苗永平，于 陽，李忠麗，孫二平，馬寒露，劉維慧

(山東科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山東 青島 266590)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)具有豐富的實(shí)驗(yàn)思想、方法和手段，在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、活躍的創(chuàng)新意識、理論聯(lián)系實(shí)際和適應(yīng)科技發(fā)展的綜合應(yīng)用能力等方面具有其他實(shí)踐類課程不可替代的作用[1-3]。2020年春節(jié)一場突如其來的新冠疫情打亂了常規(guī)教學(xué)部署。為了實(shí)現(xiàn)“停課不停教、停課不停學(xué)”[4]，全國高校和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)協(xié)會(huì)單位積極開展研究和探索，提出居家實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和MOOC線上教學(xué)等多種方式相結(jié)合的創(chuàng)新教學(xué)模式[5-10]，各高校依據(jù)自身資源相繼設(shè)計(jì)了各具特色的實(shí)驗(yàn)課程并進(jìn)行了實(shí)踐，基本保證了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)正常開展。目前，新冠病毒已經(jīng)呈現(xiàn)“傳染性增強(qiáng)、毒性減弱、無癥狀多”等特征，全球第二波疫情也已來臨，未來相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)疫情防控形勢仍較為嚴(yán)峻。在此背景下，如何開展大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)以保證教學(xué)質(zhì)量、達(dá)成課程目標(biāo)，成為各高校共同面對的問題。山東科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心結(jié)合自身?xiàng)l件，提出“相近整合、線上線下結(jié)合”方案，減少線下課堂接觸以降低病毒傳染機(jī)會(huì)，并以傅立葉級數(shù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)為案例進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐。

1 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)總體狀況和解決方案

山東科技大學(xué)省級工科物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心為全校理工科專業(yè)開設(shè)30個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(不含數(shù)據(jù)處理與誤差理論)，覆蓋力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)等物理知識領(lǐng)域。每一年級分兩個(gè)學(xué)期完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，以主流的物理實(shí)驗(yàn)B為例，上半年主要以數(shù)字示波器等基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和部分綜合性實(shí)驗(yàn)為主，下半年以部分綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主。

眾所周知，傳染性病毒防護(hù)的基本方針是預(yù)防為主。根據(jù)已經(jīng)掌握的新冠病毒信息，在高校中開展新冠疫情防控的工作重心是切斷傳播途徑。在今年物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中，已經(jīng)普遍實(shí)施了單人單桌、單入單出、控制距離、佩戴口罩、衛(wèi)生消毒等常規(guī)防護(hù)手段。為應(yīng)對疫情突發(fā)造成的全年物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不均衡問題，并深入研究探討后續(xù)常態(tài)化防控背景下物理實(shí)驗(yàn)課程的開展模式，課程課題組經(jīng)過充分研究和討論，提出“相近整合、線上線下結(jié)合”的方案，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相近程度整合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并將實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和實(shí)踐部分分別通過線上教學(xué)和線下課堂實(shí)驗(yàn)實(shí)施。

具體思路舉例，數(shù)字示波器是基礎(chǔ)的公共的工具類項(xiàng)目，依賴于實(shí)踐訓(xùn)練，應(yīng)用于多個(gè)電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)中，可以考慮將數(shù)字示波器融入其應(yīng)用關(guān)聯(lián)度較高的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中；惠斯登電橋是最基本最簡單的測量電路，應(yīng)用性非常廣泛，可以將其和溫度傳感器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容整合；理論知識相關(guān)度較高的實(shí)驗(yàn)，可以將理論知識加以提煉，以線上學(xué)習(xí)的方式完成，實(shí)踐部分整合到一堂實(shí)驗(yàn)課完成，如以光的干涉、衍射等理論為實(shí)驗(yàn)原理的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，光電效應(yīng)和金屬電子逸出功實(shí)驗(yàn)等。凡此種種，需要實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)實(shí)際情況深入研究實(shí)踐，在此不一一列舉。

2 新傅立葉級數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)

2.1 整合可行性分析

在常規(guī)教學(xué)方案中，數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)是包括傅立葉級數(shù)實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的多個(gè)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的前置內(nèi)容，目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生使用現(xiàn)代工具的能力。數(shù)字示波器在傅立葉實(shí)驗(yàn)中用做工具測量各種波形的幅度和頻率。幅度和頻率的測量方法有多種，且這兩種操作覆蓋了示波器探頭連接、衰減系數(shù)設(shè)定、垂直控制、水平控制、時(shí)基設(shè)定、信號耦合等多項(xiàng)內(nèi)容以及絕大部分操作按鈕。因此，如果能夠統(tǒng)籌考慮，合理安排這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，則兩者整合是完全可行的。

