基于MOOC创新物理实验教学模式的研究与实践

吴庆州，王 涛

(南京理工大学 紫金学院，江苏 南京 210023)

基于MOOC创新物理实验教学模式的研究与实践

吴庆州，王 涛

(南京理工大学 紫金学院，江苏 南京 210023)

提出了组织物理实验慕课视频的思路，探讨了设计慕课教学过程，阐述了利用慕课来实现物理实验课堂的翻转. 实践表明：在实验教学中引入慕课的教学模式提升了实验教学效率，提高了学生的自主学习能力和科学实验素养.

慕课;物理实验;教学模式;翻转课堂;自主学习

大学物理实验在多数院校中都是工科学生的入门实验，由于其覆盖知识面比较广，有着丰富的实验思想与方法，对于培养学生的基本实验技能、科学实验能力，提高学生的科学素养有着不可替代的作用[1]. 在微课时代很多院校录制了大量的实验教学视频，这些实验教学视频多是把实验教学课堂直接视频化，时间长、内容也不够精炼，虽然对于学生理解实验起到了一定的帮助，但在提高学生的学习兴趣和动手能力等方面还是有所欠缺的. 如何更好地提高学生的动手能力和创新能力一直是大学物理实验教学改革中研究的热点问题[2-4]，慕课(MOOC)的出现或许能给广大教学人员提供一个新的思路[5]. 笔者结合在教学中的一些尝试，对慕课(MOOC)构建新的大学物理实验教学模式进行了研究与探索.

1 物理实验教学学时的变革历程

随着教学改革地不断深入，实验教学学时也发生了较大的变化. 实验学时数呈现减少趋势，但实验教学要求却在逐步提高.

1954年参照苏联的物理教学体系制定的普通物理学教学大纲中规定物理实验的教学为90学时. 到了1962年由高等工业学校普通物理学课程教材编审委员会制定的教学大纲中物理实验的学时数则变为 80学时. 1980年高等学校工科物理教材编审委员会编制的高等工业学校普通物理学教学大纲中实验学时数为60学时. 1987年开始制定的课程教学基本要求将大学物理与物理实验单独设置，实验课成为独立课程，课时数基本保持不变[6]. 2008年高等学校物理学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委员会发布的理工科类大学物理实验课程教学基本要求规定实验学时数不少于54学时.

2008年的基本要求中提到“创造条件，充分利用包括网络技术、多媒体教学软件等在内的现代教育技术丰富教学资源，拓宽教学的时间和空间”与当下流行的慕课(MOOC)不谋而合.

2 利用慕课翻转物理实验课堂，创新实验教学

用越来越少的学时培养学生越来越强的动手能力是摆在每位实验教师面前的大难题，尤其是当今科技发展日新月异，新技术层出不穷，要想解决这一难题就要不断地改革教学模式以期适应新形式的发展，从而提高教学效果.

2.1 实验教学过程的改革与创新

传统的实验教学过程一般如图1所示，课前通过教材进行预习，课上教师讲解演示并指导学生完成实验，课后学生完成实验数据处理写出实验报告并上交实验教师批改. 在这一过程中如何提高学生实验学习效果，很多学校做了一些有益的尝试[7-8]，例如中国科学技术大学建设了国家级物理虚拟仿真实验教学中心，设计了40多个大学物理仿真实验平台为学生提供实验预习[9]，取得了显著成效；东南大学在实验室开放教学模式上进行了大量深入地研究与实践，取得了很好的效果[10]. 无论是虚拟实验室，还是开放实验室都期待通过翻转课堂，增强学生的自主学习能力. 由于实验室资源与条件的限制，很多院校至今无法建设完备的虚拟实验室，也很难完全开放实验室.

图1 传统实验教学过程图

2.2 实验教学中引入慕课

慕课是大规模开放的在线课程(Massive open online course,MOOC)，慕课的教学宗旨是让学生愉快地学习，自主地学习[11]. 慕课(MOOC)自2012年大规模涌现以来多出现于理论课的教学实践中. 慕课的这一新兴的教学模式得到了广大师生们的认可.

