郭亮 沈璐 申芳芳 張晶瑩 段學(xué)智

摘? 要：為充分發(fā)揮大學(xué)物理實驗在提高學(xué)生動手實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的作用，實踐了以吉林省大學(xué)物理競賽“物理微小形變量的測量”題目為大學(xué)物理實驗選修課程。在2個學(xué)期的教學(xué)實踐中，課程分為三個部分進行，網(wǎng)上教學(xué)是將課程的相關(guān)知識及視頻放在學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上，學(xué)生根據(jù)自己的情況自主學(xué)習(xí);課堂實驗是根據(jù)學(xué)生不同的興趣點，教師因材施教，分組獨立完成實驗的設(shè)計，測量和誤差分析等;報告交流是學(xué)生根據(jù)自身實驗的設(shè)計，誤差處理等方面進行相互的交流學(xué)習(xí)。課程不僅充分發(fā)揮大學(xué)物理實驗競賽的作用，擴展大學(xué)物理實驗課程的廣度和深度，還培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)的習(xí)慣和思維方式，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實驗競賽;大學(xué)物理實驗;選修課

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）25-0067-04

Abstract： In order to improve the students' practical and innovation ability， the elective course of physics experiments have been practiced with the subject of "measurement of small physical variables" of the undergraduate physics experiment Jilin province competition. In the two semesters of teaching practice， the course consists of three parts. Online teaching is to put relevant knowledge and videos of the course on the school's online teaching platform， and students learn independently according to their own circumstances; the teacher's experimental teaching is based on the different interests of the students. Students complete experimental design， measurement and error analysis in group. Communication is an exchange between students based on their own experimental design and error analysis. The courses not only play an important role in college physics experiment competition to expand the breadth and depth of university physics experiment courses， but also cultivate students' scientific habit and thinking mode， and have achieved good teaching effect.

Keywords： undergraduate physics experiment competition; college physics experiment; elective courses

大學(xué)生物理實驗競賽本著激發(fā)大學(xué)生對物理學(xué)和物理實驗的興趣，培養(yǎng)大學(xué)生知識綜合運用能力和實踐能力，提高大學(xué)生的創(chuàng)新意識和團隊協(xié)作意識目的，對發(fā)掘大學(xué)生潛能，促進物理實驗教學(xué)改革起著不可替代的作用[1]。然而參加省級比賽和國家級比賽的學(xué)生都是少數(shù)。這樣就出現(xiàn)2個問題：

一是在全校范圍內(nèi)參與競賽的學(xué)生人數(shù)少，一些對物理和物理實驗有興趣的同學(xué)參與度不高[2]。故只通過物理實驗競賽的平臺很難達到培養(yǎng)大學(xué)生的目的。

二是對大學(xué)物理實驗教學(xué)改革的促進作用有待提高。大學(xué)生物理實驗競賽的競賽題目具有很好的知識性，創(chuàng)新性，綜合性等[3-4]。然而，題目一經(jīng)采用，下次無法繼續(xù)使用。同時，由于教學(xué)大綱的要求，也無法進入常規(guī)課程體系中，對競賽題目來說是浪費資源。由于沒有具體的實踐教學(xué)，對教學(xué)改革的促進有限。

目前，大學(xué)物理實驗課時在教學(xué)改革中一直在縮減，很難兼顧課程在廣度和深度方面的要求。大學(xué)物理實驗選修課程不僅可以增加對物理實驗有興趣同學(xué)的課程，對大學(xué)物理實驗課程進行了很好的補充，還增加課程難度、拓展課程深度，切實提高課程教學(xué)質(zhì)量。貫徹了2018年9月教育部下發(fā)了《教育部關(guān)于狠抓新時代

全國高等學(xué)校本科教育工作會議精神落實的通知》的加強學(xué)習(xí)過程管理的精神。在選修課程中利用互聯(lián)網(wǎng)模式等教學(xué)手段，不但可以減少傳統(tǒng)教育模式大學(xué)物理實驗選修課程對師資資源的要求和提高成績評價管理。故將大學(xué)物理實驗競賽題目引入互聯(lián)網(wǎng)教育模式下選修課程是將大學(xué)生物理實驗競賽題目的資源與互聯(lián)網(wǎng)模式教學(xué)的有機結(jié)合。本文對該課程在實踐過程中各個環(huán)節(jié)進行了分析和對培養(yǎng)學(xué)生和教學(xué)改革方面進行了思考。

