基于MOOC創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的研究與實(shí)踐

吳慶州，王 濤

(南京理工大學(xué) 紫金學(xué)院，江蘇 南京 210023)

基于MOOC創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的研究與實(shí)踐

吳慶州，王 濤

(南京理工大學(xué) 紫金學(xué)院，江蘇 南京 210023)

提出了組織物理實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n視頻的思路，探討了設(shè)計(jì)慕課教學(xué)過程，闡述了利用慕課來實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)課堂的翻轉(zhuǎn). 實(shí)踐表明：在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入慕課的教學(xué)模式提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng).

慕課;物理實(shí)驗(yàn);教學(xué)模式;翻轉(zhuǎn)課堂;自主學(xué)習(xí)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在多數(shù)院校中都是工科學(xué)生的入門實(shí)驗(yàn)，由于其覆蓋知識面比較廣，有著豐富的實(shí)驗(yàn)思想與方法，對于培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能、科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)有著不可替代的作用[1]. 在微課時(shí)代很多院校錄制了大量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻，這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻多是把實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂直接視頻化，時(shí)間長、內(nèi)容也不夠精煉，雖然對于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)起到了一定的幫助，但在提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力等方面還是有所欠缺的. 如何更好地提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力一直是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中研究的熱點(diǎn)問題[2-4]，慕課(MOOC)的出現(xiàn)或許能給廣大教學(xué)人員提供一個(gè)新的思路[5]. 筆者結(jié)合在教學(xué)中的一些嘗試，對慕課(MOOC)構(gòu)建新的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行了研究與探索.

1 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)的變革歷程

隨著教學(xué)改革地不斷深入，實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)也發(fā)生了較大的變化. 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求卻在逐步提高.

1954年參照蘇聯(lián)的物理教學(xué)體系制定的普通物理學(xué)教學(xué)大綱中規(guī)定物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)為90學(xué)時(shí). 到了1962年由高等工業(yè)學(xué)校普通物理學(xué)課程教材編審委員會制定的教學(xué)大綱中物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)數(shù)則變?yōu)?80學(xué)時(shí). 1980年高等學(xué)校工科物理教材編審委員會編制的高等工業(yè)學(xué)校普通物理學(xué)教學(xué)大綱中實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)為60學(xué)時(shí). 1987年開始制定的課程教學(xué)基本要求將大學(xué)物理與物理實(shí)驗(yàn)單獨(dú)設(shè)置，實(shí)驗(yàn)課成為獨(dú)立課程，課時(shí)數(shù)基本保持不變[6]. 2008年高等學(xué)校物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會發(fā)布的理工科類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求規(guī)定實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)不少于54學(xué)時(shí).

2008年的基本要求中提到“創(chuàng)造條件，充分利用包括網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體教學(xué)軟件等在內(nèi)的現(xiàn)代教育技術(shù)豐富教學(xué)資源，拓寬教學(xué)的時(shí)間和空間”與當(dāng)下流行的慕課(MOOC)不謀而合.

2 利用慕課翻轉(zhuǎn)物理實(shí)驗(yàn)課堂，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)

用越來越少的學(xué)時(shí)培養(yǎng)學(xué)生越來越強(qiáng)的動(dòng)手能力是擺在每位實(shí)驗(yàn)教師面前的大難題，尤其是當(dāng)今科技發(fā)展日新月異，新技術(shù)層出不窮，要想解決這一難題就要不斷地改革教學(xué)模式以期適應(yīng)新形式的發(fā)展，從而提高教學(xué)效果.

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的改革與創(chuàng)新

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程一般如圖1所示，課前通過教材進(jìn)行預(yù)習(xí)，課上教師講解演示并指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，課后學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告并上交實(shí)驗(yàn)教師批改. 在這一過程中如何提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，很多學(xué)校做了一些有益的嘗試[7-8]，例如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)建設(shè)了國家級物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，設(shè)計(jì)了40多個(gè)大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)[9]，取得了顯著成效；東南大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室開放教學(xué)模式上進(jìn)行了大量深入地研究與實(shí)踐，取得了很好的效果[10]. 無論是虛擬實(shí)驗(yàn)室，還是開放實(shí)驗(yàn)室都期待通過翻轉(zhuǎn)課堂，增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力. 由于實(shí)驗(yàn)室資源與條件的限制，很多院校至今無法建設(shè)完備的虛擬實(shí)驗(yàn)室，也很難完全開放實(shí)驗(yàn)室.

