摘要：2020年受新冠病毒肺炎疫情影响，在学生不能返校的情况下，各高校实验教师研究大学物理实验课程线上教学方案，充分利用信息资源，及时上线网络课程和虚拟实验、开发居家实验，实现课程教学“实物+虚拟”结合、“居家实验+线上指导”结合的形式，形成实验教学新常态，引发实验课堂教学组织和设计模式的变革。
关键词：线上教学；虚拟实验；居家实验
2020年初，新冠病毒肺炎疫情扰乱了原有的生活秩序，为了全力防控，坚决防止疫情在学校蔓延，国内高校不得不推迟开学。教育部提出要利用网络平台，实现“停课不停教，停课不停学”。各校教师积极摸索利用各类网络直播平台、视频会议软件开展线上教学，国内高校基本实现了按计划开课。相比于理论课，实践类课程需要有场地、器材支持，实现线上教学较为困难。大学物理实验课程是理工科院校设置的一门必修实践类课程，授课对象具有数量大、年级多、专业多的特点。如何实现实验课程线上开设、如何将实验场地转换到居家环境、线上教学能否满足教学大纲要求，这些问题都需要实验教师逐一攻克。
一、疫情下各高校大学物理实验开课概况
近几年，国内较多高校探索线上线下混合式教学，大力提倡信息化教学，倡导借助技术手段辅助教学。经过近年的教育平台建设和相关产品的研发，我国在线上教学方面具有良好的前期基础，主要体现在平台和软件两个方面。平台方面，中国有几大慕课平台，最知名的有高教社中国大学MOOC和清华大学学堂在线，还有上海交通大学好大学在线、北京大学华文慕课、全国地方高校联盟等平台。软件方面，目前被各高校广泛使用的有清华大学雨课堂、超星学习通等。为做好疫情防控期间在线教学组织与管理，各高校充分利用慕课平台、实验资源平台和各级各类在线课程平台、校内网络学习空间等，积极开展了线上授课、演示、指导、讨论等在线教学活动，做到了“停课不停教、停课不停学”。上述大部分平台及方法之前已用于高校的基础课、专业课教学，高校依托各平台已建成大量的理学、计算机、外语、文史等课程。实践类课程的开展需要学生利用工具、测量仪器或外出调研形成实施方案获得相关数据，有的甚至要团队协作完成。实践类课程的特质决定了课程开展不是学生坐在电脑前看直播或视频学习能够完成的，大学物理实验课程的线上开课不是一件容易的事情。常规的实验课必须在实验室中进行，在严格控制环境情况下采用专用仪器获取一定精度和数量的数据。疫情下学生宅在家，实验教学的基本条件得不到满足。在其他课程纷纷开课的压力下，各校从事实验教学的教师们意识到疫情下不能坐以待毙，必须积极开展研究，寻找开展实验课网络教学的对策。在教育部高等院校大学物理实验教学指导委员会推动下，国内高校以中国科学技术大学、复旦大学、南开大学等高校为首率先提出了各校的居家物理实验教学方案，其他高校也积极学习和跟进。疫情期间为筹备实验课程线上教学，2020年3月至4月部分高校采用腾讯会议形式承办了“全国高等学校物理实验在线教学研讨会”（东北大学承办）、“湖北省实验课程在线教学研讨会”（武汉大学承办）、“黑龙江省高等学校物理在线实验教学研讨会”（哈尔滨工业大学承办）、“西南地区高校物理基础课程线上教学交流会”（西南交通大学承办）等会议。这些会议的召开使得实验教师们针对线上教学、居家实验开展广泛交流、实现思想碰撞和激发，为开展线上物理实验教学提供了思路和举措。另外，东北大学、东北师范大学等高校紧急在中国大学MOOC平台、超星学习通平台上线了大学物理实验慕课。广大实验教师利用各类互动直播平台开展实验教学及指导答疑，实现了物理实验课在线上顺利开课[1-2]。目前，在大学物理课程教学指导委员会和物理实验杂志网站上已公布40余项居家实验方案，表1为中国科学技术大学网上开设的20项实验项目[3-4]。
二、疫情下实验课程组织形式
