連增菊，王培卿

（寧波大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315211）

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為實(shí)踐性自然科學(xué)基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、科學(xué)思維能力、實(shí)踐能力、合作精神和創(chuàng)新創(chuàng)造能力等方面肩負(fù)著重大的責(zé)任[1-5]。然而，在知識(shí)結(jié)構(gòu)迅速更新?lián)Q代的當(dāng)下，傳統(tǒng)單一的線下教學(xué)在人才培養(yǎng)方面越來(lái)越顯得疲軟無(wú)力[6-8]。自從1999年教育部出臺(tái)《面向21世紀(jì)教育振興行動(dòng)計(jì)劃》實(shí)施擴(kuò)招以來(lái)，普通綜合性大學(xué)中的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程一次承擔(dān)的學(xué)生人數(shù)基本穩(wěn)定在千人以上，有的甚至逼近3000人[9]。如此龐大的人數(shù)大大增加了教師的工作強(qiáng)度和重復(fù)度，從而導(dǎo)致教師工作激情降低，教師思想禁錮，很難發(fā)揮教師在教學(xué)中積極引導(dǎo)和創(chuàng)新性教學(xué)的作用。傳統(tǒng)的“教師講授實(shí)驗(yàn)原理步驟—學(xué)生操作—課后數(shù)據(jù)處理”的課堂教學(xué)流程，也因其單一化和模式化未能有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，借助現(xiàn)代先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)，讓教師跳出繁重的重復(fù)性工作，并對(duì)學(xué)生進(jìn)行分類多層次教學(xué)顯得十分必要而緊迫。另外，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)面向的是理工科類大一學(xué)生，這些學(xué)生剛從封閉式、教師陪練式的高中學(xué)習(xí)進(jìn)入到開放性自主式的大學(xué)學(xué)習(xí)。很多同學(xué)并未能適應(yīng)這種學(xué)習(xí)方式的變化，從而容易迷失在從無(wú)人管束到自我放任的道路中。因此，傳統(tǒng)的線下孤立的預(yù)習(xí)模式，在自主學(xué)習(xí)能力和自制力相對(duì)薄弱的大一新生面前往往淪陷為簡(jiǎn)單的文字抄寫工作，從而失去了實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的本來(lái)目的和意義。由于實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的不到位，也使得很多同學(xué)在實(shí)驗(yàn)課堂中疲于應(yīng)付，一味地依樣畫葫蘆缺乏自主思考的過(guò)程，對(duì)所作實(shí)驗(yàn)往往一知半解，甚至完全不解，更不用說(shuō)創(chuàng)新能力和合作精神的培養(yǎng)。因此，建立一個(gè)有效的實(shí)時(shí)監(jiān)督的預(yù)習(xí)體系幫助自制力較弱的大一新生進(jìn)行有效預(yù)習(xí)并提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是十分必要的。其中借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建網(wǎng)絡(luò)預(yù)習(xí)平臺(tái)和仿真平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一個(gè)十分有效的方式。另一方面，在這幾千的新生中不乏優(yōu)秀的學(xué)生，他們自主自律有自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)。這類學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)到位，做大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)得心應(yīng)手，甚至覺得有點(diǎn)過(guò)于簡(jiǎn)單。對(duì)于這類學(xué)生，把每次4學(xué)時(shí)的時(shí)間完全耗在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)上著實(shí)有點(diǎn)荒廢時(shí)間。他們有能力也往往有強(qiáng)烈的愿望進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)。對(duì)這類學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)開展開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)將更有效地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。因此，根據(jù)不同的學(xué)生的學(xué)習(xí)能力進(jìn)行分層教學(xué)是十分必要而迫切的。我校對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了線上線下混合式多層次教學(xué)的初步改革，并取得了初步的成效。本文即對(duì)我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程改革中的混合式多層次教學(xué)模式進(jìn)行詳細(xì)介紹（教學(xué)改革模型見圖1），以期給物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革帶來(lái)新的思路和方案。

圖1 基于線上線下混合課堂的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)多層次教學(xué)模型

1 課前導(dǎo)學(xué)，視頻+仿真的集中翻轉(zhuǎn)

課前導(dǎo)學(xué)就是通過(guò)下發(fā)學(xué)習(xí)任務(wù)、觀看教學(xué)視頻、仿真練習(xí)和提出問(wèn)題的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。

