段 彬， 張鳳琴， 唐笑年

（吉林大學(xué)物理學(xué)院，長春 130022）

0 引 言

2020年初突如其來的新型冠狀病毒疫情在全國蔓延，對人們的生產(chǎn)、生活造成了極大影響。目前，在國家高效的防疫指揮及全民全力配合下，已經(jīng)得到了有效控制。但是國外疫情已經(jīng)呈爆發(fā)事態(tài)，外來輸入型病例及無癥狀病例對國內(nèi)疫情防控依然存在很大威脅。為阻斷疫情向校園蔓延，確保師生生命安全和身體健康，教育部發(fā)出通知，要求2020年春季學(xué)期延期開學(xué)，通知指出原則上“疫情沒有得到基本控制前不開學(xué)，學(xué)校基本防控條件不具備不開學(xué)，師生和校園公共衛(wèi)生安全得不到切實保障不開學(xué)?！币M(jìn)一步做好在線教育教學(xué)，既要明確當(dāng)前線上教學(xué)“教什么”和“怎么教”，又要不斷探索開學(xué)后課堂教學(xué)與線上教育的有機(jī)結(jié)合。為積極響應(yīng)“停課不停學(xué)”的國家政策，所有高校的大多數(shù)課程已經(jīng)有條不紊地開展了網(wǎng)絡(luò)線上教學(xué)模式［1-5］，但是大學(xué)物理實驗由于其課程的專業(yè)性及實踐受限性一直未能得到有效開展。因此，明確大學(xué)物理實驗教學(xué)特性及重點，有效利用現(xiàn)有資源［6］，開展、完善大學(xué)物理實驗課程，達(dá)到實踐教學(xué)效果、制定適合的效果評價體系是疫情防控下線上大學(xué)物理實驗教學(xué)亟須解決的問題［7-12］。

為此，提出了居家大學(xué)物理實驗教學(xué)模式。依據(jù)大學(xué)物理實驗教學(xué)大綱及本科生實踐教學(xué)培養(yǎng)計劃，以實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)為重點，適當(dāng)選擇居家能夠完成的大學(xué)物理實驗教學(xué)項目，分層次、遞進(jìn)式地在線上開展教學(xué)，利用課前自主預(yù)習(xí)、課中直播講授、課后報告實訓(xùn)的全過程在線課程設(shè)計，滿足、提升大學(xué)物理實驗的教學(xué)質(zhì)量，充分發(fā)揮在線教學(xué)的優(yōu)勢，讓學(xué)生有效利用延期開學(xué)的寶貴時間。居家線上大學(xué)物理實驗教學(xué)模式的構(gòu)架如圖1所示。

圖1 居家線上大學(xué)物理實驗教學(xué)模式構(gòu)架圖

1 以基礎(chǔ)、綜合性實驗為主，開展分層次、遞進(jìn)式線上教學(xué)

基礎(chǔ)、綜合性實驗是大學(xué)物理實驗教學(xué)大綱要求的必做實驗，是讓學(xué)生掌握基本實驗知識、技能、方法及在實驗數(shù)據(jù)處理方法基礎(chǔ)上，通過綜合性實驗訓(xùn)練，使學(xué)生綜合解決問題的實踐能力進(jìn)一步提升，為設(shè)計性實驗和創(chuàng)新性實驗奠定基礎(chǔ)。

該部分課程設(shè)置多個經(jīng)典的物理實驗項目供學(xué)生選擇學(xué)習(xí)，課程將采用QQ、微信直播、釘釘?shù)溶浖诰€直播授課方式進(jìn)行。

課前，教師將實驗項目電子版指導(dǎo)教材、教師課件及相關(guān)儀器使用說明書上傳給學(xué)生預(yù)習(xí)使用。除此之外，每一個實驗項目教師都會布置相應(yīng)的預(yù)習(xí)任務(wù)，推送知識點，例如數(shù)字示波器實驗的預(yù)習(xí)內(nèi)容為數(shù)字示波器在科研、電子技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)方面的應(yīng)用，學(xué)生就此問題以預(yù)習(xí)報告形式提交相關(guān)論述，教師可根據(jù)報告內(nèi)容予以學(xué)生預(yù)習(xí)確認(rèn)。

