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摘要：随着世界经济和社会的快速发展，尤其是“互联网+”时代的来临，越来越多的人都感受到知识量和信息量的巨大冲击，中小学、幼儿园甚至高等学校的教学和管理人员也不例外。为了进一步提高业务水平和能力，他们通常会选择继续深造培训，如攻读高等学校教育硕士学位等。在这种情形下，如何提高高等教育专业硕士的培养质量是迫切需要解决的问题。开放式和数字化实验教学突出学生的自主学习地位，具有时间空间灵活、实践教学效果显著、开放式可自主开发新实验以及自带课题式探究模式等诸多优点，与传统实验教学、虚拟仿真技术相结合，在物理教育硕士培养中发挥重要作用。以物理教育硕士的培养为例，探索开放式和数字化物理实验教学新模式，并结合虚拟仿真实验技术，探讨物理教育硕士的综合素质和能力的全面发展和提高的有效途径。
关键词：开放式；数字化；虚拟仿真技术；物理教育硕士
本文引用格式：祁红艳等.开放式和数字化实验教学在物理教育硕士培养中的应用[J].教育现代化，2020，7（39）：12-14.
The Application of Open and Digital Experimental Teaching for the Training of Physics Education Master Student
QI Hong-yan,LI Jie,WU Jian-bing,WANG Yun,DENG Yong-ju*
(School of Physics and Mechanical&Electronical Engineering,Hubei University of Education,Wuhan,Hubei)
Abstract:The open and digital experimental teaching highlights the students'independent learning status.It has many advantages,such as flexible time and space,significant practical teaching effect,independent development of new experiments and self-contained research mode.Combined with traditional experimental teaching and virtual simulation technology,it plays an important role in the master student cultivation in physics education.Taking the training of master of physics education as an example,this paper explores a new model of open and digital physics experiment teaching,and investigates the effective way to develop and improve the comprehensive quality and ability of master of physics education in an all-round way by combining virtual simulation experiment technology.With the rapid development of the world economy and society,especially the advent of the Internet plus era,more and more people are feeling the tremendous impact of knowledge and information.Primary school,kindergarten,even higher education and management personnel are no exception.In order to further improve their professional level and ability,they usually choose to continue their further education and training,such as studying for a master's degree in higher education.In this case,how to improve the quality of Higher Education Master training is an urgent problem to be solved.
Key words:open;digital;virtual simulation technology;master of physics education
教育部早在高教[2001]4号文件就指出：“实践教学对于提高学生的综合素质、培养学生的创新精神与实践能力具有特殊作用”[1]。实践是培养基础实、知识宽、能力强、素质高的学生的关键环节之一。其中实验是提高理工科学生学习能力、动手能力和创新能力最行之有效的手段之一。因为实验与理论教学是相辅相成的，两者有机结合起来会相得益彰。
随着近年来高校的课程教学改革，各高校都对过去陈旧的实验教学内容、教学体系、教学手段和模式进行深化改革，逐步建立了如“模块化、多层次、开放式”的新型实验教学体系，实行了数字化教学与管理等，这些举措都大大增强了学生学习的自主性和能动性。对比国内外大学开放式和数字化实验教学和管理，我们国内目前很多学校实验室开放化和数字化程度不高。另外，由于课时、时间、教师、管理人员等多方面因素，国内大多数高校在培养理工科教育专业硕士时对实验动手能力的要求不高。要切实提高理工科教育硕士的培养质量，提高他们在实践中分析问题、解决问题的能力，更好的胜任工作岗位。
一 实施开放式实验教学
“开放式实验教学”这一新的教学模式重在吸引学生主动参与实践活动，提高学生对“提出问题、研究问题、解决问题”的兴趣，培养学生的思索能力、辨析能力和探索求知精神，发展学生的个性和潜质，激发学生的创造力，达到学生实践能力和综合素质共同提高的目的。开放式实验教学不仅限于普通物理课程中要求学生按照规定的时间、地点和项目进行操作和训练；而要在设计思想、内容的选择上，充分考虑学生的个体差异、现有条件、实验过程和结果等多方面因素，结合学生实际情况，合理安排实验教学，达到因材施教，也实现教师、学生和设备的最优化配置[2]。开放式实验教学的重要性主要体现在以下三个方面：
