大学物理实验金课建设与实践

　　摘要：新冠肺炎疫情的全球暴发凸显大学传统教学与当代教育技术完美融合的重要性。在疫情之下，以泛在学习理论与混合学习理论为理论基础的“大学物理实验”金课进行了持续建设和实践。本文具体阐述“大学物理实验”金课的建设体系，以丰富新颖的教学内容为核心，以线上线下混合式教学模式为目标，逐步建设虚拟仿真实验辅助平台，积极进行了教学实践。

　　关键词：新冠肺炎；大学物理实验；金课

　　2020年初，突如其来的新型肺炎疫情彻底打破传统的教学模式，随着新冠肺炎疫情的全球暴发，更加凸显了大学传统教学与当代教育技术完美融合的重要性。为深入贯彻落实习近平总书记“关于坚决打赢疫情防控阻击战的重要指示精神”，2020年2月教育部发布了《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》，要求各高校应“充分利用优质在线课程教学资源，依托各级各类在线课程平台、校内网络学习空间等，积极开展线上授课和线上学习等在线教学活动，保证疫情防控期间教学进度和教学质量”，实现“停课不停教、停课不停学”[1]，这与教育部提出的“建设金课、淘汰水课”的目的与目标一致。从本质上来讲，都是由我国教育目标所决定，教高〔2018〕2号文件强调“到2035年，形成中国特色、世界一流的高水平本科教育，为建设高等教育强国、加快实现教育现代化提供有力支撑。”[2]2018年6月21日150所高校联合发出《一流本科教育宣言（成都宣言）》，再次强调“高教大计，本科为本。”与此同时，教育部部长陈宝生首次提出“金课”概念，要求“合理增加课程难度、拓展课程深度、扩大课程的选择性。”[3]2018年8月，“金课”首次被写入教育部文件(教高〔2018〕8号)，要求各高校要全面梳理各门课程的教学内容，淘汰“水课”，打造“金课”，切实提高课程教学质量。课程是人才培养的核心要素，直接关乎教育质量[4]和人才培养质量，正如教育部高等教育司司长吴岩[5]表示：“课程是人才培养的核心要素，是教育的微观问题，解决的却是战略大问题。”由此可见，国家要建设具有中国特色、拥有世界一流的高水平本科教育，其核心与关键就要提升核心课程的教学质量，建设一批具有“两性一度”的“金课”尤其重要与迫切，这里的“两性一度”，即高阶性、创新性、挑战度，是对“金课”建设的要求。物理学是自然科学的基础，而物理实验又是物理学的基础。从专业体系的角度来看，大学物理实验占有举足轻重的专业地位，正如著名物理学家丁肇中所说“没有实验证明的理论是没有用的，理论不能推翻实验，而物理实验则可以推翻理论。”从国家高校人才培养方案的角度来看，“大学物理实验”是理工科高校最重要的公共基础课程和专业素质课程之一，是学生进入大学后接受系统实验技能及科学实验数据处理训练的一门非常重要的必修实验课。它不仅能够帮助学生对抽象的物理知识加深理解，而且还能培养学生对物理学科的兴趣，提高学生对事物的观察能力以及逻辑思维能力，是大学生从理论转向实践的重要环节[6]。我国高校中“大学物理实验”开设面广、受益面大，对“实现新世纪人才培养目标”起着至关重要的作用。从而，在新时代和背景下，“大学物理实验”金课的长期建设与教学实践将是我国高校一线物理专业教师所面临的重要课题，也是一项艰巨的任务[7]。任何一门课程的建设与教学实践都是长久的工作，它需要一线教师花费大量精力与时间进行发展与建设。在新冠肺炎疫情之下，基于多年教学探索成果，我们一直努力以“两性一度”为标准，分别探究了“大学物理实验”金课建设与教学探索的理论基础，并积极持续建设“大学物理实验”金课体系，包括教学内容、教学手段和辅助平台的建立，并积极进行教学实践。

