多元化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建*

歐陽建明 彭 剛 鄭浩斌 羅 劍

劉振祥 沈 志 楊衛(wèi)新 段孟常

1 引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)對(duì)高校學(xué)生綜合實(shí)踐能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)提出了越來越高的要求.實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教學(xué)實(shí)踐體系中基礎(chǔ)實(shí)踐層次的核心[1]，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分.通過物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，學(xué)生可以鞏固所學(xué)物理知識(shí)，掌握基本實(shí)驗(yàn)方法，鍛煉基本物理實(shí)驗(yàn)技能，掌握基本物理量的測(cè)量以及基本儀器的使用，熟練使用基本數(shù)據(jù)處理方法，為其他實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ).在掌握知識(shí)的同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的學(xué)習(xí)態(tài)度，提高學(xué)生觀察及分析問題的能力、合作及與人共事的能力、自主學(xué)習(xí)的能力，掌握研究性學(xué)習(xí)的方法[1].

學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)離不開物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，構(gòu)建新的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是物理實(shí)驗(yàn)教育教學(xué)改革的重要發(fā)展方向.國(guó)防科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)長(zhǎng)期以來依托大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室和物理創(chuàng)新實(shí)踐基地，以培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)踐能力為目標(biāo)，開設(shè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程；以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力為目標(biāo)，開展本科生物理創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng).

原有的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)存在以下問題：

(1)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)20個(gè)左右的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所有學(xué)生均完成相同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)教學(xué)沒有層次化.

(2)實(shí)驗(yàn)課程由于受到實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)以及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制，大規(guī)模開設(shè)的公共基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程難以滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)時(shí)間的需求，學(xué)生只能在排課的時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)，其他時(shí)間很難接觸實(shí)驗(yàn)儀器.

(3)實(shí)驗(yàn)課程都要求學(xué)生實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)習(xí)，學(xué)生一般根據(jù)教材進(jìn)行預(yù)習(xí)，不夠直觀，很多學(xué)生照書抄預(yù)習(xí)報(bào)告，預(yù)習(xí)目的達(dá)不到.

國(guó)防科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程組以高素質(zhì)新型軍事人才實(shí)踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)，圍繞“以學(xué)生為中心，厚基礎(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐、重創(chuàng)新”的教學(xué)理念，將原有物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行拓展與創(chuàng)新，構(gòu)建了信息資源、自主實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)能力訓(xùn)練、創(chuàng)新能力提升“四元一體”的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，提供虛實(shí)結(jié)合、線上線下混合、從基礎(chǔ)到創(chuàng)新的層次化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)條件，為物理實(shí)驗(yàn)課程的線上線下混合式教學(xué)打下了良好的基礎(chǔ).

多元化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)由信息資源平臺(tái)、基礎(chǔ)訓(xùn)練平臺(tái)、創(chuàng)新提升平臺(tái)和自主實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等4部分構(gòu)成，分成線上和線下2部分.信息資源平臺(tái)主要由MOOC和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等構(gòu)成，基礎(chǔ)訓(xùn)練平臺(tái)主要由線下實(shí)驗(yàn)構(gòu)成，二者是基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ).自主實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是線上實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，通過線上布置，學(xué)生利用簡(jiǎn)單易獲取的材料自搭實(shí)驗(yàn)裝置，完成實(shí)驗(yàn).創(chuàng)新提升平臺(tái)通過物理創(chuàng)新項(xiàng)目、物理學(xué)科競(jìng)賽等方式提升學(xué)生的課外物理創(chuàng)新能力.

“四元一體”物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)成圖如圖1所示.

圖1 “四元一體”物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)成圖

2 融合MOOC與虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建信息資源平臺(tái)

基于現(xiàn)代信息化技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)，國(guó)防科技大學(xué)建設(shè)了數(shù)理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，該中心在2014年獲批為首批100所國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心之一.在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步融入大規(guī)模在線開放教育技術(shù)，2015年開始建設(shè)了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)MOOC，該課程包含虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、自主實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)、思想實(shí)驗(yàn)以及演示實(shí)驗(yàn)的五大實(shí)驗(yàn)內(nèi)容模塊，并出版了全國(guó)首本針對(duì)實(shí)驗(yàn)MOOC的教材.課程2017年春在中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)作為全國(guó)首門實(shí)驗(yàn)類MOOC上線[2].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)MOOC的創(chuàng)新建設(shè)，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)時(shí)間和地域的限制，實(shí)現(xiàn)了全地域、全天候開放學(xué)習(xí).依托大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)MOOC，學(xué)生可以進(jìn)行線上的物理實(shí)驗(yàn)理論學(xué)習(xí)，國(guó)家級(jí)數(shù)理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心可以提供50個(gè)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生在課前可以進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作與學(xué)習(xí).國(guó)家級(jí)數(shù)理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心和國(guó)家精品在線開放課程——大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，構(gòu)成了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息資源平臺(tái)，為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了優(yōu)質(zhì)的線上教學(xué)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境.