圖1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程圖

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入慕課

慕課是大規(guī)模開放的在線課程(Massive open online course,MOOC)，慕課的教學(xué)宗旨是讓學(xué)生愉快地學(xué)習(xí)，自主地學(xué)習(xí)[11]. 慕課(MOOC)自2012年大規(guī)模涌現(xiàn)以來多出現(xiàn)于理論課的教學(xué)實(shí)踐中. 慕課的這一新興的教學(xué)模式得到了廣大師生們的認(rèn)可.

當(dāng)前流行的慕課教學(xué)模式多數(shù)是學(xué)生的學(xué)習(xí)及成績的評定全部在網(wǎng)上完成[12]，這對于理論課非常合適，而對于實(shí)驗(yàn)這樣需要鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力的課程卻是無法完全滿足. 實(shí)驗(yàn)中如何利用慕課改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式值得探討.

2.3 慕課實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的設(shè)計(jì)

過去預(yù)習(xí)是看書，引入慕課后的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)就不僅僅是看看書本抄抄書本那么枯燥了，通過實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)小視頻來了解將要做的實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力.

2.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n視頻的構(gòu)架

預(yù)習(xí)視頻主要包含實(shí)驗(yàn)背景的介紹、實(shí)驗(yàn)原理的簡述和實(shí)驗(yàn)儀器的介紹. 在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的視頻介紹中插入探討性問題，讓學(xué)生查閱資料后課內(nèi)討論. 加強(qiáng)對學(xué)生自主學(xué)習(xí)的引導(dǎo). 設(shè)計(jì)一些簡易的選擇題、判斷題，在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)視頻觀看結(jié)束后由學(xué)生獨(dú)自完成的自測題. 對于預(yù)習(xí)視頻中有不理解處可以反復(fù)觀看，也可以發(fā)討論帖和其他學(xué)生或教師討論. 視頻后小自測的好處在于促進(jìn)學(xué)生真的去學(xué)習(xí)而不是馬虎應(yīng)付，如果不看視頻就不知道課上將要探討的問題，若不參與自測就無法得到預(yù)習(xí)的分?jǐn)?shù). 防止為自測題抄襲，建自測題目庫，每個(gè)學(xué)生隨機(jī)抽取10～20題來答題，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，由計(jì)算機(jī)判分，學(xué)生有3次答題機(jī)會取最高分計(jì)入預(yù)習(xí)分?jǐn)?shù). 這樣學(xué)生在自主學(xué)習(xí)完預(yù)習(xí)視頻后對實(shí)驗(yàn)有了較細(xì)致的理解，課堂上探討實(shí)驗(yàn)問題和操作實(shí)驗(yàn)儀器就變得相對容易了.

對于常規(guī)非設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)每個(gè)實(shí)驗(yàn)都拍攝相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作演示，簡單介紹實(shí)驗(yàn)設(shè)備如何操作，記錄哪些數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)過程中如果遇到常見的問題該如何分析原因、如何解決. 而設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)一般將設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)目標(biāo)整合到預(yù)習(xí)慕課視頻中.

2.3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n課堂的教學(xué)過程

引入慕課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程如圖2所示，實(shí)驗(yàn)課上先由學(xué)生向教師提問，提出一些在預(yù)習(xí)時(shí)沒明白的問題，由教師帶領(lǐng)其他學(xué)生一起來回答. 該環(huán)節(jié)結(jié)束后進(jìn)入問題討論環(huán)節(jié)，通過問題討論引導(dǎo)學(xué)生全面掌握實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)技巧. 問題一部分來源于預(yù)習(xí)慕課視頻中預(yù)留的問題，一部分來自于課堂現(xiàn)場. 討論問題后即可開始實(shí)驗(yàn)，節(jié)省了講授的時(shí)間. 在實(shí)驗(yàn)問題的討論過程中也可以適當(dāng)給予學(xué)生課堂表現(xiàn)分，激發(fā)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，對于沒有仔細(xì)觀看視頻的學(xué)生來講這部分分?jǐn)?shù)就很難獲得了. 這樣的教學(xué)過程精簡了教學(xué)時(shí)間，學(xué)生有更多的時(shí)間操作儀器完成實(shí)驗(yàn)，加深了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解. 在學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)過程中教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，對于一些相對簡單的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在課堂上可以完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的處理工作. 在課堂上完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告可以有效地減少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作假及抄襲現(xiàn)象.