当前流行的慕课教学模式多数是学生的学习及成绩的评定全部在网上完成[12]，这对于理论课非常合适，而对于实验这样需要锻炼学生动手能力的课程却是无法完全满足. 实验中如何利用慕课改变实验教学模式值得探讨.

2.3 慕课实验教学模式的设计

过去预习是看书，引入慕课后的实验预习就不仅仅是看看书本抄抄书本那么枯燥了，通过实验预习小视频来了解将要做的实验，增强了学生的自主学习能力.

2.3.1 实验慕课视频的构架

预习视频主要包含实验背景的介绍、实验原理的简述和实验仪器的介绍. 在预习环节的视频介绍中插入探讨性问题，让学生查阅资料后课内讨论. 加强对学生自主学习的引导. 设计一些简易的选择题、判断题，在每一个实验视频观看结束后由学生独自完成的自测题. 对于预习视频中有不理解处可以反复观看，也可以发讨论帖和其他学生或教师讨论. 视频后小自测的好处在于促进学生真的去学习而不是马虎应付，如果不看视频就不知道课上将要探讨的问题，若不参与自测就无法得到预习的分数. 防止为自测题抄袭，建自测题目库，每个学生随机抽取10～20题来答题，并在规定的时间内完成，由计算机判分，学生有3次答题机会取最高分计入预习分数. 这样学生在自主学习完预习视频后对实验有了较细致的理解，课堂上探讨实验问题和操作实验仪器就变得相对容易了.

对于常规非设计性实验每个实验都拍摄相关实验操作演示，简单介绍实验设备如何操作，记录哪些数据，在实验过程中如果遇到常见的问题该如何分析原因、如何解决. 而设计性实验一般将设计思路及设计目标整合到预习慕课视频中.

2.3.2 实验慕课课堂的教学过程

引入慕课的实验教学过程如图2所示，实验课上先由学生向教师提问，提出一些在预习时没明白的问题，由教师带领其他学生一起来回答. 该环节结束后进入问题讨论环节，通过问题讨论引导学生全面掌握实验原理及实验技巧. 问题一部分来源于预习慕课视频中预留的问题，一部分来自于课堂现场. 讨论问题后即可开始实验，节省了讲授的时间. 在实验问题的讨论过程中也可以适当给予学生课堂表现分，激发学生的积极性和主动性，对于没有仔细观看视频的学生来讲这部分分数就很难获得了. 这样的教学过程精简了教学时间，学生有更多的时间操作仪器完成实验，加深了学生对实验仪器、实验现象和实验结果的理解. 在学生自主实验过程中教师负责指导学生实验中遇到的问题，对于一些相对简单的实验，学生在课堂上可以完成实验报告的处理工作. 在课堂上完成实验报告可以有效地减少实验数据作假及抄袭现象.

图2 慕课模式下的实验教学过程

3 慕课教学的具体实施探索

3.1 慕课教学模式中的角色转变

在慕课的制作和实施过程中需要教师有较多的付出. 一些实验有的教师带了很多年，上课很轻松，但要将这些实验变成慕课，就需要教师重新审视和策划这些实验. 在慕课教学模式建设初期，教师的付出要比传统上课时多很多，资料整理、视频摄制和脚本制作，每一步都要付出很多劳动. 在教学过程中与传统实验教学也是有所区别的，慕课教学模式中教师管得会更宽，需要了解的知识也更广. 如果是引入其他院校的慕课资源还需要教师预先学习，然后再分享给学生.

教师在实验课堂上由传授变为解惑，进而变成知识的引领者. 由实验课堂上注重教师教变为注重学生学，教师则变成学生自主学习的推动者. 这些无一不要求实验教师在新的教学模式中要转变自己的角色.

