舒 崢，鄭榮煒，李佳隆，柴志方

(華東師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，上海 200241)

大學(xué)物理實驗微課建模的探討

舒 崢，鄭榮煒，李佳隆，柴志方

(華東師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，上海 200241)

針對目前高等院校大學(xué)物理實驗教學(xué)的現(xiàn)狀與困境，提供了以微課制作的形式，進(jìn)行實驗建模教學(xué)的方案，并以RLC幅頻特性的實驗研究為例對微課制作的流程、實驗建模教學(xué)的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的闡述.

微課；大學(xué)物理實驗教學(xué)；物理建模;RLC

目前普遍認(rèn)為影響大學(xué)物理實驗教學(xué)質(zhì)量的主要問題有：課前預(yù)習(xí)不夠充分；課堂時間分配難以調(diào)和；課后復(fù)習(xí)條件不足[1]. 另外理論課與實驗課不同步的情況導(dǎo)致學(xué)生在課堂上更多扮演的是“操作工”而不是“研究者”的角色.

實驗微課建模教學(xué)是將科學(xué)建模教學(xué)理論與實驗微課教學(xué)相結(jié)合，以教學(xué)視頻為載體，圍繞某一實驗進(jìn)行教學(xué)設(shè)計并開展的教學(xué)活動，是將物理實驗、建模教學(xué)以微課的形式呈現(xiàn)出來的一種新型教學(xué)模式.

鑒于上述大學(xué)物理實驗教學(xué)的不足以及實驗微課建模教學(xué)的特點，本論文提出了大學(xué)物理實驗微課建模的教學(xué)模式，并以RLC幅頻特性的實驗研究為例詳細(xì)闡述微課教學(xué)的設(shè)計過程，旨在通過實驗微課建模的教學(xué)研究提高大學(xué)物理實驗教學(xué)的質(zhì)量.

1 大學(xué)物理實驗微課與建模教學(xué)相結(jié)合的可行性分析

大學(xué)物理實驗以微課的形式呈現(xiàn)，不僅可以改善學(xué)生預(yù)習(xí)效果，于有限的課時內(nèi)提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、創(chuàng)新能力、實驗?zāi)芰σ约肮收辖忉尲芭挪榈哪芰2]，而且可以幫助教師完成實驗教學(xué)任務(wù)，提高課堂教學(xué)的有效性.

物理模型作為理論和實驗的中介，被視為是對真實世界的表征[3]，而傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗教學(xué)中學(xué)生缺乏模型建構(gòu)、分析與解釋等意識且對模型的本質(zhì)和功能認(rèn)識不足，這導(dǎo)致學(xué)生難以利用已知知識去解決實際問題. 而微課建模教學(xué)則能夠彌補這方面的不足，其能引導(dǎo)學(xué)生先建模后實驗，有效地避免學(xué)生只動手不動腦、機械而盲目地做實驗等現(xiàn)象的發(fā)生.

因此，鑒于對上述大學(xué)物理實驗建模教學(xué)的必要性以及微課教學(xué)的有效性等特點的分析，將大學(xué)物理實驗微課與建模教學(xué)相結(jié)合具有一定的可行性以及研究價值. 在微課教學(xué)的過程中，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷建模學(xué)習(xí)的過程，體驗科學(xué)家的思考活動，幫助學(xué)生建立科學(xué)模型；在模型檢驗環(huán)節(jié)可以直接通過大學(xué)物理實驗器材進(jìn)行驗證；模型修正環(huán)節(jié)可以通過學(xué)生不斷地“嘗試錯誤”，從而進(jìn)行故障分析和現(xiàn)象解釋；模型拓展環(huán)節(jié)的設(shè)置通過講解知識的實際來源，從而幫助學(xué)生進(jìn)行知識的遷移，并學(xué)會解決實際生活中的問題.

2 基于建模教學(xué)的微課制作過程

微課制作是一項系統(tǒng)的工程，其前期準(zhǔn)備的工作量與難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錄制過程. 流程如圖1所示，具體為[4]：

1)前期分析，確定適宜做建模微課的實驗內(nèi)容，并對學(xué)生學(xué)情進(jìn)行分析.

2)腳本設(shè)計，思考教學(xué)內(nèi)容如何呈現(xiàn)、教學(xué)過程如何組織以及如何解決實驗重點難點等問題[5].

3)素材準(zhǔn)備，根據(jù)腳本尋找或者制作符合實驗教學(xué)的視頻和PPT等.