2.2 明確課程目標(biāo)

現(xiàn)代教育中，教學(xué)所要實(shí)現(xiàn)的不僅僅是知識的傳授，更有人格的完善、智力的發(fā)展和能力的培養(yǎng)[11]。課程目標(biāo)是實(shí)驗(yàn)課所要實(shí)現(xiàn)的具體目的和意圖，用于指導(dǎo)課程設(shè)計(jì)和實(shí)施教學(xué)方案。

經(jīng)過研究，刪除了原有的“提高電路連接能力”、增加了“引導(dǎo)學(xué)生自主研究和探索”。新的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)包括：掌握數(shù)字示波器原理并能夠熟練測量和分析電信號、通過實(shí)踐掌握傅立葉級數(shù)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想、通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理培養(yǎng)總結(jié)判斷能力和分析能力、培養(yǎng)實(shí)事求是的態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)、培養(yǎng)學(xué)生自主研究和探索能力。

2.3 課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，以傅立葉級數(shù)分解與合成理論和學(xué)以致用思想為綱，對原有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行整合。新實(shí)驗(yàn)包括三項(xiàng)內(nèi)容：1)示波器基本原理和功能學(xué)習(xí)、基本操作訓(xùn)練；2)傅立葉級數(shù)分析實(shí)驗(yàn)原理學(xué)習(xí)及1 kHz方波合成實(shí)驗(yàn)；3)FFT快速分析1 kHz方波。

2.3.1 取消原數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)中的RC充放電模塊和信號發(fā)生器，用傅立葉分解合成儀替代

原數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)中的信號發(fā)生器用于提供各種信號供學(xué)生練習(xí)示波器的基本操作，RC充放電模塊為學(xué)生提供實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用場景，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用示波器進(jìn)行實(shí)際電路測量和分析的能力。

傅立葉分解合成儀有正弦波、方波、三角波等各種信號輸出接口，可以替代信號發(fā)生器。傅立葉分解合成儀面板如圖1所示，虛線框①區(qū)域?yàn)榉讲ê腿遣ㄐ盘栞敵鰠^(qū)域，虛線框②區(qū)域?yàn)檎也ㄐ盘栞敵鰠^(qū)域。傅立葉級數(shù)實(shí)驗(yàn)本身需要使用數(shù)字示波器測試分解信號和合成信號，可以替代RC充放電模塊承擔(dān)訓(xùn)練學(xué)生實(shí)際電路測量能力的功能。

圖1 傅立葉分解合成儀面板圖

2.3.2 引入FFT分析方波成分

實(shí)驗(yàn)所用數(shù)字示波器帶有FFT(fast Fourier transform，快速傅立葉變換)功能，可以將周期性信號進(jìn)行傅立葉分析，分解出構(gòu)成周期性信號的各種頻率成分并顯示其曲線。

新實(shí)驗(yàn)引入FFT功能，并用其分解1 kHz方波信號，顯示界面如圖2所示。不但能夠讓學(xué)生對傅立葉級數(shù)原理產(chǎn)生直觀而感性的認(rèn)識，還可以對各種頻率成分的頻率和幅度進(jìn)行測量，通過數(shù)據(jù)測量和計(jì)算驗(yàn)證傅立葉級數(shù)原理，加深理論理解和認(rèn)知，與方波合成實(shí)驗(yàn)相呼應(yīng)。同時(shí)，還可以讓學(xué)生進(jìn)一步掌握數(shù)字示波器的更多功能，提高其深度探索的興趣。

圖2 1 kHz方波的FFT分析圖

2.4 教學(xué)方法

2.4.1 引導(dǎo)式教學(xué)

我國著名教育家葉圣陶先生曾講：“教師之為教，不在全盤授予，而在相機(jī)誘導(dǎo)。必令學(xué)生運(yùn)其才智，勤其練習(xí)，領(lǐng)悟之源廣開，純熟之功彌深，乃為善教者也”[11]。根據(jù)此教育思想，本實(shí)驗(yàn)課在教學(xué)方法上做了幾處嘗試。

比如，數(shù)字示波器有關(guān)圖像垂直區(qū)域控制操作方法講授完成后，水平區(qū)域控制則交給學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)，通過學(xué)習(xí)遷移培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力。

