張增明

(中國科學技術大學，安徽 合肥 230026)

疫情防控期間如何作好“停課不停教、停課不停學”，關鍵在教師的線上教學組織、網(wǎng)絡平臺的技術保障、遠端學生的接受和互動參與。實驗教學在人才培養(yǎng)過程中具有重要的地位，但實驗教學不同于理論課程教學，更強調(diào)學生的動手操作。如何將線上教學輔導與線下的動手結合起來，提升疫情防控期間線上物理實驗教學的質(zhì)量，關鍵要考慮以下四個問題。

1 實驗設備

圖1 Phyphox APP界面

圖2 基于視頻軌跡追蹤的大角度單擺的非線性研究

實驗離不開具體的設備、材料。學生離校在家，不可能利用實驗教學儀器，需轉變思路，利用身邊的設備完成實驗。完成實驗的關鍵是測量所需的儀器，各類傳感器可以提供測量數(shù)據(jù)。目前的智能手機中配置有大量的傳感器，如：加速度、壓力、時間、磁力計、光強、GPS、陀螺儀等，利用這些傳感器可以實現(xiàn)力學、熱學、電學、光學等實驗數(shù)據(jù)的測量[1-6]。下載手機應用軟件就可以實現(xiàn)相應的傳感器功能，圖1為Phyphox的應用界面。利用手機的攝像功能結合視頻圖像處理軟件的數(shù)據(jù)分析，可以實現(xiàn)以前實驗教學過程中難以完成的一些實驗，如兩維碰撞分析、單擺的非線性分析。圖2為利用視頻追蹤軟件對大角度單擺的軌跡的非線性擬合。此外，實驗器材可以就地取材，如利用蒸盤完成轉動慣量相關實驗，如圖3所示。

圖3 轉動慣量(內(nèi)蒙古科技大學李永治老師供圖)

高校實驗教學配置的儀器、材料，目標是確保教學大綱實驗能順利完成；學生根據(jù)手邊的材料，可以自主發(fā)揮，居家完成不同的實驗，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，了解影響實驗的各個環(huán)節(jié)。教員線上指導，師生間、同學間的互動討論，都可以將實驗完善得更好。

2 實驗內(nèi)容

特殊時期，線上物理實驗教學的目標應以有指導可互動的自主DIY實驗為主。實驗內(nèi)容不能固守教學大綱指定的那些實驗，需要以學生能力培養(yǎng)為目標，盡可能拓展豐富實驗項目內(nèi)容，通過不同于大綱的靈活實驗實現(xiàn)相同的能力培養(yǎng)。為提升學生的實驗興趣，可以開展一些自主實驗，充分激發(fā)學生的創(chuàng)新能力。如利用GPS數(shù)據(jù)，測量地球的半徑；水的爆沸認識；樂音實驗等。此外，引入一些探究性實驗，可以進一步提升實驗難度，培養(yǎng)學生運用科學知識解決問題的能力。

3 實驗資源

現(xiàn)有的網(wǎng)上資源很多，比如：虛擬仿真(www.ilab-x.com)：2019年申報國家級物理虛擬仿真實驗項目53項，從普通物理實驗到近代物理實驗、再到前沿科學技術實驗；這些資源解決了很多高危、高成本、極端條件下的無法開展的實驗。愛課程(www.icourses.cn)：30門《大學物理實驗》資源共享課及MOOC；這些線上資源主要以實驗仿真為主，個別實驗可以完成遠程操作獲取數(shù)據(jù)，但也要依賴實驗室改進的設備。雖然這些網(wǎng)上資源，對正常的實驗教學給予了很大的補充及輔導，但動手能力的鍛煉嚴重缺乏。因此需要擴大、補充居家可完成的實驗項目。目前部分高校師生已經(jīng)完成了一些居家可完成的實驗項目，師生反饋效果很好，收獲很大，極大地推進了線上實驗教學的效果。我們鼓勵各校開展研究性實驗，學生可以從歷年的CUPT開放性賽題選擇合適的題目，各省開展的物理創(chuàng)新大賽賽題及自己關注的生活中物理現(xiàn)象探究，這些資源共同組合，可以很好地完成物理實驗的教學目標。