3.2 慕课视频的制作方法

由于实验项目的相对独立性，实验慕课录制与理论课的录制会略有不同，每个视频独立成章又略有关联，能够支持学生根据自己的学习需求自主选用、个性化学习. 在进行制作之前需要教师根据实验项目的特点准备好相应的资料，包含视频资源、练习题、答案以及讨论的内容[13].

对于刚刚接触慕课的教师来讲如何制作慕课呢？最为直接的方法就是类似微课的制作，直接摄录课堂教学，当然应与传统课堂教学要略有差别，设计要精心，且要控制时长，一般不超过15 min为宜. 还可以直接PPT录屏，借用免费软件进行录制相对更容易实现. 也可以将以上2种合并，即现场讲解与录屏同步制作，用狸窝等免费软件进行剪辑合成. 图3即为笔者录制的实验室安全教育慕课视频截图，采用PPT录屏与讲解相结合的形式制作而成. 慕课的制作方法还有很多种，比如对话或谈话录制、白板录制、动画制作等，在实践中选择适合自己的方法即可.

图3 讲解+PPT形式慕课视频截图

3.3 慕课资源的选用及发布

随着慕课的快速发展，涌现出了大量慕课平台，比如国外的Coursera、edX、Udacity，国内的学堂在线、爱课程、中国大学MOOC等，这些平台提供了丰富的教学资源. 在物理实验慕课教学模式中也可以直接选用这些平台中的资源供学生学习使用. 在爱课程慕课平台上点击导航栏上的资源共享课，输入物理实验即可进行课程搜索. 目前可以在线学习的物理实验课程有12门，这些课程都是来自国内知名院校的优秀资源.

目前很多学校也建设了自己的慕课平台，笔者所在学校主导建设了口袋大学慕课平台. 使用自主开发平台可以根据教学中的个性化需求增添相应功能模块，管理功能更为丰富. 当然，如果本校没有慕课平台也可以将制作好的视频等资源发布在国内的知名慕课平台上，这些平台的要求会相对高. 比如中国大学MOOC平台必须先通过学校云申请合作后方能发布视频资源，而且一般还要求整个课程体系制作完成后才能发布.

3.4 慕课教学模式的应用实践

当前少部分院校已经开始在部分实验教学中采用了慕课教学模式，比如哈尔滨石油学院、西南科技大学、国防科学技术大学等院校[14]. 笔者所在学校也选取了部分实验项目，在学院2015级电信专业部分学生中进行了慕课教学模式的试点工作，从实验的效果来看结果比较符合预期. 这里总结光电效应和普朗克常量的测定实验中的教学设计与教学实践. 此次实验开课前2周告知学生如何通过本校的慕课平台观看此次课程，并发布了本次实验课的相关要求. 为学生设计了2段慕课视频，分别是预习视频和操作讲解视频. 在预习视频中向学生介绍光电效应的历史背景，帮助学生更深入地了解实验的历史渊源及当代的科技应用，提高了学生的学习兴趣. 同时在自测题目中留下相应问题，操作讲解视频供给学生自主学习使用，可以提前观看也可以课上观看，没有提过多要求.

实验课上学生提问环节平均用时5 min左右，讨论视频中留下的问题平均用时15 min左右，讨论后开始实验. 相对传统教学模式在实验操作过程中学生要求指导的问题明显减少，学生实验成功率近100%. 对实施慕课教学和未实施慕课教学的班级进行对比，实验成绩的统计如图4所示. 从成绩统计结果来看，试验班的本次实验成绩明显好于普通班级. 试验班低分段学生数略少于普通班. 普通班的成绩70～79占比与80～89几乎一样多，中等成绩过多，说明实验中随众的人比较多. 而从试验班成绩可以看出80～89分数段的人数明显多于70～79分数段人数，90分以上的有3人，说明通过慕课教学模式可以提升一部分中等生的成绩，突出一部分优秀生的成绩. 实验成绩的提升标志着学生对知识的理解应用能力、自主学习能力和动手能力都得到了相应提高.

