混合式專業(yè)實驗教學探索與實踐
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摘要：針對傳統(tǒng)專業(yè)實驗教學模式中存在的理論教學與實驗教學無法有效銜接、實驗教學內(nèi)容固定、學生發(fā)揮余地很少及實驗成效不高等問題，以普通物理中的“分光計”實驗為例，探索實踐了“理論教學+線上視頻與平臺仿真+線下實體實驗”混合式專業(yè)實驗教學模式。實踐結(jié)果表明：該模式可在實現(xiàn)理論教學和實驗教學有效和諧共振基礎上，減小儀器設備投入，突破實驗時空限制，調(diào)動學生自主學習積極性，開闊學生思維和視野，切實提高學生實驗技能、綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新意識。
關鍵詞：混合式教學；專業(yè)實驗；創(chuàng)新能力培養(yǎng)
一、傳統(tǒng)專業(yè)實驗教學存在的主要問題
在傳統(tǒng)專業(yè)實驗教學模式中，實驗內(nèi)容基本上為鞏固和加深理論教學而安排，通常要求學生通過實驗加深對理論知識的認識。該實驗教學模式存在的主要問題，可以歸納為以下幾點[2]。
（一）理論教學與實驗教學無法實現(xiàn)和諧共振
目前，專業(yè)課程的理論和實驗教學方式一般分為兩種：一是理論課和實驗課分開，各自構(gòu)建體系；另一種是理論和實驗結(jié)合在一起，在理論課講解相應知識點之后開展實驗。兩種方式各有特點，也各有不足。理論課和實驗課分開，從各自課程體系的角度確實有一定的好處，但不可避免地存在著理論和實驗的脫節(jié)。而理論和實驗合在一起的方式，每次知識點講解過后就開展相應的實驗，單從知識點理論和實踐之間的銜接可以做得相對較好，但這樣做實驗內(nèi)容相對簡單，只能以驗證性實驗為主，很難開展綜合性、系統(tǒng)性、設計性實驗，理論教學與實驗教學無法實現(xiàn)和諧共振，學生綜合能力素養(yǎng)難以得到鍛煉培養(yǎng)。另外，通常課程理論講授和實驗指導并非同一個老師，理論課老師負責相關理論知識的講授，往往并不完全清楚實驗室里具體用什么儀器或者設備來驗證相應的理論知識點；而實驗指導老師往往只負責實驗具體操作的講解，而不太關注學生是否已經(jīng)掌握了該實驗所需的理論基礎。
（二）實驗教學內(nèi)容固定
對于普通物理專業(yè)實驗而言，由于所涉及的理論內(nèi)容一般比較經(jīng)典，往往一套實驗幾年甚至十幾年不變，致使實驗內(nèi)容固定單一。通常是首先由教師講解實驗原理、操作流程、數(shù)據(jù)采集和處理等步驟，接著教師演示一遍給學生們看，然后學生照樣子做一遍并提交實驗報告即為完成任務。同時，由于對專業(yè)實驗教學的重要性缺乏足夠認識，認為其只是理論教學的輔助和補充手段，造成學生對實驗課程的重視不夠，時間和精力投入不足，甚至將實驗課程看成是一種學習負擔。另外，由于缺乏科學有效的實驗教學評價體系，客觀上使實驗課程淪為二流課程，從而導致實驗教學形式化。
（三）學生發(fā)揮余地很少、實驗成效不高
普通物理專業(yè)實驗儀器設備通常較為貴重，再加上實驗場地限制，實驗臺套數(shù)往往無法滿足每人一臺的高標準要求。同時，由于其中很多光學類實驗整體難度較大，儀器調(diào)節(jié)需要較為扎實的理論基礎和一定的經(jīng)驗技巧，因而很多學生通常無法在規(guī)定的課堂時間內(nèi)完成實驗。因此，目前很多實驗需要指導教師在實驗教學前將實驗儀器調(diào)節(jié)到位，學生在做具體實驗時，根據(jù)要求的步驟和調(diào)節(jié)方法，觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗數(shù)據(jù)即可，從而導致學生自我發(fā)揮余地較少，實驗成效不高。
二、混合式實驗教學的優(yōu)勢
教學模式改革是教學改革的基礎和關鍵。以普通物理主要實驗內(nèi)容之一“分光計”為例。分光計是一種精密測量角度的儀器，利用它能精確地測量入射和出射光線角度，通過測量有關角度可確定折射率、色散率、光譜線的波長等其他光學量。但由于分光計的構(gòu)造精細，調(diào)節(jié)技術要求較高，使用時必須嚴格按規(guī)則調(diào)節(jié)，才能得到較高精度的測量結(jié)果。該實驗要求學生掌握分光計的調(diào)節(jié)方法和使用分光計測量棱鏡頂角及最小偏向角的方法及有關角度數(shù)據(jù)處理等。在近幾年的本專業(yè)實驗教學過程中，積極探索實踐“理論教學+線上視頻與平臺仿真+線下實體實驗”的混合式專業(yè)實驗教學模式，已體現(xiàn)出來的主要優(yōu)勢有以下幾點。
（一）理論與實驗教學互融互通