（一）采用开放式实验教学可充分发挥学生在实验教学中的主体作用。不同学科、不同专业、不同基础的学生均可根据自己的专业水平和兴趣爱好在相应的实验模块中选择适合的实验项目和内容，同时结合学业情况灵活地选择实验时间，使时间得到了合理化分配，也充分调动了学生的主观能动性[3]。采用开放式实验教学更大范围的体现了以学生为中心、以学生发展为本、教育的人性化和学习的个性化的教育理念。
（二）采用开放式实验教学有利于实验室资源的合理化分配。大多数的高校存在实验室利用率高低不同的现象，学生自主地选择规定模块中的实验项目，实验的频率和实验循环的节奏由学生自行调节，这使得实验室同时间段容纳的人数大幅度提高。另外，自主地选择实验项目可满足不同学科、不同专业的物理实验教学要求，提高了实验仪器设备的共享程度和利用率[4]。
（三）开放式实验教学更有利于培养学生的创新能力。围绕应用型人才培养目标和实验课程教学大纲，针对不同专业的学生在课内或者课外同时开展不同类型、不同层次的实验项目，使不同层次的学生获得循序渐进、多层次、分阶段的科学训练，更有利于实现因材施教,发展个性。由于不受系别、专业、时间、教室的限制，学生选择权大，更加积极主动地参加科学实践和创新活动，对于感兴趣的项目或内容会钻研到底。所以，实施开放式实验教学更有利于发挥学生的专长和优势，有助于学生独立思考能力、分析问题能力和实际解决问题能力的提高[5]。
大部分物理教育硕士身兼本职工作和学习深造双重任务，时间弹性相对较小，有限的实践时间、固定的实验内容已远不能满足他们实验技能训练和创新能力提高的需求。物理教育硕士在本科阶段已受过大学物理理论知识和实验技能的学习和训练，如果在攻硕阶段对他们在实验时间、实验空间、实验内容、实验资源与评估评价体系等方面全方位开放，他们可根据自己已有的实验基础、兴趣爱好、工作业务需求对实验时间、内容、方法等进行自主决定、自行安排，时间分配更合理化，可帮助他们解决了实际工作和学习两者兼得的问题。为强化物理教育硕士自主学习和动手能力的训练，也鼓励物理教育硕士结合自身工作自带课题进行自主式探索研究，每个实验的评价除了完成基本操作外，也要有对实验或者课题进行更大范围的拓展总结，对探究性结果形成规范性的科技制作和科技论文，以提高物理教育硕士独立实验、科学创新的综合能力。
二 引进数字化实验教学手段
学科交叉与知识融合是现代科学发展的显著特点，在实验技术上也呈现出新颖、全面、先进、实用和相互渗透的特点。数字化实验系统（Digital Information System）（简称DIS），具有实验过程“可视化”、数据采集和处理“智能化”、实验设计“重点化”等优点[6]，在现代实验手段的革新上起着举足轻重的作用。DIS涵盖物理、化学和生物等学科，利用传感器、数据采集器、计算机、软件系统，与传统实验器材整合，在极短的时间里用图表、图像的形式展示出实验现象，记录和再现实验过程，提高了实验过程的可视性，简化了实验数据的处理和分析。利用DIS解决了很多传统实验中“实验过程”和“实验结果”不能兼得的弊端，使学生既经历“实验探究”的全过程(提出问题、猜想假设、设计实验、数据收集、分析论证、结论评估)，又有时间对实验现象和结果进行理论分析并深入探究。
在物理教育硕士培养中实现数字化信息系统与传统物理实验的有效整合与超越，体现了新课程的教育教学理念。物理教育硕士在大学阶段已有大量物理实验的基本操作和讨论分析经验，有些物理教育硕士可能在大学阶段已对DIS实验系统有初步接触。在硕士阶段，物理教育硕士可进一步利用DIS探索和开发各类演示性、验证性、综合设计性物理实验，改进传统实验也开发新实验，也做到带课题式的研究学习，为物理实验教学开发更多的自主学习、自主探究、自主合作的创新教学方式，利用新颖有效的教学方式激发学生的学习兴趣和探究欲望，从而引发更深层次的思维活动。
三结合现代化教学技术
将数字化实验系统与虚拟仿真现代实践教学技术结合起来，可进一步拓展DIS的适用场合，为DIS带来一场改革[7-8]。虚拟仿真实验应用了三维虚拟技术，为学生提供出虚拟的实验场景，可记录也可回放DIS物理实验的全过程，起到演示实验过程的作用，最大限度地缩小了真实实验与虚拟实验的差距。网络技术的发展和普及，使得远程虚拟实验教学更容易实现，学生人手一套虚拟实验设备，不用在固定的时间，也不用在固定的地点做实验，随时随地的如同用DIS操作，在时间和空间上具有充分的自由。另外，网络上学习资源丰富，学生对上网极感兴趣，因此可引导学生与物理实验联系起来，利用网络资源，对现有的实验进行更深层次的拓展和研究，例如探究过程更复杂数据量更大的物理实验。这样一方面加强了学生对物理实验的兴趣，另一方面使学生对物理实验有更高的认识和探索。
通过虚拟实验平台，教师对学生进行个别指导时重点关注学生所用的实验方法、实验过程和结果以及实验评价，关注学生对实验物理量之间关系的理解、学生的实验操作技能水平、学生的科学态度和合作方式等，使教师的指导效率大大提高。
在物理教育硕士培养中，将虚拟实验教学与DIS实验教学有效整合可弥补学生实际操作实验经验的不足，也能增加设备的使用率，节省教学成本，解决当前物理实验教学经费的不足。对于最新的物理科学新动向，没有条件实现的物理新实验，采用虚拟仿真技术和DIS结合，有望将最新的难度较大的实验模拟出来。
四 结语
开放式、数字化、虚拟仿真技术结合传统的实验教学，使物理教育硕士在实验时间、实验空间、实验内容和实验方式都有极大的灵活度，具有更宽松的学习环境，自带课题式的探究使物理教育硕士结合自身兴趣和工作实际，丰富和巩固了理论知识，也充分发挥了主观能动性，提高了科学素养和创新能力，必将取得很好的教育教学效果。
参考文献
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[2]宋国利,盖功琪，苏冬妹.开放式实验教学模式的研究与实践[J].实验室研究与探索,2010,29(2):91-93.
[3]李香莲.大学物理实验[M].北京：高等教育出版社，2015.
[4]夏守之，魏开红，王若田.大学物理实验开放式教学与学生创新能力的培养[J].化工高等教育，2007，24(3)：51-53.
[5]戴玮,沈建华,段天权,等.开放式教学法在大学物理实验教学中的应用[J].科技信息,2011(16):502.
[6]朱目强，数字化实验的特点概述[M].人民教育出版社，2008.
[7]刘茂军,张勇.中学物理实验与传感器整合研究述评[J].物理教师,2015,36(11):68-72.
[8]贺晓涛.大学物理教育中渗透人文精神的实践与探索[J].教育现代化,2018,5(08):145-146.
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