在實(shí)驗(yàn)課前一周我們下發(fā)學(xué)習(xí)任務(wù)，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⑿枰煜さ膶?shí)驗(yàn)儀器和原理、要解決的物理問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)方法。讓學(xué)生帶著學(xué)習(xí)任務(wù)在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上（我校采用超星學(xué)習(xí)通）觀看學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理和教學(xué)視頻。教學(xué)視頻包括實(shí)驗(yàn)原理講解、實(shí)驗(yàn)步驟演示和實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)。也就是說(shuō)，我們把傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課堂中的原理和演示部分實(shí)現(xiàn)了課前的線上翻轉(zhuǎn)，突破這部分內(nèi)容學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間的限制，同時(shí)也為學(xué)生留出更多的課堂時(shí)間進(jìn)行課堂討論、自主思考和分層實(shí)驗(yàn)。線上視頻長(zhǎng)期有效，學(xué)生可以反復(fù)觀看視頻以求充分學(xué)習(xí)理解。視頻學(xué)習(xí)之后，學(xué)生還需要完成相應(yīng)的試題以便檢測(cè)預(yù)習(xí)效果。線上每個(gè)視頻一般在10～15分鐘之間，測(cè)試題大概4～6題。學(xué)生完成整個(gè)視頻觀看和試題基本在25分鐘之內(nèi)，這個(gè)時(shí)間基本在學(xué)生的有效學(xué)習(xí)時(shí)間范圍內(nèi)。教師可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)（超星學(xué)習(xí)通）實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生視頻學(xué)習(xí)情況和試題檢測(cè)結(jié)果。學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)將計(jì)入最后的實(shí)驗(yàn)成績(jī)，這在一定程度上可以實(shí)時(shí)督促學(xué)生的課前預(yù)習(xí)，避免自制力相對(duì)較弱的大一新生陷入無(wú)人監(jiān)管的放羊式教學(xué)中，同時(shí)也可以讓教師從繁重的人工批改預(yù)習(xí)報(bào)告的重復(fù)工作中解放出來(lái)，并能擠出更多的時(shí)間進(jìn)行學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在此環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)中，鼓勵(lì)學(xué)生碰到問(wèn)題及時(shí)主動(dòng)與教師和同學(xué)進(jìn)行線上線下交流，此過(guò)程顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

完成網(wǎng)絡(luò)視頻學(xué)習(xí)后，學(xué)生可以通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行線上預(yù)實(shí)驗(yàn)。此環(huán)節(jié)，學(xué)生的主要任務(wù)：①熟悉實(shí)驗(yàn)儀器；②熟悉實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程；③提出問(wèn)題。仿真實(shí)驗(yàn)中的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器在外觀結(jié)構(gòu)上和功能布局上與我們線下的儀器基本一致，學(xué)生可以通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)充分熟悉實(shí)驗(yàn)儀器。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)操作熟悉該實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程和需要解決的物理問(wèn)題。仿真系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的仿真實(shí)驗(yàn)操作可以進(jìn)行自動(dòng)打分。學(xué)生對(duì)掌握不好的實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行重復(fù)操作，系統(tǒng)保留學(xué)生操作的最高分。這個(gè)不光可以讓學(xué)生有效地檢驗(yàn)自己的學(xué)習(xí)效果，還可以增加學(xué)生的自信心。仿真實(shí)驗(yàn)由于其虛擬性，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以隨時(shí)被叫停，使得學(xué)生有充分的時(shí)間進(jìn)行深入的思考并提出問(wèn)題進(jìn)行討論。

通過(guò)學(xué)習(xí)通上的理論和實(shí)際操作視頻的學(xué)習(xí)以及仿真實(shí)驗(yàn)的操作，學(xué)生可以充分地明確學(xué)習(xí)任務(wù)，理解實(shí)驗(yàn)理論，熟悉實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程并在學(xué)習(xí)中提出有效問(wèn)題。在次環(huán)節(jié)中，鼓勵(lì)學(xué)有余力的同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康目梢蕴岢雠c教材不同的設(shè)計(jì)方案或者改進(jìn)方案，鍛煉學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。當(dāng)然，提出一個(gè)新的或改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案是一個(gè)相對(duì)困難并需要長(zhǎng)期思考的過(guò)程，整個(gè)方案的提出和設(shè)計(jì)可能是貫穿線上線下實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程的。后期，我們將對(duì)好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行展示、加分等適當(dāng)鼓勵(lì)。