再比如，學(xué)生在使用實(shí)際測試所得四種頻率正弦波幅度計(jì)算其比值時(shí)，若結(jié)果與理論有偏差，這時(shí)不簡單地告知學(xué)生原因，而是引導(dǎo)學(xué)生從理論上分析可能的原因并鼓勵(lì)學(xué)生嘗試改進(jìn)。

2.4.2 賞識教育，激發(fā)學(xué)生動(dòng)力，活躍課堂氣氛

賞識教育，是世界著名的六種教育方法之一，適度的賞識教育，能夠有效激發(fā)學(xué)生內(nèi)在動(dòng)力，提高學(xué)習(xí)意愿和學(xué)習(xí)效果[12]。比如，對于第一個(gè)調(diào)試出合格波形的、課堂上積極與老師互動(dòng)的同學(xué)等，及時(shí)給予表揚(yáng)，形式可以是語言上的，也可以集體掌聲鼓勵(lì)。實(shí)踐證明，這種方法非常有效[13]。

2.4.3 在課程中融入創(chuàng)新元素

思考是創(chuàng)新的關(guān)鍵，應(yīng)用是創(chuàng)新的目的。只有獨(dú)立思考，才能有創(chuàng)新、有發(fā)展。只有以應(yīng)用為目標(biāo)的創(chuàng)新，才是有生命力的創(chuàng)新。

新實(shí)驗(yàn)課有兩處設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新。一處是講授實(shí)驗(yàn)原理時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考如何將傅立葉級數(shù)應(yīng)用到生活和工作中。有學(xué)生提出可以開發(fā)一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的音頻分析儀，將歌星和普通學(xué)生的聲音利用傅立葉級數(shù)原理進(jìn)行頻率分析，研究兩者嗓音在頻譜構(gòu)成方面的區(qū)別；還有學(xué)生提出在新年晚會(huì)上利用傅立葉級數(shù)原理猜謎，提高活動(dòng)的科技含量。另外一處是讓學(xué)生圍繞頻率、幅度和相位三個(gè)參量，借鑒老師的合成波形方案提出新的實(shí)驗(yàn)方案。

3 教學(xué)實(shí)施

借鑒疫情期間開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)線上教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教師精心備課，通過網(wǎng)絡(luò)直播方式授課，讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)原理、方法等知識類內(nèi)容。將授課實(shí)驗(yàn)內(nèi)容錄制視頻，并連同講義、課件等在超星平臺(tái)共享。組建班級QQ群，及時(shí)解答學(xué)生疑問。

為了提高線上學(xué)習(xí)效果，要求學(xué)生撰寫預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告并在超星平臺(tái)上提交，另在平臺(tái)上設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)測試，將預(yù)習(xí)報(bào)告和預(yù)習(xí)測試納入實(shí)驗(yàn)成績考核。線下教學(xué)按照嚴(yán)格的疫情防控標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。

4 教學(xué)效果展示

新實(shí)驗(yàn)方案確定后即投入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為及時(shí)掌握實(shí)施效果，設(shè)計(jì)了課程調(diào)查問卷并隨堂采集信息。問卷采用李克特量表(Likert scale)(1分表示完全不符合，5分表示完全符合)形式。

4.1 調(diào)查問卷設(shè)計(jì)

調(diào)查問卷設(shè)置有8個(gè)題目，問卷的內(nèi)容如表1所示。

表1 調(diào)查問卷設(shè)計(jì)

第1、4題采集實(shí)驗(yàn)課前學(xué)生對數(shù)字示波器的熟悉程度和傅立葉級數(shù)原理的掌握狀況，用于本課程實(shí)施效果對比和后續(xù)課程設(shè)計(jì)參考。

第2、5題采集實(shí)驗(yàn)課后學(xué)生對數(shù)字示波器和傅立葉級數(shù)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路的掌握情況，用于實(shí)驗(yàn)課程質(zhì)量評價(jià)。

第3、6題用于了解在實(shí)驗(yàn)老師的引導(dǎo)下，學(xué)生自主研究和探索能力以及知識遷移和創(chuàng)新能力的進(jìn)步。

第7題用于了解學(xué)生對教師課程設(shè)計(jì)方面工作質(zhì)量的評價(jià)。

第8題用于了解學(xué)生對實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的了解情況以及目標(biāo)達(dá)成度的自我評價(jià)狀況。