　　一、泛在学习理论与混合学习理论是“大学物理实验”金课的理论基础

　　“金课”建设是当前高等教育领域的热点，也是强化本科教育的关键。教育部文件中的“金课”是描述性概念，是一种教学实践模式、一种教学形态和教学理念，更是一种价值追求，其意义就是为现实教学产生一种动力、牵引、导向作用，这必须与教学规律、学生特点相结合。每一门“金课”的建设与实践必须遵循适应当代学生特点的教学规律、教学实践准则，这是进行“大学物理实验”金课的首要条件。泛在学习理论与混合学习理论是当代“大学物理实验”金课建设的教学理论基础。首先，泛在学习就是指无时无刻地沟通交流、无处不在地学习，最具有4A(anyone,anytime,anywhere,anyway)方式的移动学习特点[8]。在当代互联网学习环境下，如何通过泛在学习所需的技术环境和具有泛在学习理念的人文情境来建立泛在学习中的各类教学资源库，以满足不同类型学习者的不同学习任务和要求，是当前教育信息化背景下对信息化教学提出的新课题。然后，混合学习是结合传统学习方式和数字化、虚拟仿真化、网络化学习的优势，既要发挥教师的主导作用，又要体现出学习者作为学习过程主体的主动性、积极性和创造性的学习过程。从教育学与心理学的角度，“大学物理实验”金课的建设与教学实践不是教学资源的堆积，而是在上述教学理念与技术规范指导下的以提高教学质量为目标的一个系统化、科学化的工程，也是一个随着技术发展和知识更新而不断探索前行的过程，这些均要考虑泛在学习理论与混合学习理论。

　　二、“大学物理实验”金课的建设与实践必须适应教育规律

　　任何一门课程的教学均脱离不了时代的发展。随着移动互联网、智能手机、通信技术的飞速发展与普及，教育与信息化教学手段与方式相互交叉融合，引起教师和学生的广泛关注，发展非常迅猛，创造了现代教育混合教学模式发展的奇迹，比如：微课、慕课、翻转课堂、虚拟仿真、虚拟现实平台等。这些教学模式具有方便快捷、趣味性强等特点，吸引了更多年轻人的关注，几乎“00后”大学生均在使用这些现代化教学技术进行学习与交流。“大学物理实验”是理工科专业必修的一门课程，知识点比较多，教学课时比较少，理论性与实际实验操作结合性比较强，存在许多非常抽象的物理概念、原理、图像，导致了学生对预习和自学产生畏惧，降低学习的积极性，这一直是本课程传统教学存在的顽疾。从大学物理实验条件来看，全国理工科高校学生众多、实验室条件有限，在进行“大学物理实验”的教学过程中，普遍存在实验仪器资源紧张、教师教学任务重等情况。例如，2019年秋，中国地质大学（北京）物理实验教学中心要承担着全校54个班级、1800多名学生的“大学物理实验”课程，年上课人时数达10.5万，有限的教师很难在有限的时间内细致地指导大批的学生，设计性和探索性实验更是难以开展。“大学物理实验”课程受一定的时间、教学实验条件、场地、成本、安全等因素的制约，正常进行教学实验操作比较困难，从本质上来讲，这些均与在新冠肺炎疫情之下“停课不停学”面临的关键问题是一致的。在进行“大学物理实验”金课的持续建设与实践过程中，中国地质大学（北京）物理实验中心更新教学与实验的旧观念，重点采用了符合现代教育技术的辅助教学模式，融合先进实验方法，加强优质资源的利用与开发，提高了学生的学习兴趣，增强了学生的创造能力和实践能力。在新冠肺炎疫情之下，在进行“大学物理实验”金课的持续建设与实践过程中，首先完成了与现代信息技术进行深度融合，建设了较多开放型、网络化、多层次、综合性的虚拟(物理实验)仿真教学实验平台点，这些融合均能够有效地弥补传统的“大学物理实验”课程受场地、成本、安全等因素制约的缺陷，有效解决了“大学物理实验”教学目标完成所遇到的关键困难，较好完成了2020年春季“停课不停学”的教学任务[9]。