作者对复旦大学、东北大学、东南大学等15所高校的线上实验教学案例进行分析。总体上各高校依据自身实际情况将“网络课程”“在线直播”“居家实验”“虚拟仿真”四种形式相互组合开展教学。具体措施如下：1.网络课程。线上课程包括MOOC平台中已有网络课，也有学校自建网络课。例如，在中国大学MOOC平台上国防科技大学大学物理实验课程同时面对本校学生和校外学生开放，主要用于学生课前自主学习、课上实现翻转课堂、课后提交作业、问题讨论。在成绩组成和评定方式上，校内与校外学生有所区分。2.在线直播。实验教师利用钉钉、Zoom、腾讯会议、企业微信、微信群、QQ群等互动直播平台开展教学。直播课主要用于讲授实验绪论课、误差理论和数据处理方法、实验课之前的理论及实验进行中的指导答疑。为贴近学生网络习惯，部分教师在较受学生喜欢的哔哩哔哩直播平台直播授课，通过弹幕与学生交流，学生对实验课兴趣迅速增加[5]。3.居家实验。依据课程学习目标要求，实验教师开发居家实验项目，经过讨论、预先测试确保方案可行，再发布给学生并附上一定提示和指导资料。居家实验项目能够实现具有三个特点。一是完成实验的材料容易获得，来源于日常用品[6]。例如，固体表面的浸润实验用到口罩；衍射实验用到了激光笔、头发丝、光盘；三线摆测物体转动惯量实验可以利用家里的蒸锅等等。二是实验装置需要学生根据各自家里现有条件自行搭建。例如，有的学生搭建光路用到方木条，蛇摆的设计借用家里的晾衣杆。这些装置的搭建都需要学生有前期规划、较强的耐心和解决问题的分析能力。三是测量及分析数据工具易得。居家实验测量工具主要借助于家用电子称、手机Phyphox（物理手机工坊）app、Tracker（视频追踪）等软件实现，如图1、图2所示，学生在实验前要熟悉或学习相关软件的使用[7-8]。4.虚拟仿真。在上述形式基础上各校还结合虚拟仿真项目开展在线实验，有效地弥补了居家实验仪器精度差、测量干扰性大等问题[9]。现有虚拟仿真实验包括软件公司联合高校开发仿真软件、国家虚拟仿真实验平台、手机虚拟实验APP等，如图3所示。
三、疫情下实验课程特点
疫情下各校物理实验课线上开课，受条件限制课程各方面与以往有较大变动，主要包括以下三个方面：
（一）目标与计划的调整
原实验课程目标注重于实验规范、调整测量精度，实验方案具有统一性，采用专用教学仪器实现，结果误差较小。但居家情况下实验受条件限制，均是就地取材、自主搭建，部分实验内容无法实现，同时精度不足导致测量误差较大。针对于居家实验，设置课程阶段性目标主要偏重开阔学生思维、培训动手实践能力、提高分析解决问题的能力。有的实验仅要求能够实现并观测现象，对数据精度和误差分析方面不做过多要求。物理实验教学在不同高校、对不同专业的教学水平有所区别，需考虑各校的师生、学科差异，在线教学需要系统设计、综合考虑，保证教学目标的达成。在大学物理课程教学指导委员会大学物理实验专项委员会及国家级示范中心联席会物理学科组的共同努力下，设计并推出64学时的线上物理实验方案。该方案由绪论、DIY实验、探究性实验、虚拟仿真实验、自定趣味性实验几部分组成。由于各校教学目标不同，各校可根据自己的实际情况，优化组合方案，完成本校的疫情防控期间的实验教学。表2为64学时线上教学方案[10]。
（二）教与学的变化
在常规实验课教学中，教师在课上讲解实验主要关注实验方法、步骤，强调操作的安全性和规范性。而居家实验，实验教师的指导范围非常广泛，包括实验方案分析、材料选择和加工、问题现象分析、装置改进等。学生不再是按部就班地完成任务，需要不断尝试、改进，在一次次失败中探索前行。教师和学生都会遇到前所未有、意想不到的问题，需要通过共同讨论分析完成。在这个过程中，教师深刻体会到教学相长，学生也体会到实验成功的喜悦，认识到物理实验课程对自身实践能力、科学素养的提升作用，认同课程价值。
（三）测量、分析手段的变化
常规下实验课测量采用示波器、万用表、检流计等专用测量仪器获得精度较高的实验数据。而居家实验，大多数情况下要采用一些新的软件，例如实验中需要拍摄图像、视频或声音，然后利用分析软件对数据进行提取，还有利用手机内置传感器测量数据。这就需要学生在实验前安装软件，自学并快速掌握软件使用。这种方式锻炼了学生信息收集能力和自主学习能力，得到与实验室实验不一样的体验。
四、实验教学发展的思考
（一）线上线下混合式教学常规化
