后疫情时代物理实验培养物理学科核心素养的实践与探索

谢美秋，王海云，李兴鳌

(南京邮电大学 理学院，江苏 南京 210023)

核心素养作为新世纪培养人才价值的集中体现，为学生的终身发展奠定坚实的基础，为国家科学事业的继承和人类社会的健康发展做出巨大贡献。中国教育学家林崇德教授曾指出，世界教育界关注的焦点之一是学生核心素养的培养[1]。因此，要想在当今全球人才竞争中占据优势，其根本在于发展学生的核心素养。为了培养学生的核心素养，我国教育部正在优化基于各学科核心素养的课程与教学改革。南京邮电大学作为一所以“电子科学与技术”为一流学科的双一流建设高校，理工科专业的学生居多，而大学物理实验课程是理工科专业学生必修的一门基础课程。大学物理实验课程在培养学生牢固树立正确的价值观、世界观，提高学生提出问题、分析问题以及解决问题的能力，培养学生勇于探索科学和创新的精神等方面具有无可取代的作用，为大学生后续的学习、科研和工作打下坚实的实验基础[2]。那么，如何将物理学科核心素养融入到大学物理实验的教学中成为各大高校实验教师必须思考的问题。

2020年初，由于新冠疫情的突如其来，全国各高等大学纷纷开展线上教学。虽然目前疫情在各省市仍有散点式出现，但是全球新冠疫情形势具有逐渐向好趋势。历时两年多的线上授课经验，后疫情时代将衍生出高校教学的新模式和新方向[3]。物理作为一门以实验为基础的学科，其中的各种理论建立和规律发现均需实验的验证。而实验的验证在人类发展史上靠的是仪器的操作。因此，大学物理实验课程作为高校理工科专业必修基础课程，具有与其他理论课程不同的特点[4]。那么，后疫情时代中大学物理实验课程是否只采用线下或者线上线下混合模式，如何衔接传统实验授课与现有线上授课，虚实结合，并充分优化培养学生物理学科核心素养的能力呢？

物理学科核心素养是指学生在学习物理知识过程中逐渐形成适合自身终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力[5]。是学生通过物理学习内化的具有物理学科性质的品质。物理学科核心素养包括物理观念、科学探究、科学思维、科学态度与责任四部分[6]，如图1。基于物理学科的自身特征，物理教学需在“实验探究”的基础上，让学生在物理实验知识学习过程中构建“物理观念”、发展“科学思维”和形成“科学态度与责任”[7]。

图1 物理学科核心素养的内容

疫情发生前，绝大多数大学物理实验课程采用传统的教学模式。主要以教师讲解实验原理和演示操作实验仪器等环节；
学生课前进行实验预习、课中进行实验操作并记录实验数据和课后完成实验报告并进行数据处理。直接结果就是教师讲解实验内容像“流水线”，缺少激情。而学生对于预习只顾抄书本，流于表面，对即将学习的实验原理和内容并没有真正的理解并融会贯通，因此，在物理学科核心素养中物理观念的起跑线就已经输掉；
在上课期间，学生专注于完成实验操作，记录实验数据，根本不注意老师的实验原理讲解和注意事项提醒，直接影响就是失误的操作可能导致仪器的损坏(比如双臂电桥中检流计的使用)，更甚者影响健康(比如迈克尔逊干涉仪，He-Ne激光不能对着人眼)，根本达不到理解并掌握当前实验的物理观念这一环节，进而何谈科学探究、科学思维、科学态度与责任等的培养；
课后学生敷衍地处理数据甚至抄袭作业，影响课程的总成绩。最终，基于传统授课方式的大学物理实验，完全起不到培养物理学科核心素养的作用。

针对传统教学物理学科核心素养培养的问题，提出基于后疫情时代学生物理学科核心素养培养的措施，如图2所示。

图2 物理实验混合授课融入物理学科核心素养元素的流程图

2.1 改革和创新实验教师授课模式

传统的实验授课模式以教师讲解为主体，学生只是被动接受教师提出的物理量概念、实验内容和机械操作实验仪器。因此，学生并没有发挥主观能动性，没有探索精神，何谈培养学生的物理学科核心素养。为了改变这种现状，南京邮电大学实验教师申请了南京邮电大学《大学物理实验》在线开放课程建设，于2018年获批为江苏省首批精品课程。并在当年9月正式在中国大学MOOC平台上同步进行该学期的实验内容，该课程涵盖了实验原理讲解、仪器使用(比如螺旋测微器、游标卡尺等)、实验操作视频等。但疫情爆发前，学生仅靠其应付教师的预习，并没有达到真正物尽其用的目的。疫情爆发后，各大高校积极响应“停课不停教，停课不停学”的号召，开启了线上授课模式。而大学物理实验需培养学生实验操作技能，故具有与其他理论课程不同的特征。因此，实验课是否纯粹靠线上授课，如何开展等问题给高校教师引来了新难题和新挑战。南京邮电大学实验教师采用集体备课的方式，及时更新并利用中国大学MOOC上面资源。同时积极创建QQ和微信群提前将预习内容分享到群里，增加问题环节，让学生带着问题去预习。

