朱 楠，徐秋爽，丁雙紅，潘康路

（煙臺大學物理與電子信息學院 山東 煙臺 264003）

大學物理實驗是高等院校理工科學生的必修基礎課，是本科生接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓練的開端，其在育人過程中發(fā)揮的教育創(chuàng)新功能是顯而易見的。近年來，高校也越來越重視實驗教學質量的提升，為大學物理實驗教學改革提供有力支持。高校教師對大學物理實驗教學模式進行改革探索[1-6]，也取得了一定的成果。目前，煙臺大學物理與電子信息學院（以下簡稱“我院”）物理實驗中心承擔全校理工科大學物理實驗教學任務，面對不同專業(yè)、不同學習能力的學生，如何提高課堂教學質量，讓學生在實驗的過程中培養(yǎng)自主學習能力和創(chuàng)新思維，我院進行了充分的思考和調研。

本文從課前預習、課堂授課、課后反饋三個方面，探討構建大學物理實驗線上與線下、課堂與課外，啟發(fā)式教學模式。2022―2023 學年春、秋兩個學期，以大學物理實驗“光的偏振”為例，進行全新教學實踐，旨在有效地利用“微課堂”和啟發(fā)、交互式教學模式，提升學生對物理實驗的興趣，在掌握物理實驗基礎知識和科學實驗能力的同時，使學生的自主學習能力和創(chuàng)新思維能力得到有意識地開發(fā)和鍛煉。

1 大學物理實驗教學發(fā)展現狀

1.1 預習、復習等學習方式單一

目前，大多數學生在預習和完成實驗報告等鞏固復習、提升環(huán)節(jié)參考資料僅限于簡單地閱讀教科書或實驗指導書，而沒有嘗試使用其他的學習資源和學習方法。這樣導致學生可能只是被動地記憶一些理論或者實驗操作步驟，而沒有嘗試去深入地思考和理解，缺乏學習的主動性和創(chuàng)造性。例如，在預習實驗時，學生可能只是記住實驗步驟和操作流程，而沒有思考實驗的設計思路、原理和意義。在復習時，學生可能只是記憶知識點和步驟，而沒有嘗試總結規(guī)律、發(fā)現新的思考方式和解決問題的方法。

這樣單一的預習和復習等學習方式可能會限制學生的學習效果和創(chuàng)新能力，甚至導致學生預習不充分，復習拓展環(huán)節(jié)未自覺、主動開展，從而致使課堂效率低，課后拔高的效果不能得到有效提高。

1.2 教學模式大多采用以教師為中心的傳統(tǒng)教學模式

教師一般將課堂分為全面講授+學生實驗兩個獨立的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的教學模式知識體系清晰，教師講解具體、全面，但是忽略了學生學習的主體性，形成了單向灌輸、學生被動接受的情況。這樣導致學生獨立思考、自主學習的意識和能力很難得到培養(yǎng)和提升，學生的實驗素養(yǎng)和創(chuàng)新能力也被限制。學生的學習效果和教師的教學質量大打折扣，偏離了實驗教學的目標。

1.3 教學內容陳舊、單一

目前，大多數實驗教學內容為實驗講義上原理、內容、操作步驟等，缺乏相關知識的背景介紹和相應知識在生活中的實際應用。學生課堂上也只是按部就班地完成規(guī)定實驗內容，沒有知識的應用和遷移環(huán)節(jié)，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和能力。

2 基于“微課堂”構建啟發(fā)式教學模式——以“光的偏振”教學為例

2.1 課前“微課堂”預習

隨著信息化時代的發(fā)展，“互聯網+”教育，也獲得了越來越廣泛的應用。在大學物理實驗預習環(huán)節(jié)，充分利用智能手機的作用。建立班級微信群，在群里提前一周發(fā)布微信二維碼，學生通過掃二維碼可以查看實驗講義、PPT、課前預習任務和教師錄制的操作視頻。利用在線表單收集學生預習中存在的問題，為課堂授課做準備。如圖1 所示，以物理實驗“光的偏振”為例，根據教學內容和課程特點，結合實驗儀器和學生情況設計剪輯其中一個課前“微課堂”預習腳本流程。內容主要包括光的偏振的基本理論、本實驗的實際應用及實驗儀器的簡單介紹等供學生在課外學習。從而達到學生在進行實驗之前就對光的偏振的知識有了初步的理解。

