数字化教育背景下大学物理实验教学策略研究

摘要：大学物理实验在提高学生科学素养和学生创新能力方面具有其他课程不可替代的作用。本文基于知识图谱的研究背景，深入探讨了大学物理实验的教学策略，分析了大学物理实验知识图谱构建方法，阐述其在教学内容、教学资源、教学实施等环节的应用策略，旨在提高大学物理实验教学质量，培养学生的实践能力与创新思维，推动大学物理实验教学的改革与创新。

关键词：大学物理实验；数字化教育；知识图谱；教学改革；教学策略

中图分类号：G642   文献标识码：A

1引言

大学物理实验是面向普通高校理工科学生开设的一门学科基础课程，同时也是一门通识教育课程。课程本身不仅包含力、热、光、电、磁和近代物理等基本实验内容，还有基本实验仪器使用技能和基本实验操作技能，另外还蕴含丰富的思政元素，是培养学生科学素养和社会主义核心价值观的有效途径，因此具有其他课程不可替代的作用。

当前人类正处于以大数据、人工智能、物联网、区块链等新一代信息技术为特征的信息革命时代。随着信息技术的快速发展，数字化教育正逐渐成为教育发展的新趋势[1-2]。2003年，美国国家科学院基于知识计量、知识管理技术和方法的发展，提出了知识图谱的概念，知识图谱在教育领域的应用日益广泛。以“知识图谱”为主题的文献通过知网平台有3.64万篇，以“知识图谱”+“物理实验”为主题搜索到的研究论文只有23篇。本文以知识图谱研究为背景，结合当前大学物理实验教学的现状，对大学物理实验的教学策略进行探究，旨在增加学生的动手能力、实践创新能力、自主学习能力、严谨的科学作风和科学素养，提升大学物理实验的教学质量[3-8]。

2大学物理实验教学现状研究大学物理实验课程是我校的一门学科基础课程，面向机械、材料、汽车、电气、电信、计算机等传统专业和人工智能、新能源、智能制造等新工科专业学生开放，近五年随着学校办学规模不断扩大，修读大学物理实验的学生数量年年递增。大学物理实验教学面临各方面的问题和困难，比如师资队伍短缺、教学设备不足、生源物理基础参差不齐等问题。根据2024-2025学年第一学期的期末教学调查，具体问题主要有以下几方面：

（1）学生在学习大学物理实验的过程中理论知识缺乏；自主学习能力不足，依赖性强；学生创新能力和解决问题能力欠缺；学习物理实验的兴趣不浓厚。

（2）教师在教学过程中教学模式单一，与学生互动较少；对实验拓展的讲解偏少，实验前沿的内容涉及太少。

（3）教学设备维修不及时，影响学生实验；教学设备使用性能欠佳，设备有些陈旧。

3大学物理实验教学策略研究

3.1创新教学内容

依据2023年版《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》，学生需要掌握测量误差的基本知识，具有正确处理实验数据的能力；掌握基本物理量的测量方法、实验室常用仪器的性能、常用实验操作技术；适当介绍物理实验史料和物理实验在现代科学技术中的应用知识。在教指委的基本要求之上，依据大学物理实验课程教学目标，可以从知识、技能、素养三个维度拓展教学内容，适当调整大学物理实验教学内容的深度和广度。

分析实验教学内容是创建知识图谱的前提工作。以《落球法测液体的粘度》实验为例，说明如何挖掘实验教学的内容。（1）知识维度。从实验背景、实验仪器、实验原理、实验内容和数据处理五个角度出发，实验背景突出物理思想和人物故事（泊肃叶、斯托克斯、牛顿等）；实验仪器包含计时仪器的选取、PID温控调节、螺旋测微计的使用等；实验原理包括内摩擦定律、斯托克斯定律、粘度、受力分析（重力、浮力和粘滞力）、雷诺数等；实验内容包括小球直径测量、下落高度和时间测量等；数据处理包含列表法、作图法、最小二乘法和计算机程序处理数据等。（2）技能维度。实验技能主要有水平和竖直调整技术、基本实验器材的熟练程度（如米尺和秒表的使用）；仪器调试、故障排除、改造；实验测量方法创新。（3）素养维度。本实验可以从爱国情怀、实事求是、团结协作、学思结合和科学精神等方面挖掘思政案例。例如，斯托克斯在研究球体在液体中的运动时，进行了无数次的理论计算和实验验证。他不断地调整模型假设，思考不同条件下球体所受的力。他的这种反复验证和精益求精的精神，就如同学生在进行落球法测液体粘度实验时，需要反复测量小球下落时间以减小误差一样。学生可以从斯托克斯的研究过程中体会到科学研究的艰辛和对精确性的执着追求。

