大學(xué)物理實驗智慧教學(xué)模式的構(gòu)建

戴玉蓉,惲如偉,熊宏齊

(1.東南大學(xué) a.物理學(xué)院;b.實驗室與設(shè)備管理處，江蘇 南京 211189；2.南京師范大學(xué) 智慧教育研究院，江蘇 南京 210096)

2008年IBM公司提出“智慧地球”的理念后，“智慧”的概念開始在多個領(lǐng)域普及使用，智慧教育、智慧學(xué)習(xí)的觀念也應(yīng)運(yùn)而生，并逐步成為教育教學(xué)改革的新理念和新模式. 《2020年地平線報告：教與學(xué)版》概述了影響未來教與學(xué)的關(guān)鍵趨勢和新興技術(shù)，指出當(dāng)技術(shù)嵌入到支持學(xué)習(xí)者和教師的框架中時，會產(chǎn)生重大影響[1]. 2018年，教育部發(fā)布的《教育信息化2.0行動計劃》提出了互聯(lián)網(wǎng)+教育戰(zhàn)略的具體實施綱要[2]，要求以學(xué)習(xí)者為中心，以智慧學(xué)習(xí)環(huán)境為平臺，利用計算機(jī)智能技術(shù)等加速推動創(chuàng)新人才的培養(yǎng)模式，改革現(xiàn)有的教學(xué)方法. 即在教學(xué)活動中，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，將學(xué)習(xí)工具、學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)活動融為一體，形成智慧式教與學(xué)的新模式. 以智慧學(xué)習(xí)為特征的人才培養(yǎng)模式，需要實現(xiàn)從應(yīng)用信息技術(shù)優(yōu)化課堂教學(xué)到應(yīng)用信息技術(shù)轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)模式，并形成與之相適應(yīng)的智慧教學(xué)模式[3-5]. 本文從研討式環(huán)境、數(shù)字化資源、智能化平臺等方面，探討在大學(xué)物理實驗教學(xué)中,綜合構(gòu)建線上與線下、課內(nèi)與課外、共性與個性、學(xué)習(xí)與探究有機(jī)融合的智慧教學(xué)模式，以促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)及創(chuàng)新能力的提升.

1 圍繞人才培養(yǎng)，打造適合智慧教學(xué)的研討式環(huán)境

區(qū)別于傳統(tǒng)實驗環(huán)境，適合智慧教學(xué)的研討式環(huán)境通常配備刷卡門禁系統(tǒng)、智能識別系統(tǒng)、交互式電子白板或觸摸式一體機(jī)等[6]. 通過將新一代信息技術(shù)融入教學(xué)環(huán)境，形成適合深度學(xué)習(xí)的智慧教學(xué)環(huán)境. 除了現(xiàn)代化的電子設(shè)備，從空間設(shè)計、水電設(shè)計、桌椅設(shè)計到儀器放置也要符合不同實驗項目的特點與需求. 其中，實驗桌椅可以適當(dāng)自由拼接，方便組內(nèi)、組間進(jìn)行交流研討，有效滿足不同層次、不同方向人才培養(yǎng)的需求[7].

在大學(xué)物理實驗課程中，實驗項目可分為3種類型:基礎(chǔ)驗證性實驗、自主探究性實驗和高階創(chuàng)新性實驗.

1)驗證性實驗主要是為了培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗素養(yǎng)，加深鞏固物理學(xué)知識. 這類實驗通常采用講授-驗證-應(yīng)用的教學(xué)模式，實驗儀器由實驗室統(tǒng)一安排，座位以傳統(tǒng)秧田式排列(利于教師管理課堂以及指導(dǎo)學(xué)生實驗操作)，學(xué)生刷卡派位后對號入座進(jìn)行實驗.

2)探究性實驗和創(chuàng)新性實驗旨在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和自主創(chuàng)新能力. 這類實驗通常采用開放-翻轉(zhuǎn)-研討的教學(xué)模式，從設(shè)備的選擇、方案的設(shè)計、數(shù)據(jù)的分析處理等都是開放的，往往需要互動式和討論式的學(xué)習(xí). 例如分光計實驗，為學(xué)生提供三棱鏡、光柵、DVD光盤等測量對象，實驗原理一致，但具體操作略有區(qū)別. 學(xué)生可以根據(jù)不同的測量對象自主設(shè)計方案，體現(xiàn)實驗的應(yīng)用性和創(chuàng)新性. 針對這種學(xué)習(xí)需求，除刷卡派位功能，還可設(shè)計智能儲物柜，部分實驗配件及工具放置于可移動儲物柜，學(xué)生自主掃碼取用、組裝，既節(jié)省空間，又能培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)備管理能力.

