近十年來，國內各高校一直在提倡並推行開放式創新性的實驗教學改革，從實驗項目內容的分層次編排，到實驗教學過程的探究性引導，到實驗考核方式的多元化標準，但在實際操作時會遇到一些制約瓶頸。如優質教師資源短缺、實驗室全面開放在實際操作和管理上遭遇困難、多元化考核標準難以客觀體現等。為此，東南大學物理實驗教學團隊和南京師範大學智慧教育研究院合作，針對傳統大學實驗教學的難點、痛點，對教學體系、教學內容、實驗教學環節等方面進行了長期探索，在現有的“大學物理實驗”國家級精品資源共享課程和“預備性物理實驗”國家級一流線上本科課程基礎上，研發了包括智慧實驗教學平台、虛擬仿真實驗和智慧實驗教學環境等大學實驗智慧實驗室，改進了大學實驗教學，實現了從應用信息技術優化課堂教學，應用信息技術轉變學習模式，形成線上線下結合、實驗教學和創新應用互融的智慧型教學模式，契合了新工科背景下創新人才培養的新趨勢和新要求。
分層次的實驗環境，滿足個性化需求
以東南大學“大學物理實驗”課程為例，該課程面向理、工、醫等各專業學生，為滿足不同專業和層次的學生需求，實驗項目基本分為“基礎驗證性實驗”“自主探究性實驗”“高階創新性實驗”三種類型。“探究性實驗”、“創新性實驗”則旨在培養學生的探究能力、自主創新能力，通常採用“開放—翻轉—研討”的教學模式，這類實驗從設備的選擇、方案的設計、數據的分析處理等都是開放的，另外實驗桌可以自由拼接，方便組內、組間進行交流討論。有效滿足了不同層次、不同方向人才培養的需求。
軟件建設上，我們引進了慕課、智慧課堂系統等技術手段，為學生的在線交流、資源共享、數據分析等提供技術支撐。鼓勵學生先在智慧課堂系統裏面挖掘實驗創新之處、避免實驗中常見的問題與錯誤。通過師生研討、生生研討，探求解決方案。分層式、個性化的實驗室類型保證了實驗教學的針對性，有效滿足不同層次、不同方向人才培養的需求。
數字化的實驗過程，引導學生自主學習與探究
在分層次實驗教學過程中，基本內容完成多、提高內容完成少是普遍存在的現象，很多時候並不是教師不想引導學生進行深入思考探究，而是由於學生預習工作不夠充分，缺乏展開與拓展的知識基礎，加之課堂時間有限，導致個性化深層次的實驗探究不能普遍完成。為了破解這一難題，教學團隊利用線上教學拓展課堂時空，如利用在線開放課程資源將課堂前置，把需要預習的視頻、資料、討論議題等提前推送給學生，教師聚焦於實驗中的分析、研討，不僅拓寬了學生的專業視野，而且還提高了學生自主實驗的積極性、主動性。另外，針對操作複雜、耗時較長、儀器成本較高的實驗則採用虛擬仿真實驗的形式。
以“用三線扭擺法測定物體的轉動慣量”實驗為例，所有的學習資料，包括PPT、儀器操作視頻、原理講解全都傳在“中國大學MOOC”網。學生在虛擬仿真環境下可以不受硬件資源和時空限制隨時隨地進行實驗操作、模擬調試、方案驗證等。線上、線下混合式實驗教學拓展了實驗教學空間，為傳統實驗教學模式向開放創新性實驗教學模式過渡提供了契機。
過程評價與結果評價相結合，培養綜合能力
傳統實驗項目評價多以簡單的出勤、預習情況檢查、實驗操作檢查、實驗報告完成情況為主，缺乏對學生實驗設計、數據收集、合作探究過程的關注。根據人才培養目標，同時藉助在線開放課程、“智慧實驗教學平台”等技術手段，物理實驗教學團隊建立了全面、多維的評價模式，涵蓋實驗預習、實驗操作、實驗報告等多個環節。學生在進行實驗之前，需要閲讀資料、觀看視頻、完成預習測試、實驗設計等，這些全部在雲端完成提交，後台進行智能統計分析；實驗操作中，教師鼓勵學生利用平台將實驗數據、實驗現象進行上傳分享。學生可以自評和互評，拓寬了傳統由教師評價的單一模式，也促進了師生之間、生生之間的互動交流；實驗結束後，學生在平台上完成電子實驗報告。與傳統紙質報告不同，電子報告需要插入實驗圖片、視頻，小組討論的文字和圖片等，更加豐富、多元，更加體現實驗過程評價的訴求。
例如受迫振動實驗中，振動週期和擺幅的原始數據可通過設備採集數據直接上傳至實驗報告的數據表中，無需學生對着儀器手動抄錄，這種線下上傳、線上比較的形式，最大程度地提高了實驗效率。根據以上數據分析及情況反饋，教學團隊將在數據採集與測量方面加強對力學實驗的過程管理，並進一步通過引導與啓發，促進學生對實驗深入開展討論與研究。
根據教與學的需求，從資源到課程，從管理平台到教學平台，從網絡輔助到智慧課堂，將網絡、人工智能、教育大數據等新技術引入教學，拓展了學生在課前課後的自主研學，而實現了智慧交互、實時反饋，完成從實驗知識理解到綜合能力提高、從實驗技能掌握到創新設計能力培養的轉變，有效培養了理工科學生的批判性思維、設計性思維和數字化思維能力。目前的實施表明，該教學模式效果顯著，對於理工科類相關實驗教學具有一定的推廣和應用價值。
（作者單位：東南大學物理學院 南京師範大學智慧教育研究院）
《中國教育報》2021年02月06日第3版
作者：戴玉蓉 惲如偉
來源:中國教育報