信息資源平臺(tái)在學(xué)生課前的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用，學(xué)生通過大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)MOOC的學(xué)習(xí)，可以了解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)應(yīng)用等內(nèi)容，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以提前了解儀器的構(gòu)造與使用，提高了預(yù)習(xí)效果.

3 基于遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)與手機(jī)物理實(shí)驗(yàn) 構(gòu)建自主實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

線上實(shí)驗(yàn)不光可以“虛”，也可以實(shí)現(xiàn)“實(shí)”，遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)以及自主實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)“實(shí)”的不足.遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)[3]是一種利用信息化技術(shù)，通過遠(yuǎn)程訪問，操控實(shí)體儀器而開展的實(shí)驗(yàn).與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過數(shù)值計(jì)算等方式獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)操控的是真實(shí)的實(shí)體儀器，得到的是真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.測(cè)量結(jié)果再通過攝像頭等方式進(jìn)行遠(yuǎn)程讀取，可以隨時(shí)隨地完成實(shí)驗(yàn).遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)可以作為實(shí)體實(shí)驗(yàn)的延伸，學(xué)生完成線下實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)后可以通過遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)行復(fù)習(xí)，遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合，解決了學(xué)生排課時(shí)間后難以接觸儀器的問題.

除了遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)外，學(xué)生也可以利用手機(jī)，結(jié)合自制簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置，開展基于手機(jī)的自主實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.智能手機(jī)中都集成了多種傳感器，例如加速度傳感器、重力傳感器、光傳感器、壓力傳感器、磁傳感器等等，通過“手機(jī)物理工坊”等APP，可以調(diào)用手機(jī)傳感器，實(shí)現(xiàn)加速度、壓強(qiáng)、磁場(chǎng)等物理量的測(cè)量，開展物理實(shí)驗(yàn)[4].

2020春季學(xué)期，突如其來的新冠肺炎疫情使得線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以實(shí)施.線上的信息資源平臺(tái)以及自主實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在學(xué)生返校前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮了重要作用，學(xué)生通過MOOC進(jìn)行實(shí)驗(yàn)理論部分的學(xué)習(xí)，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)以及基于手機(jī)APP的自主實(shí)驗(yàn)開展實(shí)驗(yàn)研究，完成了疫情期間的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng).

4 完善實(shí)驗(yàn)課程體系與項(xiàng)目體系構(gòu)建基礎(chǔ)能力訓(xùn)練平臺(tái)

國(guó)防科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室具有良好的基礎(chǔ)，2011年獲評(píng)湖南省普通高校實(shí)踐教學(xué)示范中心.在已有基礎(chǔ)上，物理實(shí)驗(yàn)中心通過重組、升級(jí)、新建等方式，建設(shè)了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室、技術(shù)物理實(shí)驗(yàn)室、近代物理實(shí)驗(yàn)室.其中大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室以學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)踐能力培養(yǎng)為主要目標(biāo)，包含基本實(shí)驗(yàn)知識(shí)、基本方法與技能、典型物理量測(cè)量等方面的訓(xùn)練，開設(shè)了涵蓋力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)以及近代物理的30余個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，形成模塊化、系列化的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系.新開設(shè)了模擬彈頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量、全息瞄準(zhǔn)鏡的制作、超聲成像等軍事特色實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高課程的軍味.在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程后，開設(shè)了技術(shù)物理實(shí)驗(yàn)、近代物理實(shí)驗(yàn)等進(jìn)階以及高階的物理實(shí)驗(yàn)公共選修課程，完善了物理實(shí)驗(yàn)課程體系.學(xué)生在完成大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程后，按照興趣選修相應(yīng)課程，在物理測(cè)量技術(shù)以及近代物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)等方面開展專門訓(xùn)練，進(jìn)一步提高物理實(shí)踐能力.

