大学物理实验及仿真一流课程建设与实践

来源：本站 作者：蒋逢春 吴杰 冯学超 郑州轻工业大学 发表于：2021.12.30  865浏览

物理实验是理工科类高等学校对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端。《大学物理仿真实验》课程是郑州轻工业大学开设的一门选修课，目的是培养学生的科学素养，和物理实验课程相互补充。随着互联网技术的发展，传统授课方式面临的问题突显：学生多、班级多，管理不方便，实验成绩统计繁琐；对学生的预习效果无法准确考核评价；难以做到个性化教学。如何破解这些难题？我们探索出一条有效路径。

一、课程建设历程

2013年11月，我校引入河南省教育厅推荐的网络学习空间，率先利用网络学习空间建课。当时，《大学物理仿真实验》是我校一门选修课，两校区多人上课，网络学习空间的应用打破了跨校区教与学的时空限制。2014年在全省“网络学习空间建设研讨暨展示评比会议”上，我校《大学物理仿真实验》被评为优秀课程，蒋逢春教授作为代表发言。同年“《大学物理仿真实验》网络学习空间”获河南省信息技术应用成果一等奖，“大学物理实验虚实结合实例分析”获河南省教育厅论文一等奖，从此信息化教学在大学物理和物理实验课程中开始推广应用。

图1在全省网络学习空间评比会上发言

2015年，《大学物理实验》被评为河南省精品资源共享课程，同时教改项目“以网络学习空间为平台，大学物理实验在线学习教学模式的研究”获得教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会教学研究项目立项，开启了课程组探索物理实验线上线下结合的混合式教学模式的历程。经过试运行，该课程于2016年秋季在我校东风校区全面实施。第一学期中该课程共涉及1千余名学生、23个班、18名教师，课程组通过发布线上预习公告、线下指导的教学模式开展教学，较好发挥了线上平台优势，学生反响良好，线上课程访问量达30余万次。

2016年11月，全国高校第十二届“大学物理课程报告论坛”在郑州召开，课题组“大学物理实验在线教学模式的探究”报告受到与会代表好评。2017年4月，河南省网络学习空间应用研讨会在郑州召开，课题组教师做“基于网络学习空间的高校物理实验公共课经验分享”专题报告。在《物理通报》上发表的两篇论文获得河南省信息技术理论研究论文类一等奖，教指委教改项目顺利结项并获评优秀，同时该项目也获得河南省信息技术创新应用一等奖。

正是基于以上网络学习空间实践的经历，2016年学校在全省开展在线开放课程评比时能快速响应，将《大学物理实验及仿真》课程确定为学校首批在线开放课程招标立项课程。课程团队重新修订了教学大纲，制定了教学实施方案，由专业公司录制教学视频，开始了一流课程的建设与实践。

2017年9月，课程基本资源建设已完成，满足了两校区物理实验课和大学物理仿真实验课的需求，在爱课程网同步异步SPOC开课，结合中科大奥锐公司提供的虚拟仿真实验平台，实现在线开放。2018年《大学物理实验及仿真》课程获批河南省精品在线开放课程，对外开放。2019年9月，课程利用慕课堂建立了校外学分认证机制，实现跨学校认证学分。2019年课程申报国家级精品在线开放课程，2020年获批首批国家级线上一流课程，同年3月在中国大学MOOC运行——学员成绩合格即发放慕课证书，真正实现了跨校认证学分。

二、课程建设重点

课程建设，团队是关键。因此我们首先确定了课程团队成员，明确分工协作。

图2 《大学物理实验及仿真》课程团队

1．体系确立

《大学物理实验》课程有56学时，分两个学期开设，共18个实验项目，按层次分模块组织实验课程。

课程内容包括：第1章“绪论（误差分析和数据处理）”；第2章“常见仪器介绍”；第3章“基础物理实验”；第4章“综合物理实验”；第5章“探索物理实验”。第1章学习使学生掌握物理实验的作用、地位和目标，误差分析和数据处理方法，为开展实验奠定基础。第2章会列出常用仪器使用方法，供学生随时查看学习。第3章和第4章选择不同的实验项目，培养学生运用物理知识和方法处理各种问题的能力，针对理工科低年级学生学习。第5章是更高层次的要求，为学生进一步做科研奠定基础。

每个项目大致分三个模块：一是实验背景、目的、原理，即理论讲解；二是实验仪器、实验内容，即实际操作；三是仿真部分，通过计算机仿真完成实验。

模块化组织实验，使学生能够根据自己所需选取相关内容自主学习，有效完成预习。教师不必课前做大量讲解，可将重点放在指导学生上，从而达到实验的目标要求。

《大学物理仿真实验》是门选修课，2018年该课程被确定为河南省精品在线开放课程后，课程组对课程进行了重新定位：对外主要面对大一学生，作为物理实验开课前的基础课程，利用仿真软件模拟帮助学习者了解物理实验的基本思想方法，掌握仪器结构和使用方法，同时学会一般数据处理的方法，为后续物理实验奠定基础；对内异步开设物理实验，面对校内大二学生提供线上预习、线下实操、线上提交报告，实现线上线下结合的混合式教学模式。

2．资源建设

对于在线学习，资源建设是核心。学校非常重视课程资源的建设，专门聘请了专业公司为我们制作资源。大学物理实验包含内容丰富。由于每个人都有局限性，课程组充分发挥每位成员优势，把课程项目进行分解，一人负责三至四个项目，通过虚心请教、挖掘实验内涵、积极准备相关资料，最终以最优的方式呈现给学习者。

