段 彬， 張鳳琴， 唐笑年

（吉林大學物理學院，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年春季學期延期開學，通知指出原則上“疫情沒有得到基本控制前不開學，學?；痉揽貤l件不具備不開學，師生和校園公共衛(wèi)生安全得不到切實保障不開學?！币M一步做好在線教育教學，既要明確當前線上教學“教什么”和“怎么教”，又要不斷探索開學后課堂教學與線上教育的有機結合。為積極響應“停課不停學”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)絡線上教學模式［1-5］，但是大學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，明確大學物理實驗教學特性及重點，有效利用現(xiàn)有資源［6］，開展、完善大學物理實驗課程，達到實踐教學效果、制定適合的效果評價體系是疫情防控下線上大學物理實驗教學亟須解決的問題［7-12］。

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

圖1 居家線上大學物理實驗教學模式構架圖

1 以基礎、綜合性實驗為主，開展分層次、遞進式線上教學

基礎、綜合性實驗是大學物理實驗教學大綱要求的必做實驗，是讓學生掌握基本實驗知識、技能、方法及在實驗數(shù)據(jù)處理方法基礎上，通過綜合性實驗訓練，使學生綜合解決問題的實踐能力進一步提升，為設計性實驗和創(chuàng)新性實驗奠定基礎。

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

課前，教師將實驗項目電子版指導教材、教師課件及相關儀器使用說明書上傳給學生預習使用。除此之外，每一個實驗項目教師都會布置相應的預習任務，推送知識點，例如數(shù)字示波器實驗的預習內容為數(shù)字示波器在科研、電子技術、工業(yè)生產(chǎn)方面的應用，學生就此問題以預習報告形式提交相關論述，教師可根據(jù)報告內容予以學生預習確認。

課中，主要以主講教師與輔助教師配合線上直播授課，內容由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)展狀況或動態(tài)，結合物理原理闡述實驗方案設計思路，主講教師根據(jù)每個實驗項目的特點，直播實驗儀器及結構，儀器調試方法，測試內容、測試精度，演示實驗數(shù)據(jù)的采集等。例如霍爾效應實驗，在實驗操作部分將重點介紹實驗設備及其實驗設計思路，實驗操作過程將演示儀器如何調試、物理參數(shù)如何設置、數(shù)據(jù)如何采集，因霍爾效應實驗會伴隨一系列負效應產(chǎn)生，影響實驗結果的準確性，教師也會在演示實驗進程中，隨時提出問題，學生搶答，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，是哪種負效應所引起的等。而針對邁克爾遜干涉儀這類光學實驗，實驗教師將會重點介紹實驗光路的設計思路，詳細介紹幾種干涉圖樣的調節(jié)方法，并且以展示圖片的形式教會學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，并且為學生提供相應實驗的數(shù)據(jù)庫，學生從數(shù)據(jù)庫中隨機抽取實驗數(shù)據(jù)，課后進行數(shù)據(jù)處理及誤差分析，簡述課后思考題，并在期限內提交相應的電子版實驗數(shù)據(jù)處理報告。在線上教學的課中除了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，所以難以關注學生在課程直播進程中所提出的問題，在線輔助教師的主要任務則是實時QQ群在線答疑，解答學生隨時提出的問題，確保在線實驗課程的教學效果和質量。

課后，主講教師與輔助教師每天將會在固定時間段針對學生的問題進行線上答疑，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，完備學生實驗數(shù)據(jù)的處理能力。與此同時，如電學類實驗連線問題，教師可將電學器件組合照片發(fā)給學生，學生可利用課后時間在照片上畫圖連線，來滿足電學實驗實訓的要求，提交連線后照片，教師會進行審閱批改。

2 以設計性實驗實訓，完善、提升學生綜合實踐能力

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

課前，教師會提供給學生相應的設計性實驗題目供學生選擇，并根據(jù)題目提出實驗內容及要求，學生選擇后教師會以郵寄方式將實驗儀表、附件、耗材包發(fā)放到學生手中，學生依據(jù)耗材包內的材料，自主設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，糾正學生實驗設計中的典型錯誤，并列舉一些入門實驗測量解決方案。課后，學生根據(jù)自己的設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群提供相應的討論窗口，學生可以小組形式根據(jù)設計性實驗題目發(fā)揮創(chuàng)造性，繼續(xù)進行延伸實物制作、探討及研究。例如太陽能電池特性研究和無線輸電技術特性研究與無線充電設備設計實驗，學生完成基本實驗要求后，可制作太陽能驅動的模型車、DIY手機無線充電設備等，所用耗材依然可以郵寄提供給學生。在學生返校后，實驗下發(fā)的數(shù)字萬用表、模型車等用具交回實驗室。

3 以全國大學生物理學術競賽（CUPT）實驗拓展學生的創(chuàng)新實踐能力

全國大學生物理學術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傳感器即可完成的實驗題目供學生選擇，學生將完全自行準備實驗材料，調整實驗環(huán)境，利用手機測量數(shù)據(jù)，并運用數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)實驗現(xiàn)象及實驗數(shù)據(jù)建立數(shù)學模型，做出相應的物理解釋。由于該部分實驗難度較高，學生將以團隊形式合作完成實驗任務。

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

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

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

例如2019年全國大學生物理學術競賽題目中，填充的瓶子（題目內容：當垂直水流射入瓶子時，可能產(chǎn)生聲音，當瓶子裝滿時，聲音的特性可能會改變。研究該系統(tǒng)的相關參數(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計（題目內容：當緊密間隔的非交叉線的圖案被覆蓋在一塊機織物上時，可以觀察到特征的莫爾條紋。設計一個可以測量機織物的經(jīng)緯密度的覆蓋物，確定測量簡單織物的精確性，并調查該方法是否對更復雜的織物是可靠的。）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、形狀的瓶子進行實驗，可通過調節(jié)水龍頭開關調節(jié)水流量大小，可利用智能手機中的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），而注入瓶內的水量可通過手機錄制視頻然后運用Tracker軟件進行時間分辨的對應跟蹤。兩種數(shù)據(jù)采集的結合即可完成該實驗。

圖2 Phyphox手機軟件測量聲音數(shù)據(jù)圖

莫爾條紋織物密度鏡設計實驗則可在家中隨意挑選適當?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（市場可買到標準直徑為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，學生可根據(jù)實驗現(xiàn)象總結相應規(guī)律，并通過數(shù)據(jù)處理及誤差分析設計一個最優(yōu)的莫爾條紋織物密度鏡。

4 以虛擬仿真實驗，完善實驗教學體系構架

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

圖3 莫爾條紋實驗現(xiàn)象圖

5 結 語

經(jīng)過基礎、綜合性實驗、設計性實驗、大學生物理學術競賽題目實驗、虛擬仿真實驗的居家實驗方案設計，在滿足大學物理實驗教學大綱和本科生實踐教學培養(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、遞進式教學；進行多方位實驗內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，保障了大學物理實驗線上教學質量，充分發(fā)揮了在線教學的優(yōu)勢，高質量地做到“停課不停學”，貫徹了國家防疫政策。