5 開展創(chuàng)新實(shí)踐與思想實(shí)驗(yàn)構(gòu)建創(chuàng)新能力促進(jìn)平臺(tái)

為滿足學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)的需求，物理實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)有大學(xué)生物理創(chuàng)新實(shí)踐基地，該基地2015年被認(rèn)定為湖南省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練中心.基地緊密圍繞物理學(xué)科競(jìng)賽與大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，建立了系統(tǒng)化培訓(xùn)和自由探索式相結(jié)合的創(chuàng)新活動(dòng)培養(yǎng)方式.所謂系統(tǒng)化培訓(xùn)主要面向?qū)W科競(jìng)賽，開展專題物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε嘤?xùn).自由探索則是學(xué)生依據(jù)自己興趣，自主提出物理創(chuàng)新課題，在教師指導(dǎo)下進(jìn)行研究，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和交流溝通能力.

思想實(shí)驗(yàn)是基于思維的虛擬實(shí)驗(yàn)，以邏輯推演為根據(jù)，憑借實(shí)驗(yàn)者的想象力，不受實(shí)驗(yàn)物質(zhì)條件的制約，被愛因斯坦稱之為“思維的自由創(chuàng)造”，是“理智的自由發(fā)明”.在創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)中通過思想實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生的科學(xué)思維能力.在教學(xué)過程中定期發(fā)布思想實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇題目，提出實(shí)驗(yàn)方案，有效地提高了學(xué)生對(duì)物體圖像的理解和建模能力、邏輯思維能力以及實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力.通過相關(guān)訓(xùn)練，受訓(xùn)學(xué)生參加國(guó)際大學(xué)生物理競(jìng)賽，連續(xù)4年獲得金獎(jiǎng)4項(xiàng)，銀獎(jiǎng)25項(xiàng).

6 多平臺(tái)交叉融合提升物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)品質(zhì)

信息資源平臺(tái)、自主實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、基礎(chǔ)能力訓(xùn)練平臺(tái)、創(chuàng)新能力促進(jìn)平臺(tái)，4個(gè)平臺(tái)相互關(guān)聯(lián)，相互交叉融合.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求能實(shí)則不虛，物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)以線下實(shí)體實(shí)驗(yàn)為主，以線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為輔，信息資源平臺(tái)為實(shí)體實(shí)驗(yàn)提供了有益的補(bǔ)充，拓展了物理實(shí)驗(yàn)的時(shí)域、空域，使得學(xué)生個(gè)性化實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)具有可能性，同時(shí)也彌補(bǔ)了實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)的不足.自主實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與信息資源平臺(tái) “虛”“實(shí)”結(jié)合，彌補(bǔ)了線上實(shí)驗(yàn)“實(shí)”的不足.多層次的基礎(chǔ)能力訓(xùn)練平臺(tái)夯實(shí)了學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，而?chuàng)新能力促進(jìn)平臺(tái)側(cè)重于提高學(xué)生的科學(xué)想象能力、科學(xué)思維能力以及自主創(chuàng)新能力.物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際中以基礎(chǔ)能力訓(xùn)練平臺(tái)為主，信息資源平臺(tái)、自主實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為輔，創(chuàng)新能力提升平臺(tái)為補(bǔ)充，4個(gè)平臺(tái)相互融合，有效地提高了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)品質(zhì).

7 多元化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)成效

信息資源、自主實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)能力訓(xùn)練、創(chuàng)新能力提升“四元一體”物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程混合式教學(xué)模式提供了虛實(shí)結(jié)合、線上線下混合、從基礎(chǔ)到創(chuàng)新層次化的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)條件.平臺(tái)的建設(shè)也取得了一些成果，物理實(shí)驗(yàn)課程組建設(shè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)MOOC于2018年先后獲得湖南省和國(guó)家精品在線開放課程認(rèn)定，自主開發(fā)的牛頓環(huán)等遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)儀器獲得了2016年全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)自制儀器評(píng)比三等獎(jiǎng).基于多元化的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程獲得2019年湖南省線上線下混合式一流本科課程認(rèn)定.培養(yǎng)的學(xué)生近3年參加國(guó)際大學(xué)生物理競(jìng)賽，獲得金獎(jiǎng)4項(xiàng)、銀獎(jiǎng)20余項(xiàng)，參加全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽，獲得一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、二等獎(jiǎng)3項(xiàng).