通過打造實驗教學(xué)環(huán)境，將現(xiàn)代化手段和智能設(shè)備切入整個教學(xué)過程，讓課堂變得生動、智慧和高效. 通過課中分組學(xué)習(xí)研討，教師可以快速掌握每位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并且進(jìn)行針對性指導(dǎo). 研討式的教學(xué)改變了傳統(tǒng)課堂教學(xué)中知識以直線教學(xué)方式傳遞給學(xué)生的模式，通過必要的討論、互動以及反思，培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考能力和創(chuàng)新意識[8-9].

2 目標(biāo)開放共享，建設(shè)利于智慧教學(xué)的數(shù)字化資源

數(shù)字化教學(xué)資源通常有電子教案、多媒體教學(xué)輔導(dǎo)軟件、小動畫、習(xí)題庫、理論講解短視頻、實驗操作微視頻、仿真實驗等. 這些數(shù)字資源(尤其是短視頻、小動畫等)一般控制在10 min之內(nèi)，主要針對1個知識點或1個小模塊進(jìn)行分析講解. 對于學(xué)習(xí)者來說，簡短清晰，適宜自主學(xué)習(xí)，可以通過手機(jī)、平板等智能終端設(shè)備在4A(any time， any where， any way， any pace)條件下，便捷地進(jìn)行3E(easy learning, engaged learning, effective learning)學(xué)習(xí).

隨著開放共享的在線課程的建設(shè)與發(fā)展，可以通過課程建設(shè)將分立的數(shù)字化資源串聯(lián)起來，通過揭示知識點之間的內(nèi)部邏輯，重構(gòu)個性化的知識體系，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力. 另外，針對建設(shè)困難、成本較高，或操作復(fù)雜、耗時較長的實驗，則可以采用虛擬仿真實驗的形式，如X射線衍射、電的產(chǎn)生與傳輸原理、康普頓散射等實驗，可利用國家虛擬仿真實驗共享平臺，使用共享資源. 學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境下可以不受硬件資源和時空限制，隨時隨地進(jìn)行實驗操作、模擬調(diào)試、方案驗證等. 線上、線下相結(jié)合的實驗教學(xué)可有效拓展實驗教學(xué)空間，充分利用教育部的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，將傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式切實地轉(zhuǎn)向智慧實驗教學(xué)模式.

3 回歸以生為本，搭建滿足智慧教學(xué)的智能化平臺

以生為本的實驗教學(xué)活動，不僅需要研討型環(huán)境和數(shù)字化資源，還需要能將其融合在一起的智能化實驗教學(xué)平臺，使得教學(xué)資源、教學(xué)活動、教學(xué)技術(shù)和教學(xué)方法實現(xiàn)全方位的融合，為學(xué)生的在線交流、資源共享、數(shù)據(jù)分析等提供技術(shù)支撐. 借助于智能平臺，學(xué)生在教師搭建的混合式學(xué)習(xí)環(huán)境中內(nèi)，通過自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)的方式，開展探究式學(xué)習(xí)，挖掘?qū)嶒瀯?chuàng)新之處，避免實驗中常見的問題與錯誤. 同時，教師可利用大數(shù)據(jù)、云計算、可視化技術(shù)等對教學(xué)過程中的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行科學(xué)化、精準(zhǔn)化的管理和調(diào)整[10].

另外，傳統(tǒng)的實驗成績評價多以出勤、預(yù)習(xí)、實驗操作、實驗報告完成情況為主，缺乏對學(xué)生實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)收集、合作探究過程的關(guān)注. 為此，在智能教學(xué)平臺內(nèi)，不僅要涵蓋以上環(huán)節(jié)，還要考慮數(shù)據(jù)分析和小課題研究等多個環(huán)節(jié)，從而形成全面、多維的評價模式，使得過程評價與結(jié)果評價相結(jié)合. 不僅如此，還要對學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)時間、學(xué)習(xí)頻率、學(xué)習(xí)軌跡等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、歸納和總結(jié)，以促進(jìn)學(xué)習(xí)者的個性化學(xué)習(xí)，從而有效促進(jìn)其綜合能力的提升.

4 融入教學(xué)實踐，形成環(huán)境+資源+平臺的智慧教學(xué)模式

在環(huán)境打造、資源建設(shè)的基礎(chǔ)上，借助于智能化平臺，可以實現(xiàn)實驗選課→學(xué)習(xí)資源推送→線下實體實驗→學(xué)習(xí)效果檢測→實驗環(huán)節(jié)分享→在線分組討論→數(shù)據(jù)自動采集→分析探究與報告撰寫→立體報告上傳→實時評閱反饋→學(xué)習(xí)行為大數(shù)據(jù)分析的教學(xué)全過程，如圖1所示，該過程融合了線上與線下、個性化與普遍性教學(xué)，覆蓋了課前、課中和課外.