大学物理实验课的特点是理论与实践相结合。除“绪论（误差分析和数据处理）”和“常用仪器”可共用外，每个项目实验都有独特的背景、原理、仪器和实验方法，如何让学生在实验前对实验有清晰的认识，对应的资源制作是关键。课程组成员通过广泛搜集资料，制作出精美的PPT和动画，编写讲稿，最终以白背的方式由专业公司录制完成。经过一年的修改完善，团队共完成了20个实验项目。每个实验项目视频资源包括三部分：理论讲解，实验实操，仿真演示。同时有配套的PPT、测验题和讨论题。

以迈克尔逊干涉仪为例，资源列表如下：

图3 迈克尔逊干涉仪实验线上资源

视频资源如下：

图4 迈克尔逊干涉仪实验视频资源

同时课程组组织教学一线教师编写了《大学物理实验教程》（第二版），由高等教育出版社出版。

3.上线运行

有了资源，平台很重要。学校购买了爱课程平台、大学物理实验虚拟仿真平台，为课程资源的对外开放提供了保障。随后课程又在超星学银在线上线运行，满足了不同高校学生的学习需求。

三、课程实践应用

在课程实践和应用中，课程团队把物理实验和仿真实验有机结合起来，发挥各平台优势，积极推进在线开放课程建设，并在全国推广应用。

1．利用Sakai网络学习空间实现大学物理实验混合式教学

2016年课程组利用Sakai网络学习空间的混合式教学，解决了教师教学管理难、知识传递单向化的问题。通过网络平台管理实现了统一管理众多班级，学生在线上的自主学习、自我检测和互动答疑讨论，以及线下教师的有针对性指导，实现了知识的个性化双向传递。

2．利用爱课程网实现大学物理实验及仿真翻转课堂教学

（1）同步异步开课

爱课程网开课有同步和异步之分。根据课程特点，课程组最后选取了异步SPOC的形式开设物理实验课，这样的好处是两个校区可以分别发布实验项目，学生也是分开上课，便于管理。《大学物理实验及仿真》课程在省平台和校内同步开设，并根据学生特点进行了不同的教学设置。

（2）实施翻转课堂

实验课采取分组上课。一组10人或者20人，实施翻转课堂教学。调研显示，“以问题为核心、以任务为驱动”的翻转课堂教学模式，深受学生喜爱，它不仅调动了学生的学习积极性，还培养了学生自主学习的能力。

图6 翻转课堂教学

3．利用超星平台直播教学

《大学物理仿真实验》同时在超星学银在线上线运行，利用平台的直播和各项课堂互动功能，有效开展课堂互动，活跃了课堂气氛，调动了学生的参与热情。学生可以随时随地观看直播回放，利用碎片时间学习。在学校在线学习平台上，课程活跃老师排行榜位居第一，得到超星微信推送。该课程作为一门全校选修课，也受到校领导的重视。学校为课程特开绿灯，允许学生们在爱课程网上选课，成绩合格者即认定学分，极大地调动了学生的学习积极性。

4．仿真平台对外开放

2020年突发疫情，课程团队能够快速响应将《大学物理实验及仿真》课程分别在中国大学MOOC和超星学银在线上线运行，是因为我们课程原本就是在线开放。课程的开放为全国高校做出了表率，最终几百所高校使用该课程，选课人数达万人。

图7 虚拟仿真平台

5．玩转慕课堂，实现跨校认证学分

用慕课堂建立校外学分认证机制，实现了跨学校认证学分。该课程为南阳理工学院软件学院2016级19个班（850多名学生）和2017级800多人开设慕课堂，实现跨学校认证学分。

图8南阳理工学院慕课堂

利用爱课程网，《大学物理仿真实验》和超星学银在线三个平台，优势互补，探索线上线下混合式教学，课程体系由封闭转向开放，教学模式由单一转向多元。

四、课程建设创新特色

一是创新性地把物理实验和大学物理仿真实验有机结合起来，开展线上线下混合式的教学模式，并在全校推广，每年有3000余名学生受益。依托国家级线上一流课程面向校外学习者开课，开课6期来受益人数累计2万余人，400余所有学校云的高校参与课程学习。

二是为高校课程建设、教学模式改革和课程评教机制改革提供了范例。成果针对《物理实验》课程的教学实施方案及评价标准、教学模式、直播教学、课程考核评价机制，可在其他高校《物理实验》课程教学中推广应用，成果的研究思路和创新做法亦可供其他课程建设与教学改革借鉴。

三是利用慕课堂，使没有学校云的学校也能同步慕课学习，成绩合格者认证学分。

五、建设成效与下一步计划

通过《大学物理实验及仿真》一流课程建设和实践，我们取得了丰硕成果。发表教改论文10余篇；获得信息技术奖10余项，其中一等奖7项；在全国全省会议上做专题发言10多次。《大学物理实验及仿真》被评为国家级线上一流课程，实现跨校区慕课认证学分。主持河南省教改项目“基于爱课程网平台的大学物理实验及仿真在线开放学习教学模式的探究”获河南省高等教育教学成果一等奖，蒋逢春教授获评河南省教学名师，在河南省本科高校教师课堂教学创新大赛中获教授组二等奖，主持大学物理实验及仿真虚拟教研室获批河南省本科高校虚拟教研室。

下一步课程组将继续努力，加大对该课程的推广应用，跨校认证学分，使更多学习者受益。进一步打造“格物致理，物理思政”的品牌，把思政元素融入实验项目之中，完善思政资源，争取成为课程思政样板课程。（本项目获得“2021年度河南省教育信息化优秀成果奖-创新应用类成果”一等奖。）

迈克尔逊干涉仪仿真演示（点击播放视频）