实验原理部分的讲解部分控制在10分钟以内，这不仅提高学生预习的目的性，也节约了教师上课的时间。同时还可以设置相应的题目，让学生重视预习，真正的对物理概念有所理解，不容易蒙混过关，这正符合物理学科核心素养中的物理观念和科学思维两要素。实验仪器操作视频不仅在学生预习部分让学生看到实物不再只靠想象和书本的静图，而且可以更直观地观察实验现象，让学生有继续学习、探索的欲望。从而可以进一步思考实验完成后的后续问题，比如惠斯通电桥实验，比率臂如何选取才能保证测量有较高的准确度？激发学生创新思维的潜能，培养了学生的科学探究、科学思维、科学态度与责任方面的素养，为大学生物理竞赛做准备，甚至为后面参与科研项目打下基础。

2.2 线上线下混合教学相结合

课前预习、课后回顾乃至期末考前复习，学生均可以通过中国大学MOOC——南京邮电大学《大学物理实验》同步观看实验原理、实验操作视频和做题。然而，在熟悉实验仪器及仪器构造，乃至实验操作部分，仅靠简单的观看很难达到共鸣，更遑论发现问题和发散思维，不利于培养学生的物理学科核心素养。所以，线上操作部分，学生可以通过虚拟仿真3D实验来更加深刻体会实验的原理和内容。虚拟仿真实验可以让学生在预习的时候自己操作，当中遇到问题可以在QQ和微信群里面求助教师，教师可以根据问题，及时引导学生找出问题答案，从而解决了学生遇到问题不能得到及时解决的困境和挫折，提高学生学习积极性。线下上课时学生根据线上虚拟仿真实验的操作不仅可以高效完成实验，而且有充足的时间让有发散思维和对虚拟操作有疑问的学生，进行实验验证。学生依据真实实验情境，利用已有的事实经验可以更深入地构建物理知识之间、物理与其他学科之间的内在逻辑关系，理解实验工作原理，分析实验结果，更有甚者学生根据发现的新问题，增添创新元素，合理设计实验模型，进而促进学生对物理知识的深度理解，训练学生分析问题的思维能力以及合理猜测，从而培养学生独立设计实验与制定方案的探究能力[8]。这均为后续物理竞赛中提供题材，同时实现了核心素养的要求。

2.3 加大教师队伍培养和经费投入

MOOC的建设和更新、虚拟仿真实验的开发均需要大量优秀教师的投入。另外，实验仪器的使用寿命过长导致仪器测量不准确，误差较大，容易打击学生的自信心，而且不利于学生得出正确结论，从而影响学生实验问题中的因果推理，进而影响学生对实验现象的正确描述和实验结果的准确解释。学生分析问题和解决问题的能力得不到锻炼，最终影响了物理学科核心素养的培养。因此，仪器的更新换代，师资力量的投入迫在眉睫。虽然虚拟仿真实验一方面可以减小仪器使用的错误率，另一方面学生不再过多依赖实验室和真实仪器，一定程度上延伸了实验教学。然而，学生新想法、新实验方案的验证需要线下操作进行的，由于实验室开放时间的限制，势必会扼杀学生发散思维的发展。因此，物理实验室可以在非课间时间给每个实验室配备有经验有相关课题研究的研究生，让平时实验未完成或者有想法继续探索的学生继续实验，并可与研究生交流。不仅本科生能够突破现有，将所学物理知识加以新用，使得理论知识实现更高质化的具体应用与开拓发展，而且研究生同本科生的开放性讨论中获得碰撞思想，能够在自己的课题中得到突破性进展。

2.4 构建多维度的成绩考核机制

学生物理学科核心素养难以得到优质培养除了教学模式单一、师资投资不够以外，考核机制也体现出相对滞后的问题。大学物理实验课程传统的考核方式主要是两部分：平时成绩和期末考试。平时由考勤、预习、实验操作和实验报告构成，其中实验报告是平时成绩的主要来源。这种考核虽然看起来不单一，但是真正执行起来，对学生物理学科核心素养的培养并无裨益。比如预习环节，由于课时限制，教师能在课上简单地检查预习报告，对于学生是否真正理解实验原理和概念了解甚少。因此，教师可以通过MOOC、QQ微信群、甚至在课上雨课堂、翻转课堂等在讲解原理和注意事项时，针对所讲的内容对学生予以提问，适当给予平时成绩的加分机制予以激励。当然也可以在完成实验也即是课后增加问题的设置和激励政策，从而巩固本节实验内容。比如：学生也可以在QQ、微信群上提问问题，这样知道问题答案的同学可以帮老师回答，实行加分激励，让有同样疑问的学生看到防止重复，节约时间。课中实验操作部分的考核可以细分，实验快慢、准确度、数据误差多少等均可以作为平时考核的一部分。这样，学生对实验当中出现的问题慢慢地会从被动接受到主动思考的转变。促进学生思考问题，发现问题，并最终提高解决问题的能力。另外，教师也可以让学生从所发现的问题，引导其发现新问题，进而扩展学生的思维发散，挖掘和发展学生的科研能力。教师从新问题中挑选出操作的可行性，指导学生参加物理竞赛。这就达到物理学科素养培养的目的。

基于新冠疫情期间大学物理实验的混合授课模式的改革和探索，为培养后疫情时代的本科生物理学科核心素养提供参考和执行思路。后疫情时代混合教学是适应时代和本科生自身特点的最佳授课模式。在此模式下，大学生的物理学科核心素养的培养需贯穿整个物理实验教学的始终。学校和学院加大师资和经费的投入，加强开发虚拟仿真3D实验项目支持学生物理学科核心素养培养。物理实验教师不断创新教学模式，增加考核机制的多样性，最大可能地挖掘和培养学生物理学科核心素养，使学生更能适应社会发展的需要。