圖1 智慧實驗教學(xué)的流程

實驗前，教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)任務(wù)，將數(shù)字化資源(資料文獻(xiàn)、教學(xué)視頻、預(yù)習(xí)測試、實驗設(shè)計、注意事項等)在智能實驗教學(xué)平臺進(jìn)行點對點的推送. 學(xué)生在云端完成預(yù)習(xí)，后臺將對相關(guān)數(shù)據(jù)做智能統(tǒng)計分析，便于教師在課前了解學(xué)生掌握的程度，從而調(diào)整教學(xué)方案和側(cè)重點.

實驗中，部分測量所得的原始數(shù)據(jù)可通過設(shè)備采集，直接上傳至實驗報告的數(shù)據(jù)表中，無需學(xué)生對著儀器手動抄錄，這種數(shù)據(jù)直接上傳、學(xué)生分析處理的形式，可最大程度地提高實驗效率，讓學(xué)生把更多的時間聚焦在實驗本身，將更多的精力放在對實驗的深層次理解和探究中. 當(dāng)學(xué)生遇到問題或教師發(fā)現(xiàn)問題時，可將出現(xiàn)問題的實驗數(shù)據(jù)、實驗現(xiàn)象在平臺上實時上傳分享，并通過研討型的教學(xué)環(huán)境和設(shè)施，開展師生之間、生生之間的研討和交流，從而分析問題并解決問題.

實驗后，學(xué)生在平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，完成電子實驗報告. 與傳統(tǒng)紙質(zhì)報告不同，電子報告可按需插入實驗圖片和視頻、小組討論的文字和圖片等，表現(xiàn)形式更加豐富、多元，更能體現(xiàn)教師對實驗過程的評價. 學(xué)生在實驗過程中的學(xué)習(xí)痕跡(包括預(yù)習(xí)、實驗進(jìn)度、報告評價和討論點評等)在系統(tǒng)中留存. 從實驗報告中每個模塊的得分情況，可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生實驗的薄弱點主要存在于哪些環(huán)節(jié)，比如由于操作不規(guī)范、測量不精確，導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)誤差較大，或者對小課題的研究深度不夠，等等. 根據(jù)平臺數(shù)據(jù)分析及情況反饋，學(xué)生可復(fù)習(xí)與再思考，或者對實驗開展進(jìn)一步討論與研究.

以三線扭擺法測定物體的轉(zhuǎn)動慣量實驗為例，要求學(xué)生進(jìn)實驗室之前先自主完成在線課程中的預(yù)習(xí)工作，掌握基本操作與原理，完成預(yù)習(xí)測試及預(yù)習(xí)報告并上傳. 進(jìn)實驗室后，教師對實驗操作不做過多展開，而是將教學(xué)重點放在實驗討論與思考上. 實驗過程中學(xué)生先獨立開展實驗，教師通過巡視檢查，以有針對性的指導(dǎo)等方式確保實驗的正常開展. 操作過程中教師提示學(xué)生注意思考，例如：實驗中，懸盤的懸線長度、擺角大小對轉(zhuǎn)動慣量的實驗值是否有影響？學(xué)生可以上網(wǎng)查資料，也可以交流討論，但最終要匯報詳細(xì)的分析過程，如必要的實驗數(shù)據(jù)、理論推導(dǎo)、結(jié)果討論等. 這種教學(xué)形式不僅拓寬了學(xué)生的專業(yè)視野，而且還提高了學(xué)生自主實驗的積極性、主動性.

以上實驗教學(xué)過程包含了智慧教學(xué)的5個關(guān)鍵要素:以學(xué)生為中心、資源的開放共享、多樣化的互動研討、實時的統(tǒng)計與分析以及集成化的管理平臺[11].

5 結(jié) 論

根據(jù)大學(xué)物理實驗教與學(xué)的需求，從資源到課程，從管理平臺到教學(xué)平臺，從網(wǎng)絡(luò)輔助到智慧課堂，新的實驗教學(xué)模式突破了信息技術(shù)僅為教學(xué)手段的功能局限，將網(wǎng)絡(luò)、人工智能、教育大數(shù)據(jù)等新技術(shù)引入教學(xué)，通過動態(tài)開放的智慧模式實現(xiàn)合作探究的學(xué)習(xí)互動，不但在教學(xué)過程中實現(xiàn)了線上線下的智慧交互，而且還拓展了學(xué)生在課前課后的自主研學(xué)，幫助學(xué)生完成了從實驗知識理解到綜合能力提高,從實驗技能掌握到創(chuàng)新設(shè)計能力培養(yǎng)的多層轉(zhuǎn)變. 在實現(xiàn)資源推送智能化、交流互動立體化、評價反饋即時化和教學(xué)決策數(shù)據(jù)化的同時，能有效培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和設(shè)計性思維，使得學(xué)生真正從被動學(xué)習(xí)者轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)者、批判性學(xué)習(xí)者和探究式學(xué)習(xí)者.