3.2优化教学资源

在数字化教育背景下，大学物理实验课程需要优化教学资源。围绕课程教学目标，对教学资源实施数字化建设，让数字化教育赋能学生学习。大学物理实验可以通过以下方式丰富物理实验教学资源。（1）利用虚拟实验室。在虚拟的物理实验环境下，学生可以随时操作，不受场地和设备数量的限制，可以加深对物理原理的理解。例如可以模拟光学实验中的光路传播、干涉和衍射现象。（2）网络资源共享。教师可以在各种网络平台上或在线开放课程，收集国内外优质的大学物理实验教学视频、课件、题库、微课等资源。学生在课前、课中、课后利用这些资源进行学习。（3）引入数字化的实验设备，例如力传感器、温度传感器等，应用传感器将非电量转化为电量，然后通过数据采集模块传输到计算机上进行数据分析与处理。另外，物理Tracker软件或Phyphox手机物理工坊也可以进行数据采集和分析。

3.3设计个性化的教学实施方案

教学实施是教学工作的核心环节，直接关系到教学质量和学生的学习效果。下面从课前预习、课中操作、课后总结三个实验教学环节，介绍知识图谱在教学实施过程中的应用。

（1）课前的实验预习阶段。学生通过浏览实验项目知识图谱，从实验背景、实验原理、实验仪器使用、实验操作、数据处理以及实验拓展，清晰地了解实验的知识框架及其知识点间的相互关联，能高效地完成实验前的准备工作。同时可以利用知识图谱中的关联信息，加深对实验的理解，提高实验项目的预习效果。（2）课中的实验操作阶段。教师可以借助知识图谱对学生预习时共性的疑难问题进行讲解，并对知识图谱中的知识点进行阐述。另外，学生在实验操作的过程中可以利用知识图谱链接的相关资源自己解决遇到的问题。这样既锻炼学生的表达能力，又提高了学生独立解决问题的能力。（3）课后的实验总结阶段，学生可以利用知识图谱回顾实验涉及的所有知识点，在撰写实验报告时，以知识图谱作为参考，将实验步骤、实验现象和实验结果与对应的物理知识相联系，将碎片化的实验细节融入到整个物理知识网络中。另外，知识图谱可以引导学生发现实验知识与其他学科知识的交叉点，有助于培养学生的跨学科思维，也可以激发学生思考实验知识点在生活场景和工程领域的应用。

4结语

在数字化教育的时代背景下，应用型本科高校的大学物理实验教学存在许多短板，教师需要打破传统的教学思维定式，坚持以学生发展为中心，围绕课程教学目标，对大学物理实验课程教学内容重新梳理，多维度分析知识点间的关联，利用信息化手段优化教学资源，构建物理实验知识图谱，产生个性化的教学实施方案，实现对学生实践技能和科学素质的培养。

参考文献

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[2]怀进鹏. 数字变革与教育未来：在世界数字教育大会上的主旨演讲[J]. 中国教育信息化，2023，29(3)：3-10.

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[8]王琛琛，张睿，吴天刚. 大学物理知识图谱的构建及其在个性化教学中的应用[J]. 物理与工程，2020，30(5)：76-81.

★基金项目：湖北汽车工业学院2024年教学研究与改革项目（创新创业教育专项）：“新工科”和“创新创业教育”双重背景下的《大学物理实验》教学体系的研究与实践(SCJY202404)。湖北汽车工业学院2024年教学研究与改革项目：基于项目知识图谱的应用型高校《大学物理实验》教学策略构建与优化研究（JY2024085）。

作者简介：吕东燕（1980-），女，山东济宁人，硕士，副教授，主要从事大学物理实验教学和研究工作。