图4 试验班和普通班成绩分布图

4 结束语

在全球慕课高速发展的背景下，参考国内外知名教育机构关于慕课的研究成果，尤其是在实验教学方面的研究成果，设计自己的实验慕课资源或利用已有的优秀慕课视频资源，将其应用到实验教学中对于提升物理实验教学效果有着举足

轻重的意义. 根据物理实验课程的特点加强融入慕课教学模式的探索，对于提高学生的自主学习能力、动手能力和创新意识有着积极的作用.

[1] 霍剑青. 大学物理实验课程教学基本要求的指导思想和内容解读[J]. 物理与工程，2007,17(1):5-9.

[2] Bruff D O, Fisher D H, McEwen K E, et al. Wrapping a MOOC: Student perceptions of an Experiment in Blended Learning [J]. Journal of Online Learning and Teaching, 2013，9(2):187-199.

[3] 张锐波,沈剑峰,杜金潮. 大学物理实验创新教学[J]. 实验室研究与探索，2010,29(1):80-82.

[4] 何永凡,周红,周晓兵，等. 利用大学物理实验平台培养学生实践创新能力[J]. 实验技术与管理，2016,33(6):180-183.

[5] 曾明星,周清平,蔡国民，等. 基于MOOC的翻转课堂教学模式研究[J]. 中国电化教育，2015(4):102-108.

[6] 胡盘新. 我国工科大学物理教学大纲和教学基本要求的制订概况(1954—1995年)[J].物理与工程，2007，17(3):10-11.

[7] 孙文彬. 开放性创新实验教学改革与实践[J]. 实验室研究与探索，2006,25(2):148-151.

[8] 刘文利,刘东红,李蕾. 大学物理实验教学改革探索[J]. 当代教育科学，2014(19):51-53.

[9] 张增明,王中平,张宪锋，等. 国家级物理虚拟仿真实验教学中心的建设实践[J]. 实验技术与管理，2015,32(12):146-149.

[10] 陈小凤,孔祥翔,周立新. 东南大学物理实验开放教学简介[J]. 物理实验，2002,22(4):22-25.

[11] Anders A. Theories and applications of mass online Open courses (moocs): The case for hybrid design [J]. International Re-view of Research in Open & Distance Learning, 2015,16(6):39-61.

[12] 曹显莹，曲阳. 基于慕课模式的大学物理实验教学改革与创新[J]. 物理实验,2016,36(5):26-28.

[13] 罗晓琴，谢英英，杨振萍. 探索 MOOC 在物理实验教学中的应用[J]. 大学物理实验,2016,29 (4):125-127.

[14] 彭刚，黎双，何焰兰,等. “大学物理实验”MOOC建设探讨[J]. 工业和信息化教育,2016(6):55-59.

[责任编辑：郭 伟]

Research and practice of the teaching model of innovative physics experiment base on MOOC

WU Qing-zhou， WANG Tao

(College of Zijin, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210023, China)

An idea about how to organize MOOC video of physics experiment was presented, how to design the teaching process of MOOC was discussed, and how to use MOOC to achieve the flipped class of physics experiment was also explained. The practice had shown that the introduction of MOOC teaching model in experiment teaching was of better effect to enhance the efficiency of experimental teaching, and could improved students’ self-study ability and accomplishment of scientific experiment.

MOOC; physics experiment; teaching model; flipped classroom; self-learning

2017-01-17；修改日期：2017-03-20

高等学校物理实验课程教学研究项目(No.01-201601-05)；江苏省教育科学“十三五”规划立 项课题(No.D/2016/01/06)；南京理工大学紫金学院教育教学改革与研究项目(No.20160102007)

吴庆州(1981-)，男，江苏沛县人，南京理工大学紫金学院讲师，硕士，主要从事物理实验教学与创新教育研究.

G642.423

B

1005-4642(2017)08-0040-04