該混合式專業(yè)實驗教學模式，力求理論與實踐相融合、基礎與應用相融合、課內(nèi)與課外相融合，將原本枯燥、抽象、離散的理論知識與工程實踐需求相結(jié)合，讓學生覺得“學有所用、有成就感”，以加深對理論知識的理解，增強學習效果，進而激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生自主學習習慣和運用學科知識解決工程實際問題的綜合能力和創(chuàng)新思維等。在理論教學中，任課教師精煉理論內(nèi)容，突出重點，強調(diào)基本物理概念和分析方法，以實際工程應用為背景，引導設計思路，培養(yǎng)設計、自學和解決工程問題的基本素養(yǎng)。而學生除了正常的課堂理論學習之外，可以根據(jù)自己的認知水平、學習環(huán)境和學習計劃，利用網(wǎng)路平臺上的開放課程資料和視頻，隨時隨地反復觀看和研讀尚未和較難理解的內(nèi)容，逐步加深理解和消化；并通過開放課程平臺中作業(yè)和評閱反饋，檢驗學習效果，及時查漏補缺；通過與同學、助教及老師的在線交流討論，獲得對知識的深入理解，實現(xiàn)理論與實驗教學的互融互通。與此同時，教師則由“傳道授業(yè)”轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲敖饣蟆?，由知識傳授主導者轉(zhuǎn)變?yōu)榻M織者、管理者及指導學生主體學習參與者，實現(xiàn)“以教為主向以學為主、以課堂為主向課內(nèi)外相結(jié)合、以結(jié)果評價為主向結(jié)果過程評價相結(jié)合”的轉(zhuǎn)變，將很多只會限于重點考試范圍的“考生”轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蚶碚撀?lián)系實踐而學以致用的真正“學生”，將部分“觀眾”轉(zhuǎn)變?yōu)椤把輪T”、“編劇”，甚至是“導演”，切實提升學生綜合實踐能力、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量[3]。
（二）加深理論知識點理解，發(fā)揮實驗預習效果
學生在進入實驗室開展線下實體實驗之前，必須通過登錄個人賬號先完成開放實驗平臺中的實驗講解視頻學習和相關知識點自我測試，以加深對理論知識點理解，明確實驗目的和實驗要求，掌握實驗儀器的使用方法及相關注意事項，切實發(fā)揮實驗預習效果。
（三）調(diào)動學生自主學習積極性，拓展實驗內(nèi)容
與混合式實驗教學模式相配套，進行了考核方式改革。在調(diào)動學生自主學習積極性方面，給“動力”同時更給“壓力”。實驗前開放實驗平臺中的知識點測試成績占該實驗總評成績的15%，而學生要想在該自我測試中獲得較高成績則通常需要反復研看視頻講解資料，充分做好理論知識點鞏固和實驗預習；規(guī)定時間內(nèi)的線下實體實驗情況占40%，而要在有限的時間內(nèi)高質(zhì)量完成實驗，要求學生必須熟悉光路設計、實驗操作步驟和相關注意事項，并及時準確地做好數(shù)據(jù)記錄；課后實驗報告占30%，其中特別要求在所提交的實驗報告中必須要有主要理論知識點與實驗現(xiàn)象關聯(lián)闡述以及實驗中遇到的問題與解決方式，或自己所總結(jié)的實驗注意要點；還有15%則根據(jù)學生在虛擬仿真平臺中所搭建的相關拓展實驗內(nèi)容設計思路和新穎性予以評分。
（四）突破實驗時空限制，降低儀器設備投入
借助于開放實驗管理系統(tǒng)中的虛擬仿真實驗平臺，學生能夠在接近真實的實驗環(huán)境中，不受傳統(tǒng)實驗時空限制，在任何時間、地點進行預定的實驗項目或者開放性實驗設計驗證。同時，在虛擬仿真實驗平臺中，原本一些復雜精細的實驗操作只需要通過鼠標與按鍵即可實現(xiàn)改變相應實驗參數(shù)和實驗條件，大大節(jié)省了實驗操作時間，提高了實驗效率；而虛擬的儀器設備更是減少了實驗建設和維護費用，降低了實驗成本；并且，學生可以根據(jù)自己的思路，設計各種開放性實驗來驗證自己的觀點和假設，使其能夠在實驗設計過程中學習和提升，進一步增強其自主學習意識和實踐創(chuàng)新能力。
三、結(jié)束語
“理論教學+線上視頻與平臺仿真+線下實體實驗”的混合式專業(yè)實驗教學模式，在實現(xiàn)理論教學和實驗教學有效對接基礎上，可以有效地解決傳統(tǒng)專業(yè)實驗模式中普遍存在的實驗設備資源有限以及時間和實驗空間限制等問題，調(diào)動學生自主學習積極性，開闊學生思維和視野，提高學生實驗技能和綜合素質(zhì)；同時，在自由構(gòu)思設計實驗方案過程中，學生的自主創(chuàng)新意識和能力也得到了很好的鍛煉。更為重要的是，逐步改變實驗教學依附于理論教學的傳統(tǒng)觀念，并在一定程度上促使教師提升實驗教學水平，通過實驗教學促進理論課程教學改革，而學生能力提升可激勵課堂教學模式和教學方法等方面改革，從而形成實驗教學具有相對獨立性和理論教學與實驗教學應統(tǒng)籌協(xié)調(diào)互相促進發(fā)展的理念，以培養(yǎng)更多高素質(zhì)專業(yè)人才；進而，逐漸形成將實驗拓展為：“大實驗”或“廣義實驗”的理念，將科研訓練與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃課題、學科競賽賽題等都納入到實驗范疇；將實驗室從有限室內(nèi)空間拓展為“廣義無限空間”；將實驗時間從有限課內(nèi)學時拓展為相對無限的課內(nèi)外結(jié)合開放學時；將實驗對象從自然現(xiàn)象拓展到社會現(xiàn)象，從而將傳統(tǒng)的理科、工科、農(nóng)科、醫(yī)科強勢實驗模式拓展到人文、社科、教育、藝術等學科領域。
作者：葉燕 吳茂成 許宜申 單位：蘇州大學光電科學與工程學院 蘇州大學物理科學與技術學院