4 教學方案

大學物理實驗教學在不同高校、同一所高校不同學科間的教學水平不同，需考慮各校的師生、學科差異，合理設計，系統(tǒng)全面，以提升教學效果。在教育部高等學校大學物理課程教學指導委員會大學物理實驗專項工作委員會及國家級示范中心聯(lián)席會物理學科組的共同努力下，設計了64學時的線上物理實驗方案，詳見表1。該方案由緒論、DIY實驗、探究性實驗、虛擬仿真實驗、自定趣味性實驗幾部分組成。由于各校教學目標不同，建議各校根據(jù)自己的實際情況，優(yōu)化組合方案，完成本校的疫情防控期的實驗教學。

表1 64學時大學物理實驗線上教學方案

64學時的線上物理實驗方案還在豐富、改進、完善和不斷的實踐當中。我們期待全國教員積極參與、合力共建，讓更多的教員、學生受益，促進大學物理實驗教學水平的提高，同時探索新的大學物理實驗教學方式。

致謝：感謝中國科學技術大學、復旦大學、南開大學、東北大學、清華大學、北京大學、北京航空航天大學、南京大學、哈爾濱工業(yè)大學、西安交通大學、中南大學、內(nèi)蒙古科技大學、華中科技大學、東北師范大學、河南大學等高校物理實驗教學一線老師的大力支持，期待更多高校同行積極參與，不斷豐富、改進、完善該方案，讓更多的老師和同學受益，努力提升疫情期間的大學物理實驗教學水平。

共享資源：

? 大學物理課程教指委網(wǎng)站：http://www.dwjzw.cn

? 《物理與工程》網(wǎng)站：http://www.gkwl.cbpt.cnki.net

? 《物理實驗》網(wǎng)站：http://www.wlsyzz.com/doku.php?id=hy:hy

附錄： 單擺

實驗內(nèi)容由基礎、提升、進階及高級幾個部分組成，充分體現(xiàn)了實驗教學的基本能力培養(yǎng)、學生創(chuàng)新能力及高階內(nèi)容的高要求。學生不僅可以居家完成相關實驗的基本要求，還可以通過視頻處理，探究實驗的高階內(nèi)容。

實驗目的：用單擺測定當?shù)氐闹亓铀俣?/p>

實驗儀器：長約1m的細線一根，毫米刻度尺，小球，手機(裝有phyphox軟件)

實驗步驟：

1) 傳統(tǒng)單擺實驗

測重力加速度使用金屬小球，同一個單擺進行多次測量取平均值：

測量次數(shù)球直徑/mm線長/mm50T/s123

2) 手機擺實驗

(1) 將細繩一端固定在豎直墻面上，另一端固定在手機上，讓手機面與墻面平行，做成一個擺。

(2) 打開軟件，下拉菜單找到mechanics下的Pendulum，讓手機偏離平衡位置一個小角度，點擊運行按鈕，放手后，軟件會根據(jù)陀螺儀測量的數(shù)據(jù)自動記錄單擺的周期和頻率。

(3) 軟件設置了幾個功能：

? Results欄目可以反饋單擺的周期和頻率；

? G欄目中可以輸入擺長，系統(tǒng)會自動計算重力加速度g；

? Length欄目中，默認g值為9.81m/s2，系統(tǒng)會自動計算擺長。

(4) 注意：測量擺長時，應從懸點的位置測量到手機的中心，實驗簡易裝置圖和實驗數(shù)據(jù)見附圖1。

附圖1 單擺實驗圖(a)小球擺； (b) 手機擺; (c) 手機擺結果

3) 視頻軌跡追蹤實驗

利用手機拍攝小球單擺的擺動視頻，利用視頻追蹤軟件提取小球的運動軌跡，研究小角度下的簡諧運動及大角度下的非線性運動(附圖2和附圖3)。

附圖2 視頻追蹤小角度單擺軌跡

附圖3 視頻追蹤大角度單擺軌跡