4)軟件編輯、視頻編輯的軟件可以有多種選擇，屏幕錄制微課工具Camtasia Studio 8.4、聲音編輯工具Adobe Audition CC、字幕制作工具Time Machine等. 這里需要注意腳本、課件以及視頻的協(xié)調(diào)性，微課屏幕顯示畫面與解說聲音要同步，特寫鏡頭要標(biāo)出變焦倍數(shù).

5)測試評價，對使用建模實驗微課的學(xué)生進(jìn)行跟蹤調(diào)查和深度訪談.

圖1 微課實施流程

腳本的設(shè)計環(huán)節(jié)很大程度上決定了本次研究的成功與否. 故本文著重從腳本的教學(xué)設(shè)計角度進(jìn)行具體介紹.

3 RLC串聯(lián)幅頻特性實驗的實驗建模微課教學(xué)的設(shè)計

實驗建模的微課教學(xué)主要圍繞模型展開，具體做法如圖2所示，在Halloun建模的基礎(chǔ)上，結(jié)合大學(xué)物理電學(xué)實驗特點，從5個方面展開實驗微課的建模教學(xué)，分別是模型假設(shè)—參量選擇—模型建構(gòu)—實驗驗證與模型檢驗—模型拓展. 需要說明的是，這些建模過程并非線性推進(jìn)的過程，模型是可以不斷修正的，所以實際建模過程中可能需要多次反復(fù)，甚至要回到起點重新開始[3].

圖2 實驗微課建模設(shè)計過程

3.1 模型假設(shè)

電路理論并不是對實際生活中的真實電路進(jìn)行的模擬，而是根據(jù)抓住主要因素、忽略次要因素的研究方法，將實際電路抽象成具體模型之后進(jìn)行研究. 本視頻第一個環(huán)節(jié)描述了同一線圈在直流、交流的不同情況下需要采取不同的電學(xué)元件模型進(jìn)行建模：在直流情況下，線圈在電路中僅反映為導(dǎo)線內(nèi)電流引起的能量消耗，此時線圈相當(dāng)于電阻元件；在電流變化的情況下，線圈電流產(chǎn)生的磁場會引起感應(yīng)電壓，此時電路模型可看成是電阻元件和電感元件的串聯(lián)；當(dāng)電流變化甚快時，包括高頻交流，還應(yīng)考慮線圈導(dǎo)體表面的電荷作用，即電容效應(yīng)，故此模型中還應(yīng)包括電容元件. 由此，首先提出模型假設(shè)：忽略實際RLC串聯(lián)電路中的復(fù)雜情形，假設(shè)各個原器件都是由理想元件組成的電路模型.

3.2 參量選擇

鑒于電路實驗獨特的多參量調(diào)節(jié)過程，需要從很多參量中選擇有效參量進(jìn)行研究，故本模型在原有基礎(chǔ)上增設(shè)了參量選擇這一步驟. 因大學(xué)物理實驗和大學(xué)物理是2門獨立的課程，大學(xué)物理實驗需要大學(xué)物理的基礎(chǔ)理論，故在講解實驗電路之前，本視頻首先通過復(fù)習(xí)舊知識，使學(xué)生回憶起RLC串聯(lián)諧振的條件，并根據(jù)控制變量法的理念要求選擇出RLC電路的3個變量參量，同時分析出實現(xiàn)電路諧振的方法.

3.3 模型建構(gòu)

根據(jù)實驗建模的教學(xué)步驟，在引出物理實驗?zāi)繕?biāo)模型后，學(xué)生可能無法立刻獨自建立起各變量的相互影響. 本視頻借助LabVIEW軟件對RLC電路運行仿真，隨后從電路阻抗、電流和電壓3個不同角度觀察仿真的結(jié)果圖像，思考電路諧振的特點. 知道電路發(fā)生諧振時：輸入阻抗為純電阻，阻抗模最??；電流達(dá)到最大值；電阻R上的電壓達(dá)到最大，電容和電感上的電壓都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電源電壓，并且是電源的Q倍，這個倍數(shù)稱為 品質(zhì)因數(shù). 學(xué)生在視頻引導(dǎo)的過程中，可以建立并完善RLC串聯(lián)實驗電路模型，并能夠利用此模型定性描述各變量之間的相互關(guān)系，還在此基礎(chǔ)上發(fā)展數(shù)學(xué)表征來定量分析數(shù)值問題.

