陳麗娜

(南京郵電大學(xué)理學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是理工科大學(xué)生必修的一門實(shí)踐類課程，旨在學(xué)習(xí)正確使用儀器設(shè)備，對認(rèn)識和理解現(xiàn)實(shí)世界的相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行測量、分析和判斷。相比于理論課程，實(shí)驗(yàn)類課程需要場地和器材支持，開展單一的線上教學(xué)難以達(dá)到線下實(shí)踐教學(xué)預(yù)期效果。本文調(diào)研了我國各高校在開展大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)采取的教學(xué)手段，針對其不足，提出了一些對策和建議，以便對當(dāng)前實(shí)驗(yàn)類課程教學(xué)起到一些指導(dǎo)性幫助。

1 目前我國各高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)開課形式

近年來，各地知名高校線上教學(xué)案例分析來看，我國各高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)開展網(wǎng)上授課方式主要有四種形式：錄播、直播、居家實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真[1-3]。對于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的理論和基礎(chǔ)知識部分，基本上采取錄播和直播相互結(jié)合的方式。錄播主要是老師課前預(yù)先錄制好課件視頻、慕課平臺或高校自建網(wǎng)絡(luò)平臺上已有的視頻課程，在網(wǎng)上課堂進(jìn)行播放，提問和討論。例如作者所在南京郵電大學(xué)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程就放在中國大學(xué)MOOC 平臺上，該課程同時(shí)面向本校學(xué)生和校外學(xué)生，學(xué)生可以根據(jù)自己的時(shí)間進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，線上課堂上可以與老師同學(xué)互動(dòng)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂，課后線上提交作業(yè)和提問等。除了上述錄播方式，高校教師可以使用釘釘課堂、騰訊課堂、騰訊會議等互動(dòng)直播平臺進(jìn)行在線直播教學(xué)。為貼近學(xué)生網(wǎng)絡(luò)習(xí)慣，部分高校教師使用一些很受歡迎短視頻直播平臺進(jìn)行直播授課，通過彈幕與學(xué)生線上交流，以便增強(qiáng)學(xué)生對課程參與積極性和學(xué)習(xí)興趣。錄播和直播相結(jié)合的線上教學(xué)模式能滿足理論性課程的教學(xué)要求，并達(dá)到較好的教學(xué)效果。

但對于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)這類實(shí)踐性課程而言，無論是錄播還是直播課只能用于講授實(shí)驗(yàn)緒論課、誤差理論、數(shù)據(jù)處理方法、實(shí)驗(yàn)背后的理論知識，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和答疑，但無法讓學(xué)生自己進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作、觀察和數(shù)據(jù)采集等。為此，一些高校采用了居家實(shí)驗(yàn)或者虛擬仿真來補(bǔ)充大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程所涉及實(shí)驗(yàn)操作、觀察和數(shù)據(jù)采集等實(shí)踐問題。居家實(shí)驗(yàn)就是讓學(xué)生自己在家進(jìn)行各種物理實(shí)驗(yàn)。更具體來說，就是依據(jù)課程學(xué)習(xí)目標(biāo)要求，實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)學(xué)生在家環(huán)境條件開發(fā)安全可行的居家實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。居家實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)教師預(yù)先測試，與學(xué)生討論確保方案可行，再安排給學(xué)生并附上一定實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和要求等資料。居家實(shí)驗(yàn)主要的特點(diǎn)是使用家里常用的設(shè)備或生活工具，或可以在商店和網(wǎng)上低價(jià)購買。居家實(shí)驗(yàn)的開展基于兩個(gè)基本理念：1）鼓勵(lì)學(xué)生思考、善于發(fā)現(xiàn)和使用日常用品，如家用電子稱、卷尺、手電筒、鏡子、手機(jī)等物體；2）研究自然物理世界并不總是需要使用昂貴的設(shè)備和器材。事實(shí)上，17 世紀(jì)著名的物理學(xué)家伽利略·伽利萊和艾薩克·牛頓使用相對簡單的測量儀器，分別在天文學(xué)和力學(xué)取得了舉世矚目的成果。如果用日常物品來“做”物理學(xué)，還能使物理學(xué)不再是抽象的概念。日常生活觀察到許多“神奇”現(xiàn)象，都能通過其背后物理定律給出完美解釋。例如：激光照射到光盤后反射產(chǎn)生的漂亮的衍射斑點(diǎn)或條紋；三線擺測定物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等等。此外，居家實(shí)驗(yàn)裝置需要學(xué)生根據(jù)各自家里現(xiàn)有條件自行搭建，可以更好的提高學(xué)生思考和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力，不僅能培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，還能加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。

除了居家實(shí)驗(yàn)教學(xué)，高校教師還積極開發(fā)和尋找合適的虛擬仿真項(xiàng)目讓學(xué)生在線虛擬實(shí)驗(yàn)。目前，國內(nèi)外已有多家知名虛擬仿真教學(xué)平臺，例如：科大奧銳的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，nobook.com,nanohub.org,ophysics.com 等虛擬仿真網(wǎng)站已被廣泛用于物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)及數(shù)學(xué)等自然科學(xué)的教學(xué)和科普。盡管虛擬實(shí)驗(yàn)室不能完全取代傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)室，虛擬實(shí)驗(yàn)室可以很好地輔助物理實(shí)驗(yàn)室，更好地加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)觀察到的物理現(xiàn)象背后物理定律的理解。