圖1 光的偏振課前“微課堂”視頻剪輯內容

2.2 課堂教學過程設計與實踐

2.2.1 設計互動小實驗引入課程內容

大學物理實驗理論知識的學習是滯后于實驗的，實驗原理包含的基本概念較多且較難理解，教師正式講解原理概念前，利用5 分鐘左右的時間帶學生做一些互動實驗，讓學生切實感受生活中的物理現象和物理規(guī)律。有趣的實驗調動了學生的好奇心，學生會在好奇心的驅使下對將要學習的理論知識產生興趣，學習的積極性和主動性就被調動起來了。

在“光的偏振”實驗教學中，我們設計的小實驗簡單易操作，占用時間短，而且還易引起學生共鳴。引導學生觀察實驗室內光源，比如觀察日光燈發(fā)出的光線，觀察手機屏和電腦屏熒幕光線，提出問題：通過眼睛觀察這些光線，能發(fā)現他們的區(qū)別嗎？學生回答后，教師啟發(fā)學生總結：僅僅靠眼睛沒法區(qū)分這些光線，那么借助偏振片試一試。學生手拿偏振片，對著教室日光燈，轉動偏振片一圈，觀察光線明暗有沒有變化。學生拿出手機，觸亮手機屏，將偏振片疊放在手機液晶顯示屏上，轉動偏振片一圈，觀察手機屏光線明暗有無明顯變化。教師選出幾個學生代表到講臺前面，對著開啟的電腦屏幕，轉動偏振片一圈，觀察電腦屏幕光線有無變化，并描述這種光線變化和手機屏幕光線變化的區(qū)別。學生拿出兩塊偏振片，對著教室墻面，其中一塊偏振片不動，轉動另一塊偏振片一圈，觀察光線的明暗變化。

以學生身邊觸手可及的事物展開實驗，能成功激發(fā)學生的學習興趣，學生的好奇心被調動起來，教師便可以很自然地過渡到理論知識的講解，解開學生的疑惑。

2.2.2 理論知識講解和實驗操作穿插進行

光的偏振涉及的概念多且抽象、難以理解，如果過多地強調理論概念，采用“滿堂灌”的教學方式，會削弱學生的學習興趣；如果不介紹相關的基本物理概念，又會使學生在沒有理解基本物理概念的前提下，機械被動地重復實驗內容，無法達到實驗教學培養(yǎng)學生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的目標。在“微課堂”教學中，該部分采用理論講解和實驗驗證相結合的啟發(fā)式教學模式，可以有效避免長時間大篇幅的理論講解帶給學生的枯燥感，提升課堂學習效率和教學質量。

偏振光實驗中的重點內容是馬呂斯定律，在此部分的理論講解中，從二向色性著手，啟發(fā)學生推導由自然光、部分偏振光產生線偏振光的過程及怎樣檢驗線偏振光。推導示意圖見圖2，相應推導過程見公式（1）。

圖2 推導馬呂斯定律

值得注意的是，公式里的是起偏器和檢偏器偏振化方向之間的夾角，許多學生在實驗中將理解為偏振片刻度上相應的角度值。需跟學生強調，偏振片上的0°并不一定是偏振片偏振化方向，實驗時需要校準。在實驗操作時，先放一塊偏振片作為起偏器，旋轉起偏器一圈至光強最大處。然后再加入一塊偏振片作為檢偏器，旋轉檢偏器至光強為零的位置，此時我們定義為 =90°。以此位置為基準，旋轉檢偏器一圈，記錄光強變化規(guī)律，進而驗證馬呂斯定律。

馬呂斯定律講解后，學生實驗操作驗證。此時，拋出問題，有了實驗數據，怎樣進行實驗數據處理驗證馬呂斯定律。提問之后，教師進行評價總結，以為縱坐標，為橫坐標作圖，如果圖線為通過坐標原點的直線，則表明馬呂斯定律已經被驗證。數據處理時，建議學生嘗試用Excel，MATLAB 進行實驗數據擬合。

