实验教学不能一味停滞不前和被动等待，也应充分利用信息化手段，跟上理论课程教学进度，方便学生理论与实验相结合，加深对课程的理解和掌握。
最为简单可行的方法是录制实验操作视频。大学物理实验教师边讲解实验原理边操作实验仪器，以学生的角度，进行实验演示和数据记录，将实验注意事项和遇到的实际问题进行分析和总结。此种方法类似于课堂教学的讲授法，虽然难以达到真实实验的效果，但可在一定程度上让学生了解实验过程和实验原理，有助于相关理论知识点的深化理解。
以“薄透镜焦距的测量”实验为例，该实验可以加深理解薄透镜的成像规律，让学生学会光学元件的共轴调节技术，并掌握多种测量薄透镜焦距的方法，进而正确地进行数据处理。实验中采用四种方法测量透镜焦距，分别为测凸透镜的自准直法、物距像距法、共轭法，测凹透镜焦距的辅助透镜成像法（虚物实像法）。首先，讲解四种测量方法的实验原理和实验仪器的使用注意事项，然后录制实验视频，着重讲解实验内容和步骤，并记录实验原始数据，此数据用于学生进行数据处理。演示视频过程中，要注意调动学生学习主动性，尽量采用启发式教学方式，例如：在“共轭法”实验过程中，让学生思考为什么要求物像间距要大于透镜焦距的4倍，等于或小于这一数值是否可行;在测凹透镜焦距实验中，为何先使凸透镜成一缩小的实像，当放上凹透镜后，这个像位于凹透镜的焦点之外还是之内。这些问题的设置，有助于增加学生的主观能动性，使学生积极思考，提高在线教学效率。最后，学生在线处理教师实验记录的原始数据，并通过网络会议、各类聊天平台进行作业提交、答疑解难、实验反馈，尽量真实再现实验室场景，让学生学有所得，达到在线教学目标。
随着计算机和人工智能的不断进步，使用电脑仿真软件进行虚拟实验模拟和远程在线教学在全国各地得到了广泛的开发和应用。虚拟仿真实验进入现代化教学领域，特别是在实验环境苛刻和实验条件危险的场合下，可以作为传统实验教学的重要补充和替代[9-11]。国家教育部门提倡在高校实验教学改革和实验教学项目信息化建设的基础上，开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作，建立一批实验教学效果良好的虚拟仿真实验室。
基于现代信息技术的虚拟仿真为大学物理实验提供更为真实的实验模拟环境。传统的力、热、电、光等验证性实验，都可以进行虚拟仿真设计，使学生具有身临其境的操作体验。虚拟仿真实验对丰富实验教学内容，改善实验教学手段、优化实验教学仪器、提高学生学习兴趣等具有很大促进作用，通过各种教育资源的展示，使用手机、电脑等多平台的互动，实现在线讨论和交流，构建基于互联网的实验教学模式。当然，虚拟仿真需要专业团队的设计和规划，难度较大。但作为一种特殊时期的实验替代方案，值得各高校和软硬件企业联合进行探索和开发。
5. 学习效果评价
线下实验课堂以预习报告、实验操作、数据处理为核心要素进行学习效果评价，而不论是以教师演示视频，还是以虚拟仿真为主的线上实验，学生在实验操作方面都难以实现真实模拟，难以获得原始实验数据记录，因而需要更新实验操作和数据处理方面的评价标准。下面以教师演示视频为例，探讨线上实验学习效果评价。
验证性实验的目的是通过实验操作，加深学生对物理实验定律的理解。特殊时期的线上实验教学以验证性实验为主，学生通过预习实验原理、了解实驗仪器、观察实验演示、处理演示数据，最终获得实验结果，以验证物理定律。在此过程中，实验操作过程和原始数据记录是教师进行的，实验原理和数据处理是学生完成的。实验操作部分的评价应以了解实验仪器和实验操作注意事项为主，数据处理方面则着重数据分析、误差处理等。
线上实验过程中，与学生的交流互动是效果评价的重要环节。实验课程均为小班教学，方便教师与学生的交流探讨。在线实验过程中，需要充分利用网络会议、聊天等软件，建立课程交流平台，更好地进行实时交流，达到实验课程目标。
6 结语
大学物理实验是为培养学生动手能力和实践能力而设置的课程，然而在新冠肺炎疫情等特殊时期，实验课程不能停滞不前，而应配合理论课程进度，有利于学生深化理论知识理解。观摩实验视频和虚拟仿真实验是切实可行的替代实验方案，辅以对实验知识的考核，也可使学生在特殊时期重视实践能力的提高。当然，替代方案始终难以与真实实验课堂相比，常规的实验课堂依然是实践能力培养的最佳场所。
参考文献
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