　　三、丰富新颖的教学内容是“大学物理实验”金课建设与实践的前提

　　中国地质大学（北京）物理实验中心多年积累的硬件基础、软件基础与实践基础均是“大学物理实验”金课持续建设与教学实践的基础，在新冠肺炎疫情之下，它们发挥了巨大作用。1.教材建设教材建设是课程的灵魂。紧密结合“大学物理实验”的课程特点，我们在多年教学实践的基础之上，编写《大学物理实验》教材，除了加入物理经典实验，该教材还专门增加仿真实验等信息化教学的相关内容。由于特点鲜明、专业特色突出，教材《大学物理实验》被评为北京市精品教材。2014年至今，该教材不断修订与完善，加大虚拟仿真实验的比重，进行再版。2.多年积累与建设的“大学物理实验”教学方法是实验教学最宝贵的材料“大学物理实验”教学视频材料是建设的重点，尝试让慕课与翻转课堂、微课小视频共同协助学生完成教学任务，三者相互协调进行，系统地完成“大学物理实验”课程的教学内涵。我们紧紧围绕“大学物理实验”的教学内容与教学目标，分别进行部分章节实验内容的视频化，均放在我校物理实验教学中心的网站上，每位学生均可以在线浏览或者手机下载进行学习与观看。这些视频更加形象和直观，能够更好地展现实验的动态过程，特别是较好解决了操作中的细节问题，真正为学生提供了提高学习效率的有效途径，得到学生的一致好评。

　　四、实践教学平台是“大学物理实验”金课持续建设的双翼

　　近几年，紧紧围绕“大学物理实验”的深入改革，着手把虚拟VR技术引入“大学物理实验”的教学之中，分别建立了部分物理实验内容的虚拟仿真实验、虚拟现实平台，具体包括“示波器的使用、分光计的调节、长度与固体密度测量、光电效应和普朗克常数的测定、声速测量”等5个虚拟仿真在线实验，这些虚拟VR实验与真实实验平台完全类似，可供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备，并利用互联网通过接近真实的人机交互界面完成实验预习，起到了对实验内容了解、预做、熟悉的目的，解决了实验预习环节中学生无法看到实验仪器的问题，从而，深层次地提升了“大学物理实验”的教学质量。在疫情之下，在把虚拟仿真VR技术引入虚拟物理实验平台上的同时，还编著了带有VR技术的教材，只需要手机扫“微信二维码”，就可以将许多图片变成了动态的立体图形，无论从学习兴趣、还是从观察物理实验角度上，都从本质上提升了学生理解与学习能力，提升了“大学物理实验”的教学质量（图1）。除此之外，以本为本，特别设计“启发式的多层次居家自主物理实验”部分，具体包括头发的直径、水瓶的重心位置、电动牙刷的振动频率、屏幕的分辨率、羽毛的条纹间距的测量、淀粉溶液形成的非牛顿流体性质的定量等，深受学生喜欢，教学效果较好，可以纳入“大学物理实验”金课建设案例之中，并且这一部分可作为持续建设项目，作为突发状况期间应急教学的实验案例。

　　五、及时调整“大学物理实验”金课的评价反馈体系

　　评价反馈是反映“大学物理实验”金课教学效果的重要途径，是对教学过程的监控，“大学物理实验”金课的评价反馈体系具体渗透于本课程的课前、课中、课后、答疑、延伸、反馈等具体环节，对改善与提升本课程教学质量起到非常重要作用。在新冠肺炎疫情之下，在“大学物理实验”金课持续建设与实践过程中，教师和学生可以在公众平台上发表专业疑惑、教学意见等，可以学生问、人人答，教师看到意见后及时对教学方法做出调整，改变了“大学物理实验”传统教学活动中“学生不敢提意见”的现状，师生互动空间无限增大。综上所述，“大学物理实验”金课建设与教学实践不是短暂工作，它是一项长期的、可持续的创新建设与教学实践的过程，必须与时俱进，必须适应时代需求，必须符合教学规律。在新冠肺炎疫情之下，在“大学物理实验”金课持续建设与教学实践中，积累了丰富的教学内容与实践经验，该课程增加了“启发式的多层次居家自主物理实验”特色部分，具体通过合理运用现代信息技术手段，积极设计物理实验内容，努力开辟了“智能+教学+实践”新颖的教学手段与途径。

　　作者：李传涛 郑志远 郝会颖 单位：中国地质大学（北京）数理学院