課中，主要以主講教師與輔助教師配合線上直播授課，內(nèi)容由3部分組成：實驗項目基本原理介紹及實驗操作演示、相關(guān)實驗項目數(shù)據(jù)處理及誤差分析方法、在線實時答疑。首先實驗項目基本原理及實驗操作演示部分，主講教師以PPT課件講述，將著重介紹基本物理原理及其前沿發(fā)展?fàn)顩r或動態(tài)，結(jié)合物理原理闡述實驗方案設(shè)計思路，主講教師根據(jù)每個實驗項目的特點，直播實驗儀器及結(jié)構(gòu)，儀器調(diào)試方法，測試內(nèi)容、測試精度，演示實驗數(shù)據(jù)的采集等。例如霍爾效應(yīng)實驗，在實驗操作部分將重點介紹實驗設(shè)備及其實驗設(shè)計思路，實驗操作過程將演示儀器如何調(diào)試、物理參數(shù)如何設(shè)置、數(shù)據(jù)如何采集，因霍爾效應(yīng)實驗會伴隨一系列負(fù)效應(yīng)產(chǎn)生，影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，教師也會在演示實驗進(jìn)程中，隨時提出問題，學(xué)生搶答，如工作電流和勵磁電流不變的情況下，其電流的方向改變，所產(chǎn)生的電壓會變化，是哪種負(fù)效應(yīng)所引起的等。而針對邁克爾遜干涉儀這類光學(xué)實驗，實驗教師將會重點介紹實驗光路的設(shè)計思路，詳細(xì)介紹幾種干涉圖樣的調(diào)節(jié)方法，并且以展示圖片的形式教會學(xué)生邁克爾遜干涉儀的讀數(shù)方法。線上實驗操作演示之后，主講教師將講授每個實驗項目的數(shù)據(jù)處理及誤差分析方法，并且為學(xué)生提供相應(yīng)實驗的數(shù)據(jù)庫，學(xué)生從數(shù)據(jù)庫中隨機(jī)抽取實驗數(shù)據(jù)，課后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及誤差分析，簡述課后思考題，并在期限內(nèi)提交相應(yīng)的電子版實驗數(shù)據(jù)處理報告。在線上教學(xué)的課中除了1名直播的主講教師外，還會配備1名輔助在線教師，由于主講教師主要精力都放在原理講授與實驗演示，所以難以關(guān)注學(xué)生在課程直播進(jìn)程中所提出的問題，在線輔助教師的主要任務(wù)則是實時QQ群在線答疑，解答學(xué)生隨時提出的問題，確保在線實驗課程的教學(xué)效果和質(zhì)量。

課后，主講教師與輔助教師每天將會在固定時間段針對學(xué)生的問題進(jìn)行線上答疑，并且會介紹一些例如Origin、Matlab、Tracker等數(shù)據(jù)處理軟件的使用方法，完備學(xué)生實驗數(shù)據(jù)的處理能力。與此同時，如電學(xué)類實驗連線問題，教師可將電學(xué)器件組合照片發(fā)給學(xué)生，學(xué)生可利用課后時間在照片上畫圖連線，來滿足電學(xué)實驗實訓(xùn)的要求，提交連線后照片，教師會進(jìn)行審閱批改。

2 以設(shè)計性實驗實訓(xùn)，完善、提升學(xué)生綜合實踐能力

設(shè)計性實驗是基礎(chǔ)、綜合性實驗的進(jìn)階實驗，本部分實驗內(nèi)容主要以學(xué)生自主設(shè)計實驗方案、搭制實驗裝置為重點，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力，彌補(bǔ)基礎(chǔ)、綜合性實驗動手操作不足的問題。

課前，教師會提供給學(xué)生相應(yīng)的設(shè)計性實驗題目供學(xué)生選擇，并根據(jù)題目提出實驗內(nèi)容及要求，學(xué)生選擇后教師會以郵寄方式將實驗儀表、附件、耗材包發(fā)放到學(xué)生手中，學(xué)生依據(jù)耗材包內(nèi)的材料，自主設(shè)計實驗方案提交報告。課中，實驗教師依然直播講解實驗原理，糾正學(xué)生實驗設(shè)計中的典型錯誤，并列舉一些入門實驗測量解決方案。課后，學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)計方案搭制實驗裝置，動手實踐測量，依據(jù)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及誤差分析，并提交電子版實驗報告。若有更佳實驗裝置，因條件所限，無法制作，可提交電子版模型。實驗中，會在QQ群提供相應(yīng)的討論窗口，學(xué)生可以小組形式根據(jù)設(shè)計性實驗題目發(fā)揮創(chuàng)造性，繼續(xù)進(jìn)行延伸實物制作、探討及研究。例如太陽能電池特性研究和無線輸電技術(shù)特性研究與無線充電設(shè)備設(shè)計實驗，學(xué)生完成基本實驗要求后，可制作太陽能驅(qū)動的模型車、DIY手機(jī)無線充電設(shè)備等，所用耗材依然可以郵寄提供給學(xué)生。在學(xué)生返校后，實驗下發(fā)的數(shù)字萬用表、模型車等用具交回實驗室。

3 以全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽（CUPT）實驗拓展學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力

全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽每年都會更新一些生活中常見的物理現(xiàn)象為研究對象的開放性研究題目，并且每道題目都蘊(yùn)含一定解決實際問題的物理原理。教師將從歷年CUPT競賽中選取一些居家配合手機(jī)傳感器即可完成的實驗題目供學(xué)生選擇，學(xué)生將完全自行準(zhǔn)備實驗材料，調(diào)整實驗環(huán)境，利用手機(jī)測量數(shù)據(jù)，并運(yùn)用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)實驗現(xiàn)象及實驗數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，做出相應(yīng)的物理解釋。由于該部分實驗難度較高，學(xué)生將以團(tuán)隊形式合作完成實驗任務(wù)。