光的偏振另一重要的內容即為波片原理，這一部分以學生操作和觀察數據引入。教師引導，學生操作回答，先使起偏器和檢偏器正交，然后在兩偏振片之間插入四分之一波片，旋轉四分之一波片出現消光現象。此時四分之一波片不動，轉動檢偏器學生觀察記錄實驗數據。再依次將波片轉動總角度30°，45°，60°，90°，每次轉動檢偏器一周，學生記錄實驗數據。這時，讓學生觀察每個角度的波片，檢偏器轉動一圈后光強的變化規(guī)律。引導學生觀察并回答：加入波片后，固定波片角度，轉動檢偏器，光強出現不同的變化規(guī)律。接下來我們探討波片的作用原理以及橢圓偏振光和圓偏振光的產生方法[7-8]。在這一部分的理論中，結合橢圓偏振光、圓偏振光的概念，帶領學生理論推導橢圓偏振光（圓偏振光）的合成以及光強分布特征。

對于二分之一波片的作用，進行一次角色翻轉，將學生分成四個小組，完成實驗后，自主學習相關理論知識，并完成相關思考題的作答。

此部分物理知識講解完成后，再次讓學生做上述實驗，正式記錄實驗數據。這樣通過兩次重復實驗，學生可很好地用理論知識解釋實驗現象，加深了其對所學知識的理解。

2.3 實驗小結與討論

傳統(tǒng)的教學模式中，學生記錄完實驗數據，教師審核數據無誤，課堂教學就算順利結束了。在2022―2023 學年課堂我們增加了討論環(huán)節(jié)，此部分占用課時15 分鐘左右。該環(huán)節(jié)主要是討論學生預習和實驗中存在的問題，試著讓學生們交流討論并提供解決方案。另一個目的是對所學的基礎知識進行擴展。在偏振光實驗中，擴展內容包括怎樣更深地理解與應用馬呂斯定律，怎樣設計實驗將部分偏振光和橢圓偏振光、自然光和圓偏振光鑒別出來，“光的偏振”在生活中的應用。比如原理拓展部分，可以舉例：透過兩個片偏振化方向相互垂直的偏振片后，會觀察到消光現象，在兩塊偏振片之間再加入另一塊偏振化方向不同于前兩片的偏振片，將會發(fā)生什么實驗現象[9]？實際應用環(huán)節(jié)，可以講解立體電影、攝影技術及飛機、輪船上常用的偏振窗[10]。在教學過程中增加物理知識實際應用的例子，能夠激發(fā)學生學習物理實驗的興趣，這對于培養(yǎng)學生的科學思維和創(chuàng)新精神至關重要。另外，在小結與討論中，有意識地引導學生對感興趣的知識點可以采用查閱參考文獻的方法去自主學習，培養(yǎng)其自主學習能力。

2.4 課后“微課堂”復習提升

針對課堂中存在的問題，以及拓展實際應用環(huán)節(jié)，僅靠課堂上的15 分鐘遠遠不夠。教師課下在微信群發(fā)布相關視頻鏈接和相應的參考文獻，鼓勵學生利用課外時間多學習，多思考。之后教師再次收集的問題和發(fā)現，及時了解其學習需求與困難，從而不斷反饋和改進教學內容，這種方式可以幫助學生更好地理解和掌握課程內容，同時也可以提高教師的教學質量和效果。

3 教學效果

在“光的偏振”實驗教學中對教學內容進行重新整合、設計，應用引導、啟發(fā)、角色翻轉相結合的教學模式取得了很好的效果。實驗結課后對不同專業(yè)學生進行不記名問卷調查，85%的學生對改革后的教學模式表示肯定。課后與學生面對面交流，有學生表示這種教學設計打破了以往填鴨式教學模式，通過實驗和理論串講，設置問題，層層推進教學內容，激發(fā)了他們濃厚的學習興趣，讓他們在課堂上能夠集中注意力，主動學習、自主探究。還有學生認為課堂設置的討論環(huán)節(jié)能夠引發(fā)他們對問題的進一步探討，使他們在學到基礎知識的同時，思維和視野也得到了拓展，學習的主動性被調動起來，收獲頗多。

4 結論

在大學物理實驗中，針對學生學習效果差的問題，在預習方面，本研究以短視頻的形式設計“微課堂”預習資料，有效地將預習資料和教學內容進行整合和調整，吸引學生的注意力，并幫助他們更好地理解和掌握復雜的物理概念和實驗技能。在課堂教學方面，對原有的教學內容進行整合、調整、重新設計，并結合啟發(fā)、交互式教學模式進行教學，強調學生的主動性和參與性，通過引導學生思考、討論和實踐，激發(fā)學生的主觀能動性，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新、創(chuàng)造性思維以及解決問題的能力。本文提出的這種教學設計和組織實踐，對普通高校大學物理實驗教學具有一定的借鑒意義。