圖2 慕課模式下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

3 慕課教學(xué)的具體實(shí)施探索

3.1 慕課教學(xué)模式中的角色轉(zhuǎn)變

在慕課的制作和實(shí)施過程中需要教師有較多的付出. 一些實(shí)驗(yàn)有的教師帶了很多年，上課很輕松，但要將這些實(shí)驗(yàn)變成慕課，就需要教師重新審視和策劃這些實(shí)驗(yàn). 在慕課教學(xué)模式建設(shè)初期，教師的付出要比傳統(tǒng)上課時(shí)多很多，資料整理、視頻攝制和腳本制作，每一步都要付出很多勞動(dòng). 在教學(xué)過程中與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是有所區(qū)別的，慕課教學(xué)模式中教師管得會更寬，需要了解的知識也更廣. 如果是引入其他院校的慕課資源還需要教師預(yù)先學(xué)習(xí)，然后再分享給學(xué)生.

教師在實(shí)驗(yàn)課堂上由傳授變?yōu)榻饣?，進(jìn)而變成知識的引領(lǐng)者. 由實(shí)驗(yàn)課堂上注重教師教變?yōu)樽⒅貙W(xué)生學(xué)，教師則變成學(xué)生自主學(xué)習(xí)的推動(dòng)者. 這些無一不要求實(shí)驗(yàn)教師在新的教學(xué)模式中要轉(zhuǎn)變自己的角色.

3.2 慕課視頻的制作方法

由于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的相對獨(dú)立性，實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n錄制與理論課的錄制會略有不同，每個(gè)視頻獨(dú)立成章又略有關(guān)聯(lián)，能夠支持學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)需求自主選用、個(gè)性化學(xué)習(xí). 在進(jìn)行制作之前需要教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的特點(diǎn)準(zhǔn)備好相應(yīng)的資料，包含視頻資源、練習(xí)題、答案以及討論的內(nèi)容[13].

對于剛剛接觸慕課的教師來講如何制作慕課呢？最為直接的方法就是類似微課的制作，直接攝錄課堂教學(xué)，當(dāng)然應(yīng)與傳統(tǒng)課堂教學(xué)要略有差別，設(shè)計(jì)要精心，且要控制時(shí)長，一般不超過15 min為宜. 還可以直接PPT錄屏，借用免費(fèi)軟件進(jìn)行錄制相對更容易實(shí)現(xiàn). 也可以將以上2種合并，即現(xiàn)場講解與錄屏同步制作，用貍窩等免費(fèi)軟件進(jìn)行剪輯合成. 圖3即為筆者錄制的實(shí)驗(yàn)室安全教育慕課視頻截圖，采用PPT錄屏與講解相結(jié)合的形式制作而成. 慕課的制作方法還有很多種，比如對話或談話錄制、白板錄制、動(dòng)畫制作等，在實(shí)踐中選擇適合自己的方法即可.

圖3 講解+PPT形式慕課視頻截圖

3.3 慕課資源的選用及發(fā)布

隨著慕課的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出了大量慕課平臺，比如國外的Coursera、edX、Udacity，國內(nèi)的學(xué)堂在線、愛課程、中國大學(xué)MOOC等，這些平臺提供了豐富的教學(xué)資源. 在物理實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n教學(xué)模式中也可以直接選用這些平臺中的資源供學(xué)生學(xué)習(xí)使用. 在愛課程慕課平臺上點(diǎn)擊導(dǎo)航欄上的資源共享課，輸入物理實(shí)驗(yàn)即可進(jìn)行課程搜索. 目前可以在線學(xué)習(xí)的物理實(shí)驗(yàn)課程有12門，這些課程都是來自國內(nèi)知名院校的優(yōu)秀資源.

目前很多學(xué)校也建設(shè)了自己的慕課平臺，筆者所在學(xué)校主導(dǎo)建設(shè)了口袋大學(xué)慕課平臺. 使用自主開發(fā)平臺可以根據(jù)教學(xué)中的個(gè)性化需求增添相應(yīng)功能模塊，管理功能更為豐富. 當(dāng)然，如果本校沒有慕課平臺也可以將制作好的視頻等資源發(fā)布在國內(nèi)的知名慕課平臺上，這些平臺的要求會相對高. 比如中國大學(xué)MOOC平臺必須先通過學(xué)校云申請合作后方能發(fā)布視頻資源，而且一般還要求整個(gè)課程體系制作完成后才能發(fā)布.