課前，教師會將題目公布給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)興趣、專業(yè)選擇題目，根據(jù)題目描述的現(xiàn)象，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，進(jìn)行初步理論分析，并提交實驗設(shè)計方案及文獻(xiàn)報告。

課中，教師會在線上直播講解每個題目涉及的物理原理，為學(xué)生指引實驗設(shè)計及理論分析思路。

課后，教師依然每天線上答疑，學(xué)生完成實驗?zāi)繕?biāo)后將以團(tuán)隊為單位提交研究報告，并進(jìn)行直播講解及研究答辯。教師可根據(jù)每個團(tuán)隊的研究深度及答辯效果予以成績評定。

例如2019年全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽題目中，填充的瓶子（題目內(nèi)容：當(dāng)垂直水流射入瓶子時，可能產(chǎn)生聲音，當(dāng)瓶子裝滿時，聲音的特性可能會改變。研究該系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，如射流的速度和橫截面、瓶子的大小和形狀或水溫等對聲音的影響。）與莫爾條紋織物密度鏡的設(shè)計（題目內(nèi)容：當(dāng)緊密間隔的非交叉線的圖案被覆蓋在一塊機(jī)織物上時，可以觀察到特征的莫爾條紋。設(shè)計一個可以測量機(jī)織物的經(jīng)緯密度的覆蓋物，確定測量簡單織物的精確性，并調(diào)查該方法是否對更復(fù)雜的織物是可靠的。）兩個題目完全可以居家完成實驗。

填充的瓶子實驗可在家中隨意挑選不同容積、形狀的瓶子進(jìn)行實驗，可通過調(diào)節(jié)水龍頭開關(guān)調(diào)節(jié)水流量大小，可利用智能手機(jī)中的Phyphox軟件測量水流注入瓶子聲音的頻率、響度及波形數(shù)據(jù)（見圖2），而注入瓶內(nèi)的水量可通過手機(jī)錄制視頻然后運(yùn)用Tracker軟件進(jìn)行時間分辨的對應(yīng)跟蹤。兩種數(shù)據(jù)采集的結(jié)合即可完成該實驗。

圖2 Phyphox手機(jī)軟件測量聲音數(shù)據(jù)圖

莫爾條紋織物密度鏡設(shè)計實驗則可在家中隨意挑選適當(dāng)?shù)牟剂?，而覆蓋的粗光柵制作就更加開放，如圖3所示實驗現(xiàn)象，即為在透明膠帶上等間隔的平行貼上鉛筆芯覆蓋在亞麻布上的莫爾條紋圖樣。通過改變鉛筆芯的直徑（市場可買到標(biāo)準(zhǔn)直徑為0.5 mm、0.7 mm、1.0 mm等的鉛筆芯）與相鄰鉛筆芯的間隔即可改變粗光柵的光柵常數(shù)。不同光柵常數(shù)的粗光柵放在不同的布料上現(xiàn)象也會不同，學(xué)生可根據(jù)實驗現(xiàn)象總結(jié)相應(yīng)規(guī)律，并通過數(shù)據(jù)處理及誤差分析設(shè)計一個最優(yōu)的莫爾條紋織物密度鏡。

4 以虛擬仿真實驗，完善實驗教學(xué)體系構(gòu)架

虛擬仿真實驗為擴(kuò)展性實驗，主要為拓寬學(xué)生視野，讓學(xué)生了解更多經(jīng)典且復(fù)雜的實驗項目。本部分實驗主要依托國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺（網(wǎng)址：http：／／www.ilab-x.com／）進(jìn)行，平臺物理虛擬仿真實驗包含聲學(xué)、應(yīng)用物理、核物理等學(xué)科的豐富物理實驗項目供學(xué)生在線使用。學(xué)生可根據(jù)興趣選擇實驗進(jìn)行在線模擬，實驗教師會隨時在理論、操作等方面進(jìn)行答疑。

圖3 莫爾條紋實驗現(xiàn)象圖

5 結(jié) 語

經(jīng)過基礎(chǔ)、綜合性實驗、設(shè)計性實驗、大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽題目實驗、虛擬仿真實驗的居家實驗方案設(shè)計，在滿足大學(xué)物理實驗教學(xué)大綱和本科生實踐教學(xué)培養(yǎng)計劃的前提下，最大限度地利用現(xiàn)有資源，實現(xiàn)分層次、遞進(jìn)式教學(xué)；進(jìn)行多方位實驗內(nèi)容拓展與實驗層次提升；實施了課前、課中、課后全過程的線上授課方案，保障了大學(xué)物理實驗線上教學(xué)質(zhì)量，充分發(fā)揮了在線教學(xué)的優(yōu)勢，高質(zhì)量地做到“停課不停學(xué)”，貫徹了國家防疫政策。