2 課堂實(shí)踐，分層教學(xué)

有了前期的課程導(dǎo)學(xué)，線下實(shí)驗(yàn)課程可以根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況及問(wèn)題收集情況進(jìn)行有針對(duì)性的講解和討論，同時(shí)根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的不同安排不同層次的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行因材施教，并充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此，線下的實(shí)驗(yàn)課堂我們主要分三個(gè)階段進(jìn)行。

第一階段，問(wèn)題分析討論階段。教師根據(jù)學(xué)生線上視頻學(xué)習(xí)和仿真情況，對(duì)學(xué)生的疑問(wèn)和前期預(yù)習(xí)進(jìn)行分析，以學(xué)生在線提出的問(wèn)題為主、教師補(bǔ)充的問(wèn)題為輔進(jìn)行交流討論。對(duì)于有與教材或線上視頻不同設(shè)計(jì)方案的同學(xué)可以闡述各自的設(shè)計(jì)思路，對(duì)重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題加以說(shuō)明。

第二階段，實(shí)驗(yàn)操作階段。所有學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)按要求完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生分組（1～2人）獨(dú)立完成。大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、獨(dú)立思考能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維能力，并加深對(duì)物理基本規(guī)律和定律的理解。因此，這個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)，我們要求學(xué)生獨(dú)立完成（除了個(gè)別實(shí)驗(yàn)，如用拉伸法測(cè)金屬絲的彈性模量，需要2人合作完成外），遇到問(wèn)題要求學(xué)生先進(jìn)行獨(dú)立思考，如仍未能解決，可以尋求教師的幫助。由于有了前期的課前導(dǎo)讀尤其是仿真實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的操作時(shí)間明顯比傳統(tǒng)單一線下教學(xué)模式的操作時(shí)間短很多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，個(gè)別班級(jí)的個(gè)別實(shí)驗(yàn)的操作時(shí)間可以比傳統(tǒng)教學(xué)模式的操作時(shí)間縮短50%。這個(gè)階段學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作速度的提高，可以為學(xué)生騰出更多的時(shí)間進(jìn)行下階段的分層教學(xué)。

第三階段，對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生，完成課程內(nèi)容后，根據(jù)學(xué)生需求進(jìn)行分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)。對(duì)于有創(chuàng)新方案的同學(xué)，可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)（教師提供相應(yīng)的輔助器材，并提供相應(yīng)的幫助）。對(duì)于動(dòng)手能力較強(qiáng)并且對(duì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充內(nèi)容有興趣的同學(xué)，可以進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，教師提供相應(yīng)的引導(dǎo)和討論。如，在完成“用霍爾元件測(cè)量磁場(chǎng)”實(shí)驗(yàn)后，我們可以讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量霍爾元件的電學(xué)性質(zhì)；在完成“用扭擺法測(cè)定物理轉(zhuǎn)動(dòng)慣量”后，可以讓學(xué)生利用轉(zhuǎn)動(dòng)定律測(cè)量給定鋼絲的切變模量。這階段的實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的進(jìn)一步拓展，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。因此，此階段實(shí)驗(yàn)，我們鼓勵(lì)學(xué)生成立團(tuán)隊(duì)小組，分工完成。這階段的實(shí)驗(yàn)出于學(xué)生自愿不強(qiáng)制要求，但是我們可以通過(guò)加分、參加各類實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽入門資格的方式鼓勵(lì)學(xué)生參與。這階段的實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作和自主創(chuàng)新能力，難度比基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)稍大，耗時(shí)也相對(duì)較長(zhǎng)，因此這部分的實(shí)驗(yàn)有時(shí)候不能在課堂上一次完成。鑒于此，我們把實(shí)驗(yàn)室向這部分學(xué)生開放，鼓勵(lì)學(xué)生利用課余時(shí)間繼續(xù)完成這部分實(shí)驗(yàn)。最終能順利完成實(shí)驗(yàn)的，往往是對(duì)物理實(shí)驗(yàn)真正感興趣的學(xué)生，這為我們下一階段的拓展實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)，也物色了人才。

3 課后分層拓展，適時(shí)翻轉(zhuǎn)