4.2 調(diào)查問卷結(jié)果

隨堂采集了394份有效問卷，調(diào)查結(jié)果展示如下。

圖3展示了實(shí)驗(yàn)課前和課后學(xué)生對數(shù)字示波器基本操作的掌握情況。從圖3可以看出，實(shí)驗(yàn)課前(系列1)和課后(系列2)較好掌握(分值為4和5累加)數(shù)字示波器基本操作的比例分別是3%和97.5%，表明絕大部分學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課前基本沒有接觸過示波器，進(jìn)一步肯定了開設(shè)數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)課的必要性，也表明本節(jié)實(shí)驗(yàn)課達(dá)成了讓學(xué)生熟練使用數(shù)字示波器進(jìn)行電信號測量的課程目標(biāo)。

圖3 學(xué)生掌握數(shù)字示波器的調(diào)查結(jié)果

圖4展示了實(shí)驗(yàn)課前(系列1)和課后(系列2)學(xué)生對傅立葉級數(shù)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路的掌握情況。從圖4可以看出，實(shí)驗(yàn)課前和課后掌握情況較好(分值為4和5累加)的比例分別是21.9%和93.6%。該結(jié)果表明本節(jié)實(shí)驗(yàn)課達(dá)成了讓學(xué)生掌握傅立葉級數(shù)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路的課程目標(biāo)。

圖4 學(xué)生掌握傅立葉級數(shù)的調(diào)查結(jié)果

圖5和圖6展示了在實(shí)驗(yàn)教師引導(dǎo)下，學(xué)生自主研究和探索能力以及知識遷移和創(chuàng)新能力的進(jìn)步。

圖5 學(xué)生對課后獨(dú)立研究學(xué)習(xí)示波器能力的自我評價(jià)

圖6 學(xué)生對課后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案能力的自我評價(jià)

數(shù)據(jù)顯示，超過95%(分值為4和5累加)的學(xué)生認(rèn)為自己有能力獨(dú)立研究并學(xué)會(huì)示波器的其他功能，而且能夠根據(jù)本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)思路設(shè)計(jì)出不同的實(shí)驗(yàn)方案。該結(jié)果一方面表明了教師的工作在課堂教學(xué)中的主導(dǎo)作用，另一方面也說明較好地達(dá)成了本項(xiàng)課程目標(biāo)。

圖7展示了學(xué)生對教師課程設(shè)計(jì)方面工作質(zhì)量的評價(jià)。數(shù)據(jù)顯示，93.2%(分值為4和5累加)的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)教師的課程設(shè)計(jì)合理且能夠幫助學(xué)生達(dá)成課程目標(biāo)，這說明將兩個(gè)實(shí)驗(yàn)整合為一個(gè)新實(shí)驗(yàn)的思路和具體實(shí)施方案得到了學(xué)生認(rèn)可。

圖7 學(xué)生對教師課程設(shè)計(jì)工作的評價(jià)

圖8展示了學(xué)生個(gè)人對實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的認(rèn)識以及課堂表現(xiàn)的自我評價(jià)。

圖8 學(xué)生對課程目標(biāo)及達(dá)成度的自我評價(jià)

數(shù)據(jù)顯示，91.7%(分值為4和5累加)的學(xué)生清楚本節(jié)實(shí)驗(yàn)課的目標(biāo)，并且很滿意自己的課堂表現(xiàn)。該數(shù)據(jù)從課堂教學(xué)的另一個(gè)主體-學(xué)生的角度對本實(shí)驗(yàn)課程效果給予了評價(jià)。更重要的，說明學(xué)生在達(dá)成課程目標(biāo)的同時(shí)也收獲了信心。

以上結(jié)果表明，新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案能夠滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，較好地達(dá)成課程目標(biāo)，并得到絕大多數(shù)同學(xué)認(rèn)可。

5 結(jié) 語

新冠疫情防控已從突發(fā)應(yīng)急進(jìn)入常態(tài)化模式，根據(jù)我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的總體情況，提出“相近整合、線上線下結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，并以數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)和傅立葉級數(shù)實(shí)驗(yàn)為例開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)踐過程中還引入引導(dǎo)式教學(xué)和賞識教育，融入創(chuàng)新元素，以保證課程效果。通過發(fā)布調(diào)查問卷、采集信息并分析可知，在滿足常態(tài)化疫情防控盡可能較少課堂接觸的同時(shí)，新的教學(xué)方案在實(shí)驗(yàn)課程系統(tǒng)性、課程目標(biāo)達(dá)成和學(xué)生滿意度等方面都有較好的效果，具有較高的可推廣性和借鑒價(jià)值。