2 目前開課線上實(shí)驗(yàn)課程存在的問題和解決方案

目前，高校線上開實(shí)驗(yàn)課的基本采用以上四個(gè)方式：錄播、直播、居家實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)，但是每個(gè)方式都存在著各自的問題?？偟膩碚f，錄播和直播缺少老師與學(xué)生之間課間交流和互動(dòng),少了面對面的關(guān)注,讓學(xué)生感受到的教育溫度不夠。錄播和直播只能完成理論講解，而無法讓學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行獨(dú)立操作，因而無法達(dá)到大學(xué)實(shí)驗(yàn)這門實(shí)踐課程培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手和解決實(shí)際問題的能力。而居家實(shí)驗(yàn)存在問題有：1、家用測量器件精度和可操作性差，導(dǎo)致測量結(jié)果偏差大和重復(fù)性不高，使學(xué)生難以獲得正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不利于學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)背后機(jī)制或效應(yīng)的理解；2、考慮到安全和精度問題，只有少數(shù)力學(xué)實(shí)驗(yàn)可以設(shè)計(jì)為居家實(shí)驗(yàn)，而多數(shù)的光學(xué)和電學(xué)實(shí)驗(yàn)無法安排居家實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真目前面臨的主要問題為國內(nèi)高質(zhì)量的公益免費(fèi)虛擬仿真平臺非常之少。針對上述線上大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程所面臨的具體問題，我們總結(jié)了如下應(yīng)對策略。

針對錄播和直播所面臨的問題，實(shí)驗(yàn)教師可以充分利用國內(nèi)眾多網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上的優(yōu)質(zhì)課程資源讓學(xué)生進(jìn)行課前和課中預(yù)習(xí)和自學(xué)，實(shí)驗(yàn)教師再利用在線互動(dòng)直播平臺與學(xué)生進(jìn)行在線翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)互動(dòng)，增加學(xué)生上課的參與度。

針對居家實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)教師可以積極尋找和思考一些可替代傳統(tǒng)下線的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為對應(yīng)的居家實(shí)驗(yàn)。通過大量的文獻(xiàn)和資訊調(diào)研后[5-12]，作者列出了一批優(yōu)秀的居家物理實(shí)驗(yàn)?zāi)夸浫缦拢?、單擺測重力加速度；2、時(shí)間測量中隨機(jī)誤差的分布規(guī)律；3、用phyphox 研究彈性球的非彈性碰撞；4、用視頻追蹤法測量加速度；5、向心加速度與角速度；6、多普勒效應(yīng)；7、楊氏模量測量實(shí)驗(yàn)；8、液體表面張力系數(shù)測定；9、氣體狀態(tài)方程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)；10、固體表面的浸潤；11、表面張力與曲率；12、測量地磁場實(shí)驗(yàn)；13、磁力電流計(jì)實(shí)驗(yàn)；14、手機(jī)心電圖；15、顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)與制作；16、小孔衍射實(shí)驗(yàn)；17、光柵衍射；18、雙縫干涉；19、駐波法測聲速等。

針對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，除了購買和自主搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺外，還可積極總結(jié)一些優(yōu)秀公益免費(fèi)網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)平臺提供給學(xué)生使用。目前，國內(nèi)外優(yōu)秀的公益免費(fèi)網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)平臺有：電學(xué)相關(guān)的nobook.com物理實(shí)驗(yàn);國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺；nanohub.org;ophysics.com;phet.colorado.edu 等。

3 混合式線上大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例分析

現(xiàn)以南京郵電大學(xué)開設(shè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)為例，具體介紹如何使用混合式線上教學(xué)方案進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)。表1 為南京郵電大學(xué)開設(shè)的春季和秋季大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，包括緒論，力、熱、聲、光、電等多種經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，表中第一和第三列為常規(guī)線下實(shí)驗(yàn)具體內(nèi)容名稱，第二和第四列為對應(yīng)的線上模擬仿真實(shí)驗(yàn)或居家替代實(shí)驗(yàn)。采取這些在線直播錄播、國內(nèi)外仿真平臺和開源軟件及居家替換實(shí)驗(yàn)等多種混合式線上教學(xué)方案，可以很好地滿足諸多理工科大學(xué)開設(shè)的各類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)要求和目的。

表1 南京郵電大學(xué)開設(shè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和對應(yīng)的線上混合教學(xué)提案

總而言之，單一使用線上的錄播或直播方式，顯然不能滿足理工科院校開設(shè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)要求和目的。雖然居家實(shí)驗(yàn)?zāi)軜O大提高大學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，但只有很少部分物理實(shí)驗(yàn)滿足居家實(shí)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)器材和安全的要求，且其取得的結(jié)果還存在較大誤差或錯(cuò)誤等問題。相比而言，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以提供功能強(qiáng)大的低成本教學(xué)資源，使學(xué)生不受器材、場地及安全因素限制開展相關(guān)線上仿真模擬實(shí)驗(yàn)。本文的目的是在疫情流行和后疫情的背景下評估大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)方法改革的可行性。通過調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)基于在線直播、錄播共享、免費(fèi)公益模擬仿真平臺，以及居家替換實(shí)驗(yàn)等多種資源相結(jié)合的線上教學(xué)方案，可以滿足國內(nèi)理工科大學(xué)開設(shè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的線上教學(xué)要求，達(dá)到培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ哪康摹?/p>