這一環(huán)節(jié)是對(duì)前期學(xué)習(xí)的鞏固、升華，并為下一階段的自主創(chuàng)新做準(zhǔn)備。學(xué)生完成線下實(shí)驗(yàn)后首先必須完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和思考題。教師利用網(wǎng)絡(luò)課程論壇以及 QQ等社交工具為學(xué)生創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)反思和經(jīng)驗(yàn)分享的空間社區(qū)。學(xué)生可以在這些空間社區(qū)里交流彼此的疑問(wèn)及收獲，并根據(jù)教師推薦的相關(guān)資源拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

對(duì)于動(dòng)手能力較強(qiáng)并對(duì)實(shí)驗(yàn)感興趣的同學(xué)根據(jù)學(xué)生的情況進(jìn)行前期的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)探索。這些實(shí)驗(yàn)探索主要包括研究性探索實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽。對(duì)于這些學(xué)生，教師可以結(jié)合學(xué)生目前的知識(shí)結(jié)構(gòu)提供相應(yīng)的前沿性物理問(wèn)題。教師和學(xué)生課后可以就提供的物理問(wèn)題進(jìn)行線上線下充分的討論，并組隊(duì)討論提出可能的設(shè)計(jì)方案，為后期的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。對(duì)這類學(xué)生，教師鼓勵(lì)學(xué)生嘗試運(yùn)用Origin、Excel、Maple、Matlab等軟件對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對(duì)程度好的同學(xué)，還可以鼓勵(lì)學(xué)生用Matlab，C語(yǔ)言，Python等模擬實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。讓學(xué)生熟悉常用數(shù)據(jù)處理和模擬工具，對(duì)后期的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理和模擬工作做準(zhǔn)備。教師根據(jù)學(xué)生長(zhǎng)期交流和討論的情況最終推薦學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)及競(jìng)賽實(shí)訓(xùn)，為將來(lái)的畢業(yè)論文、科研工作及各類競(jìng)賽，如“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生學(xué)術(shù)競(jìng)賽（CUPT）、大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽等做好準(zhǔn)備。在這個(gè)階段中，我們鼓勵(lì)學(xué)生在課程空間社區(qū)中分享各自好的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于好的作品我們通過(guò)視頻拍攝、仿真制作等后期制作逐步補(bǔ)充到線上學(xué)習(xí)資料中，從而為將來(lái)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供更為豐富而完善的學(xué)習(xí)資料。

此環(huán)節(jié)的實(shí)施，在鞏固和提升學(xué)生的前期學(xué)習(xí)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力的同時(shí)，也能有效地為教師物色適合實(shí)施創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和各類實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽的優(yōu)秀學(xué)生。為了能更加有效地進(jìn)行分層教學(xué)，我們最近依次開設(shè)了“開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”“物理競(jìng)賽實(shí)訓(xùn)”等拓展實(shí)驗(yàn)課程。經(jīng)過(guò)幾年的課程建設(shè)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)明顯增強(qiáng)，參加各類實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽的學(xué)生人數(shù)逐年上升。同時(shí)，我校在物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽中也取得了多項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)的突破。我院在中國(guó)大學(xué)學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽、挑戰(zhàn)杯、互聯(lián)網(wǎng)+、大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽等斬獲的獎(jiǎng)項(xiàng)逐年增多，并獲得全國(guó)一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)等好成績(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于線上線下混合課堂的多層次教學(xué)為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了一個(gè)新的思路和方案。該教學(xué)模式充分利用了當(dāng)下網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)線上視頻導(dǎo)學(xué)、仿真實(shí)驗(yàn)、線上實(shí)時(shí)或異步互動(dòng)等各類線上活動(dòng)，結(jié)合線下基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽和開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，避免傳統(tǒng)教學(xué)的枯燥性與說(shuō)教性，同時(shí)把教師從繁重的重復(fù)性簡(jiǎn)單工作中解脫出來(lái)，留出更多的時(shí)間精力來(lái)真正培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)力、創(chuàng)造力和團(tuán)隊(duì)合作能力。另外，通過(guò)分層教學(xué)，充分考慮學(xué)生的個(gè)體差異，因材施教，提高課堂教學(xué)效能，并有效鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的能力和動(dòng)手操作能力，營(yíng)造多層次的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新氛圍，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作和創(chuàng)新創(chuàng)造能力。