教育部高教司司长吴岩指出：“我们在也不可能、也不应该退回到疫情发生之前的教与学状态，因为融合了‘互联网+’‘智能+’技术的在线教学已成为中国高等教育和世界高等教育的重要发展方向。”此次新冠肺炎疫情把物理实验课程推上了线上教学的浪潮，教师与学生都感受到线上教学对实验课程的冲击。广大物理实验教师同解决问题的能力。有的实验仅要求能够实现并观测现象，对数据精度和误差分析方面不做过多要求。物理实验教学在不同高校、对不同专业的教学水平有所区别，需考虑各校的师生、学科差异，在线教学需要系统设计、综合考虑，保证教学目标的达成。在大学物理课程教学指导委员会大学物理实验专项委员会及国家级示范中心联席会物理学科组的共同努力下，设计并推出64学时的线上物理实验方案。该方案由绪论、DIY实验、探究性实验、虚拟仿真实验、自定趣味性实验几部分组成。由于各校教学目标不同，各校可根据自己的实际情况，优化组合方案，完成本校的疫情防控期间的实验教学。表2为64学时线上教学方案[10]。
（二）教与学的变化
在常规实验课教学中，教师在课上讲解实验主要关注实验方法、步骤，强调操作的安全性和规范性。而居家实验，实验教师的指导范围非常广泛，包括实验方案分析、材料选择和加工、问题现象分析、装置改进等。学生不再是按部就班地完成任务，需要不断尝试、改进，在一次次失败中探索前行。教师和学生都会遇到前所未有、意想不到的问题，需要通过共同讨论分析完成。在这个过程中，教师深刻体会到教学相长，学生也体会到实验成功的喜悦，认识到物理实验课程对自身实践能力、科学素养的提升作用，认同课程价值。
（三）测量、分析手段的变化
常规下实验课测量采用示波器、万用表、检流计等专用测量仪器获得精度较高的实验数据。而居家实验，大多数情况下要采用一些新的软件，例如实验中需要拍摄图像、视频或声音，然后利用分析软件对数据进行提取，还有利用手机内置传感器测量数据。这就需要学生在实验前安装软件，自学并快速掌握软件使用。这种方式锻炼了学生信息收集能力和自主学习能力，得到与实验室实验不一样的体验。
五、实验教学发展的思考
教育部高教司司长吴岩指出：“我们在也不可能、也不应该退回到疫情发生之前的教与学状态，因为融合了‘互联网+’‘智能+’技术的在线教学已成为中国高等教育和世界高等教育的重要发展方向。”此次新冠肺炎疫情把物理实验课程推上了线上教学的浪潮，教师与学生都感受到线上教学对实验课程的冲击。广大物理实验教师同时也在思考学生返校后会给未来实验课程带来哪些转变。作者总结有三点转变。
（一）线上线下混合式教学常规化
学生返校后，物理实验课程教与学的模式均会发生变革。此次疫情促使各校着手建设与课程匹配的信息资源，并依据课程推进同步推出相应资源。互联网上物理实验MOOC、网络课程数量显著增加。资源的建设为以后开展混合式教学提供支撑，经过疫情教学的锻炼教师们具有掌控各类互动平台的丰富经验，学生也乐于和习惯在网络环境下学习和开展讨论。因此，物理实验课程具备了混合式教学的资源和人员基础，混合式教学也会成为实验课程的教学常态模式。
（二）课程内容得以拓展
疫情期间，广大实验教师开发的实验项目是思想相互激发的成果，让物理实验线上教学由不可能变成了可能，更是一笔指导实验教学的宝贵财富。这些实验方案经过整理或加工，可设置为实操预习内容，可融入课堂教学作为引入或演示，也可以作为课后应用拓展或进一步开发成自主探究实验。例如，在《光栅衍射》实验中，课前设计让学生寻找生活中常见物品实现衍射现象，课上可通过现象观测和分析实现对原理深入理解，课后利用激光笔、光盘、手机等物品测量其细微结构参数。这些居家实验方案让实验教师意识到部分实验课程内容可挪到实验室外，全部由学生自主完成，物理实验可以如此紧密地贴近生活实际，让学生体会到学以致用的成就感。
（三）课堂教学组织和设计模式变革
大学物理实验线上教学让实验教师看到实验教学多种可能性，也认识到学生的潜在能力。相比之下原实验课堂教学显得程式化较为严重、学生能力被低估。实验教师在线上方案启示下可利用形式丰富的资源和手段，更大胆颠覆原课堂组织和设计模式。在教学中遵循以学生为中心的原则，给学生最大的自主性，调动学生主动性，实现知识的自我构建和能力的生成，从而推进实验课程的课堂革命。
六、结束语
疫情为大学物理实验教学带来了挑战与机遇。实验教师应顺势而上、趁势而为，积极思考、大胆探索开发出大量居家实验，实现实验课线上开课。物理实验课程在疫情之下形成了一种“新常态”的教学，必将影响未来物理实验教学改革和发展之路，促进实验教学模式的变革。
作者：孙艳 于丹 高源 沈洋 单位：空军航空大学 航空基础学院