一、大學(xué)物理競賽與選修課程相結(jié)合

將大學(xué)物理實驗競賽引入互聯(lián)網(wǎng)教育模式下的大學(xué)物理選修課程，針對競賽培養(yǎng)學(xué)生和促進教學(xué)兩方面的問題，提出了很好的解決方案。首先選擇引入選修課程，這既不影響教育部對理工科學(xué)生關(guān)于正常的大學(xué)物理實驗課程的學(xué)習(xí)要求，也滿足了一些同學(xué)渴望學(xué)習(xí)物理和物理實驗知識的要求。同時，也使得擁有更多時間和空間空閑的物理實驗室得到更加充分的利用。其次，選擇互聯(lián)網(wǎng)教育模式，是為了充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)教育優(yōu)質(zhì)教育資源的共享利用，使學(xué)習(xí)活動與互聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合[5]?；ヂ?lián)網(wǎng)教育模式不但可以減少傳統(tǒng)教育模式下大學(xué)物理實驗對師資資源的要求，還可以針對不同的同學(xué)進行有的放矢的學(xué)習(xí)，真正做到因材施教。將實驗競賽題目的實驗背景介紹，實驗基礎(chǔ)知識，實驗操作注意事項等相關(guān)實驗視頻放在網(wǎng)上教學(xué)。根據(jù)學(xué)生提出的問題進行解答，針對學(xué)生興趣點的不同，設(shè)置不同的實驗側(cè)重點。再次，在線下課堂完成實驗組隊，同一實驗針對不同的實驗小組，可以在實驗的創(chuàng)新性，實驗誤差處理等方面分別進行研究。而在實現(xiàn)小組內(nèi)部，針對每一位同學(xué)分配不同的任務(wù)，提倡團隊合作精神，實現(xiàn)目標(biāo)實驗的設(shè)計，測量和誤差分析等。課程的考核方式采用PPT現(xiàn)場報告和文字報告相結(jié)合的方式完成，讓不同組的同學(xué)進行相互的展示和交流。這種開放性的選修課既擴展大學(xué)物理實驗的深度，也起到了因材施教效果，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識能力和實踐能力，提高學(xué)生的團隊協(xié)作意識，起到了很好的教學(xué)效果。

具體物理實驗競賽選修課程分成三個主要部分具體實施：

1. 課程基礎(chǔ)知識體系的介紹、相關(guān)原理的展開以及相關(guān)實驗視頻。（互聯(lián)網(wǎng)模式）

2. 提出實驗設(shè)計構(gòu)想，實踐實驗裝置的制作，完成測試與分析。（團隊實踐合作模式）

3. 實驗總結(jié)，實驗的交流和展示，完成PPT報告。（展示交流模式）

二、以物理實驗競賽題目為選修課的實踐

以吉林建筑大學(xué)大學(xué)物理實驗選修課程中“物體微小形變的測量”的課程為例說明。題目“物體微小形變的測量”選自第二屆吉林省大學(xué)生物理實驗競賽題目，目

前選修課已完成2018-2019學(xué)年2個學(xué)期的課程。課程一共16學(xué)時，1個學(xué)分。共計64人完成了該選修課的學(xué)習(xí)。整個課程過程貫徹“因材施教、注重實效”的授課原則，以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，采用互聯(lián)網(wǎng)教育模式與傳統(tǒng)實驗教學(xué)有機結(jié)合的教學(xué)模式，拓展《大學(xué)物理》《大學(xué)物理實驗》課程知識廣度和深度，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力以及積極主動的探索精神。