3.4 實驗驗證與模型檢驗

學(xué)生建立RLC串聯(lián)電路模型后，需要對此模型進(jìn)行驗證和分析，確定此模型是否需要進(jìn)一步修改、解釋等. 本視頻通過接線和故障分析2部分幫助學(xué)生檢驗?zāi)Ｐ偷膬?nèi)在一致性. 按照電路圖接線部分使學(xué)生進(jìn)一步理解RLC串聯(lián)實驗電路的整體構(gòu)架，之后通過分析A同學(xué)的實驗操作，思考看似正確的實驗接線為什么導(dǎo)致實驗現(xiàn)象與理論分析有較大出入，讓學(xué)生進(jìn)行批判性思考，最后通過對交流電壓表自身的結(jié)構(gòu)分析，修改實驗接線模型，解決接地的故障，從而矯正或強化RLC實驗電路模型. 實驗驗證與模型檢驗部分腳本如表1所示.

表1 實驗驗證與模型檢驗部分腳本(3 min)

3.5 模型拓展

一旦學(xué)生建立起RLC串聯(lián)電路模型及各理想元件間的關(guān)系，便可根據(jù)相應(yīng)的分析，理解現(xiàn)實生活的實際情境. 例如，本視頻此時引入收音機調(diào)頻問題，假設(shè)上海廣播電臺發(fā)射的3種不同頻率電臺信號都是十分微弱的，新聞、經(jīng)濟和交通頻道電臺信號的接收端頻率分別是990 kHz,855 kHz和648 kHz，它們的感應(yīng)電壓均為15 μV，電路中R=33 Ω，L=330 μH. 讓學(xué)生通過諧振特性，利用調(diào)節(jié)電容篩選和放大所感興趣的電臺信號. 例如為了能夠聽到990 kHz的電臺節(jié)目，根據(jù)RLC串聯(lián)諧振公式得C=78.3 pF,此時計算出3個電臺在電容C兩端的電壓分別是26.2 μV, 58.9 μV,933 μV,即990 kHz的信號放大為原來的62倍，即使另外2個頻率的信號也放大了，但是其幅值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于990 kHz的信號幅值，故只能聽到990 kHz的電臺信號，完成了信號的篩選. 在這一建模微課的過程中充分應(yīng)用了模型的描述、解釋和預(yù)測的功能，學(xué)生能夠更深刻體會到RLC串聯(lián)電路模型的本質(zhì).

4 結(jié)束語

實驗微課建模是集討論式、開放式、探究式于一體的教學(xué)方式，將實驗微課建模的教學(xué)模式應(yīng)用于大學(xué)物理實驗的教學(xué)中具有一定的必要性、可行性與實用性. 實驗微課建模不僅可以改善學(xué)生預(yù)習(xí)效果，在有限的課時內(nèi)找到重難點，完成實驗教學(xué)任務(wù)，且學(xué)生在實驗中遇到與結(jié)果不符的狀況時，建模教學(xué)能夠幫助其建立整體意識，從而進(jìn)行故障分析和錯誤排查. 此外，微課還通過啟發(fā)性問題和模型拓展部分給學(xué)生課后討論提供一定的思路，從而提高了實驗教學(xué)的有效性. 大學(xué)物理實驗微課建模正在華東師范大學(xué)2015級普通物理實驗班進(jìn)行準(zhǔn)實驗研究.

[1] 唐艷妮,徐軍,羅積軍，等. 微課在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用探索[J]. 物理與工程，2014,(S2):57-58.

[2] 教育部高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會. 理工科類大學(xué)物理實驗課程教學(xué)基本要求[M]. 北京:高等教育出版社,2010.

[3] 張靜,郭玉英. 物理建模教學(xué)的理論與實踐簡介[J]. 大學(xué)物理，2013，32(2):25-30.

[4] 孟祥增,劉瑞梅,王廣新. 微課設(shè)計與制作的理論與實踐[J]. 遠(yuǎn)程教育雜志，2014,(6):24-32.

[5] 宋金璠，郭新峰，王生釗，等. 微課在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 物理實驗，2015,35(2):12-17.

[責(zé)任編輯：郭 偉]

Discussion of college physics experiment micro lecture

SHU Zheng, ZHENG Rong-wei, LI Jia-long, CHAI Zhi-fang

(School of Physic and Material Science, East China Normal University, Shanghai 200241, China)

To overcome the present dilemma in physics experiment teaching in universities, an experiment teaching model based on micro lecture was provided. Taking theRLCamplitude frequency characteristics experiment as an example, the process of making modeling and designing experiment teaching were expounded in detail.

micro teaching mode; university physics experiment teaching; physical modeling;RLC

2017-06-19

高等學(xué)校物理實驗課程教學(xué)研究項目(No.01-201601-24)

舒 崢(1990-)，女，河南南陽人，華東師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院2015級碩士研究生，研究方向為物理課程與教學(xué)論．

柴志方(1977-)，男，河北邢臺人，華東師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院副教授，博士，從事物理實驗的教學(xué)與研究工作．

G642.423

B

1005-4642(2017)08-0044-04