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智慧实验提升新工科人才培养质量

发布时间:2021-02-06 作者:戴玉蓉 恽如伟 来源:中国教育报

近十年来,国内各高校一直在提倡并推行开放式创新性的实验教学改革,从实验项目内容的分层次编排,到实验教学过程的探究性引导,到实验考核方式的多元化标准,但在实际操作时会遇到一些制约瓶颈。如优质教师资源短缺、实验室全面开放在实际操作和管理上遭遇困难、多元化考核标准难以客观体现等。为此,东南大学物理实验教学团队和南京师范大学智慧教育研究院合作,针对传统大学实验教学的难点、痛点,对教学体系、教学内容、实验教学环节等方面进行了长期探索,在现有的“大学物理实验”国家级精品资源共享课程和“预备性物理实验”国家级一流线上本科课程基础上,研发了包括智慧实验教学平台、虚拟仿真实验和智慧实验教学环境等大学实验智慧实验室,改进了大学实验教学,实现了从应用信息技术优化课堂教学,应用信息技术转变学习模式,形成线上线下结合、实验教学和创新应用互融的智慧型教学模式,契合了新工科背景下创新人才培养的新趋势和新要求。

分层次的实验环境,满足个性化需求

以东南大学“大学物理实验”课程为例,该课程面向理、工、医等各专业学生,为满足不同专业和层次的学生需求,实验项目基本分为“基础验证性实验”“自主探究性实验”“高阶创新性实验”三种类型。“探究性实验”、“创新性实验”则旨在培养学生的探究能力、自主创新能力,通常采用“开放—翻转—研讨”的教学模式,这类实验从设备的选择、方案的设计、数据的分析处理等都是开放的,另外实验桌可以自由拼接,方便组内、组间进行交流讨论。有效满足了不同层次、不同方向人才培养的需求。

软件建设上,我们引进了慕课、智慧课堂系统等技术手段,为学生的在线交流、资源共享、数据分析等提供技术支撑。鼓励学生先在智慧课堂系统里面挖掘实验创新之处、避免实验中常见的问题与错误。通过师生研讨、生生研讨,探求解决方案。分层式、个性化的实验室类型保证了实验教学的针对性,有效满足不同层次、不同方向人才培养的需求。

数字化的实验过程,引导学生自主学习与探究

在分层次实验教学过程中,基本内容完成多、提高内容完成少是普遍存在的现象,很多时候并不是教师不想引导学生进行深入思考探究,而是由于学生预习工作不够充分,缺乏展开与拓展的知识基础,加之课堂时间有限,导致个性化深层次的实验探究不能普遍完成。为了破解这一难题,教学团队利用线上教学拓展课堂时空,如利用在线开放课程资源将课堂前置,把需要预习的视频、资料、讨论议题等提前推送给学生,教师聚焦于实验中的分析、研讨,不仅拓宽了学生的专业视野,而且还提高了学生自主实验的积极性、主动性。另外,针对操作复杂、耗时较长、仪器成本较高的实验则采用虚拟仿真实验的形式。

以“用三线扭摆法测定物体的转动惯量”实验为例,所有的学习资料,包括PPT、仪器操作视频、原理讲解全都传在“中国大学MOOC”网。学生在虚拟仿真环境下可以不受硬件资源和时空限制随时随地进行实验操作、模拟调试、方案验证等。线上、线下混合式实验教学拓展了实验教学空间,为传统实验教学模式向开放创新性实验教学模式过渡提供了契机。

过程评价与结果评价相结合,培养综合能力

传统实验项目评价多以简单的出勤、预习情况检查、实验操作检查、实验报告完成情况为主,缺乏对学生实验设计、数据收集、合作探究过程的关注。根据人才培养目标,同时借助在线开放课程、“智慧实验教学平台”等技术手段,物理实验教学团队建立了全面、多维的评价模式,涵盖实验预习、实验操作、实验报告等多个环节。学生在进行实验之前,需要阅读资料、观看视频、完成预习测试、实验设计等,这些全部在云端完成提交,后台进行智能统计分析;实验操作中,教师鼓励学生利用平台将实验数据、实验现象进行上传分享。学生可以自评和互评,拓宽了传统由教师评价的单一模式,也促进了师生之间、生生之间的互动交流;实验结束后,学生在平台上完成电子实验报告。与传统纸质报告不同,电子报告需要插入实验图片、视频,小组讨论的文字和图片等,更加丰富、多元,更加体现实验过程评价的诉求。

例如受迫振动实验中,振动周期和摆幅的原始数据可通过设备采集数据直接上传至实验报告的数据表中,无需学生对着仪器手动抄录,这种线下上传、线上比较的形式,最大程度地提高了实验效率。根据以上数据分析及情况反馈,教学团队将在数据采集与测量方面加强对力学实验的过程管理,并进一步通过引导与启发,促进学生对实验深入开展讨论与研究。

根据教与学的需求,从资源到课程,从管理平台到教学平台,从网络辅助到智慧课堂,将网络、人工智能、教育大数据等新技术引入教学,拓展了学生在课前课后的自主研学,而实现了智慧交互、实时反馈,完成从实验知识理解到综合能力提高、从实验技能掌握到创新设计能力培养的转变,有效培养了理工科学生的批判性思维、设计性思维和数字化思维能力。目前的实施表明,该教学模式效果显著,对于理工科类相关实验教学具有一定的推广和应用价值。

(作者单位:东南大学物理学院 南京师范大学智慧教育研究院)

《中国教育报》2021年02月06日第3版 

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