（一）互聯(lián)網(wǎng)模式下課程基礎(chǔ)知識體系

對物體微小形變量測量的原理進行簡單介紹，從物體微小形變的概念開始，物體微小形變是指物體受力、熱等影響發(fā)生無法直接測量的微小形變。根據(jù)實驗室現(xiàn)有的基本條件對物體微小形變的測量可利用光杠桿原理放大法，電阻應(yīng)變片測量法，邁克爾遜干涉法等。接下來對光杠桿原理放大法以及電阻應(yīng)變片法進行詳細介紹、說明以及相關(guān)的視頻演示。具體有實驗原理、實驗操作及注意事項、實驗內(nèi)容、線上作業(yè)、實驗設(shè)計方案和討論的問題等。這些讓不同專業(yè)和不同物理基礎(chǔ)的學(xué)生都能夠?qū)镜膶嶒炘磉M行掌握和了解。對在網(wǎng)上設(shè)置相關(guān)作業(yè)和討論內(nèi)容，對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況有一定的了解和掌握。

圖1 互聯(lián)網(wǎng)模式的物體微小形變量的測量課程

圖1所示為互聯(lián)網(wǎng)模式的物體微小形變量的測量課程，該網(wǎng)上課程也在2個學(xué)期的教學(xué)中，根據(jù)學(xué)生反饋的情況不斷完善。增加了相關(guān)的文獻，數(shù)據(jù)處理要點等知識點。然后再進入實驗室進行具體的實驗。在進行具體實驗之前要完成實驗的設(shè)計，主要是針對生活中物體微小形變量進行設(shè)計并測量。學(xué)生自行分組把設(shè)計好的實驗方案和所要研究的內(nèi)容對老師進行一個匯報。并在老師的指導(dǎo)下進一步完善實驗的設(shè)計，明確實驗的目的。實驗基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)是學(xué)生自行在網(wǎng)上完成，老師講解和指導(dǎo)部分，占用4個學(xué)時。

（二）自主實踐模式下的實驗操作、測量與誤差分析

根據(jù)實驗室現(xiàn)有實驗條件，學(xué)生的設(shè)計主要有對不同材料微小形變量的測量等。例如利用擠壓可使得瓶子產(chǎn)生微小形變，但是由于實驗室無法對擠壓的力和具體的形變量進行測量而沒有進行。對不同材料，不同直徑金屬線進行測量，對不同光杠桿放大倍數(shù)的實驗進行測量，進行誤差分析，使得學(xué)生對測量誤差的理解更加直觀，更加深刻。本文中主要以二維片狀材料進行實驗舉例分析。

實驗測量日常生活中常見的不銹鋼板材料的微小形變。在不銹鋼板的一端通過改變施加的砝碼質(zhì)量，使得不銹鋼板發(fā)生微小形變。通過不同質(zhì)量的砝碼力定量對不銹鋼板的形變進行測量。測量分為兩個過程，一方面利用光杠桿原理放大法來測量鋼板的形變量;另一方面，利用電阻應(yīng)變片法對微小形變進行測量。

圖2 不銹鋼板微小形變量實驗裝置圖

不銹鋼板微小形變量實驗裝置如圖2所示，在實驗裝置制作過程中，研究克服了多種的困難：1. 力的施加，采用不損害實驗材料的方法對不銹鋼板進行固定，具體操作是在鋼板的邊緣分別用卡扣固定，達到了固定鋼板的效果（如圖2中放大圖）。2. 光杠桿法部分，為防止光杠桿前端的滑動，在不銹鋼板上粘貼刻有凹槽的透明膠，使得光杠桿前端固定，達到了良好的實驗效果。3. 電阻應(yīng)變片法部分，電阻應(yīng)變片的粘貼，試用了多種粘貼方法，最后達到了較好的實驗效果。

在實驗測量過程中，不同的實驗小組針對不同厚度的不銹鋼板進行了微小形變量的測量。對于薄，中等，厚的不銹鋼板，分別以20g，100g，500g砝碼為遞進增加。電阻應(yīng)變片法測量（如圖2中電路圖）所用的電阻應(yīng)變片型號都是120-3AA。由于不銹鋼板形變變化很小，電阻應(yīng)變片的阻值變化也很小，故將電橋裝置中電橋臂的比例調(diào)整為100倍。在調(diào)整好的實驗體統(tǒng)中，團隊合作，同時光學(xué)和電學(xué)的數(shù)據(jù)。以上部分理論要求8學(xué)時完成。