3.4 慕課教學(xué)模式的應(yīng)用實(shí)踐

當(dāng)前少部分院校已經(jīng)開始在部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用了慕課教學(xué)模式，比如哈爾濱石油學(xué)院、西南科技大學(xué)、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)等院校[14]. 筆者所在學(xué)校也選取了部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在學(xué)院2015級電信專業(yè)部分學(xué)生中進(jìn)行了慕課教學(xué)模式的試點(diǎn)工作，從實(shí)驗(yàn)的效果來看結(jié)果比較符合預(yù)期. 這里總結(jié)光電效應(yīng)和普朗克常量的測定實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐. 此次實(shí)驗(yàn)開課前2周告知學(xué)生如何通過本校的慕課平臺觀看此次課程，并發(fā)布了本次實(shí)驗(yàn)課的相關(guān)要求. 為學(xué)生設(shè)計(jì)了2段慕課視頻，分別是預(yù)習(xí)視頻和操作講解視頻. 在預(yù)習(xí)視頻中向?qū)W生介紹光電效應(yīng)的歷史背景，幫助學(xué)生更深入地了解實(shí)驗(yàn)的歷史淵源及當(dāng)代的科技應(yīng)用，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣. 同時(shí)在自測題目中留下相應(yīng)問題，操作講解視頻供給學(xué)生自主學(xué)習(xí)使用，可以提前觀看也可以課上觀看，沒有提過多要求.

實(shí)驗(yàn)課上學(xué)生提問環(huán)節(jié)平均用時(shí)5 min左右，討論視頻中留下的問題平均用時(shí)15 min左右，討論后開始實(shí)驗(yàn). 相對傳統(tǒng)教學(xué)模式在實(shí)驗(yàn)操作過程中學(xué)生要求指導(dǎo)的問題明顯減少，學(xué)生實(shí)驗(yàn)成功率近100%. 對實(shí)施慕課教學(xué)和未實(shí)施慕課教學(xué)的班級進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)成績的統(tǒng)計(jì)如圖4所示. 從成績統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，試驗(yàn)班的本次實(shí)驗(yàn)成績明顯好于普通班級. 試驗(yàn)班低分段學(xué)生數(shù)略少于普通班. 普通班的成績70～79占比與80～89幾乎一樣多，中等成績過多，說明實(shí)驗(yàn)中隨眾的人比較多. 而從試驗(yàn)班成績可以看出80～89分?jǐn)?shù)段的人數(shù)明顯多于70～79分?jǐn)?shù)段人數(shù)，90分以上的有3人，說明通過慕課教學(xué)模式可以提升一部分中等生的成績，突出一部分優(yōu)秀生的成績. 實(shí)驗(yàn)成績的提升標(biāo)志著學(xué)生對知識的理解應(yīng)用能力、自主學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手能力都得到了相應(yīng)提高.

圖4 試驗(yàn)班和普通班成績分布圖

4 結(jié)束語

在全球慕課高速發(fā)展的背景下，參考國內(nèi)外知名教育機(jī)構(gòu)關(guān)于慕課的研究成果，尤其是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的研究成果，設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n資源或利用已有的優(yōu)秀慕課視頻資源，將其應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對于提升物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果有著舉足

輕重的意義. 根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)加強(qiáng)融入慕課教學(xué)模式的探索，對于提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識有著積極的作用.

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[責(zé)任編輯：郭 偉]

Research and practice of the teaching model of innovative physics experiment base on MOOC

WU Qing-zhou， WANG Tao

(College of Zijin, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210023, China)

An idea about how to organize MOOC video of physics experiment was presented, how to design the teaching process of MOOC was discussed, and how to use MOOC to achieve the flipped class of physics experiment was also explained. The practice had shown that the introduction of MOOC teaching model in experiment teaching was of better effect to enhance the efficiency of experimental teaching, and could improved students’ self-study ability and accomplishment of scientific experiment.

MOOC; physics experiment; teaching model; flipped classroom; self-learning

2017-01-17；修改日期：2017-03-20

高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)研究項(xiàng)目(No.01-201601-05)；江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃立 項(xiàng)課題(No.D/2016/01/06)；南京理工大學(xué)紫金學(xué)院教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目(No.20160102007)

吳慶州(1981-)，男，江蘇沛縣人，南京理工大學(xué)紫金學(xué)院講師，碩士，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新教育研究.

G642.423

B

1005-4642(2017)08-0040-04