（三）PPT報告交流，實驗展示

學(xué)生很多時候?qū)嶒炌瓿珊芎?，但是并不能把自己做的事情表達清楚，所以選修課的最后環(huán)節(jié)是PPT報告。報告要把實驗內(nèi)容很好的表達出來，以小組形式完成對實驗設(shè)計思路及改進的整理，對實驗過程及數(shù)據(jù)處理過程中遇到的困難和問題的解決，最后對整個實驗過程進行總結(jié)。在傳統(tǒng)課堂上往往總結(jié)交流過程總是欠缺的，選修課在這方面進行了很好的補充。以上部分要求4學(xué)時完成。

三、以物理實驗競賽題目為選修課的思考

以物理實驗競賽題目為選修課經(jīng)過2個學(xué)期的實踐，因材施教，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和潛能，取得了良好的教學(xué)效果，為學(xué)生提供了一個創(chuàng)新實踐的平臺，對學(xué)校參加各類競賽起到了很大的積極作用。課程同時對學(xué)生培養(yǎng)和促進大學(xué)物理實驗教學(xué)起到積極的作用[6]。

（一）學(xué)生選修以物理實驗競賽題目為選修課的意義

學(xué)生在課程過程中學(xué)習(xí)到了科學(xué)的思維方式，提升了實驗實踐能力和團隊協(xié)作能力，找到了物理實驗的樂趣。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的轉(zhuǎn)變，變被動為主動學(xué)習(xí)，不只是為了學(xué)分，成績學(xué)習(xí)，傳統(tǒng)課堂中學(xué)生對一些只需要按照老師布置的內(nèi)容參考教科書上的步驟，進行機械化的實驗操作不是很感興趣。學(xué)生對一些物理實驗課是枯燥無趣、簡單驗證性的實驗，也大多都是應(yīng)付了事。而當(dāng)真正需要學(xué)生動腦、動手去完成或者構(gòu)想一項實驗時，學(xué)生往往是茫然不知所措的。而選修課激發(fā)了學(xué)生的興趣，這點可以從課程中學(xué)生想要完成實驗，測好數(shù)據(jù)，自主的小組討論，晚上還加班加點測試中看得出來，學(xué)生在實驗中找到了樂趣，挖掘了學(xué)生的潛能。學(xué)生真正做到了“教一學(xué)二考三”的要求。

（二）以物理實驗競賽題目為選修課對教學(xué)改革的意義

以物理實驗競賽題目選修課為契機，為學(xué)生提供了一個創(chuàng)新實踐平臺，同時在常規(guī)的大學(xué)物理實驗課程中促進一些原有的教學(xué)思維的改善，讓學(xué)生被動的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)方式，盡量減少老師講解和演示，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，再獨立完成進行操作，提高教學(xué)效果。充分利用互聯(lián)網(wǎng)教育模式的特點，將基礎(chǔ)知識點，實驗視頻，一些擴展的文獻整理到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上，通過網(wǎng)上測試和實踐操作相結(jié)合的方式對學(xué)生的基礎(chǔ)進行掌握。另一方面，課程對實驗教師有了更高的要求，老師既要熟悉基礎(chǔ)實驗測量知識，又要更加全面的了解實驗前沿，要求老師不斷學(xué)習(xí)。

四、結(jié)束語

本文實踐研究并思考了將大學(xué)物理實驗競賽題目作為選修課，采用互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合的課程模式。充分利用物理實驗競賽題目的知識性、趣味性和可實踐性的特點，激發(fā)廣大學(xué)生對物理實驗興趣的作用，讓更多的學(xué)生參與到物理實驗中來，為學(xué)生搭建能夠充分發(fā)揮創(chuàng)新和實踐能力的平臺。以學(xué)生主體、教師引導(dǎo)，因材施教，學(xué)生獨立完成實驗的方式，達到了良好的教學(xué)效果。同時對實驗課程廣度和深度的教學(xué)也是一個很好的補充。這種以實驗為主的選修課在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、解決問題的能力和團隊協(xié)作能力等方面發(fā)揮了重要作用。課程在實踐摸索中不斷完善，對大學(xué)物理實驗教學(xué)也有很大的促進作用，具有很好的推廣性。

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