留學生大學物理實驗的慕課建設

李斌 王增旭 陳偉 李永濤

摘要：大學物理實驗課是工科大學生的一門基礎必修課程，在海外留學生中開展大學物理實驗教學是一個新的課題。本文探索和建立了一套留學生大學物理實驗的慕課教學模式，為將來的留學生教育提供思路和參考。

關鍵詞：留學生；物理實驗；慕課

隨著我國高等教育國際化程度的提高，每年都有大量的海外留學生來到中國交流和學習，近年來，本校海外學院與美國紐約理工學院開展了聯合培養本科生的合作辦學。海外學院的專業設置與國際需求同步，課程開設兼顧合作雙方的特色與優勢，學院建設、運行模式國際化，以培養國際型人才為目標，打造基礎扎實、知識面寬、實踐能力強、綜合素質高、具有創新精神、國際視野的高層次人才。自2015年起，學校面對海外留學生開展了大學物理實驗課程教學。大學物理實驗課是工科大學生的一門基礎必修課程，教學對象包括低年級普通全日制本科生。這門課程不僅有助于培養學生的觀察分析和動手操作能力，也有助于培養他們鉆研精神和科學素養。和面向國內學生的大學物理實驗教學不同，我們在海外留學生教學方面還缺乏經驗，由于語言文化、知識儲備、學習能力各方面的差異，使得留學生教學面臨著重重困難。因此，探索和建立起一套留學生大學物理實驗的教學模式，為將來的留學生教育提供思路和參考，是我們亟須解決的難題。近來我們嘗試使用慕課（MOOC）手段來輔助教學，使用分層次教學法，將在線教學和傳統教學的優勢結合起來，采用混合式教學手段來幫助留學生能夠更快更好地進入到學習狀態，順利地完成大學物理實驗課的學習。

緒論課是大學物理實驗的第一堂課，上好緒論課可以幫助學生對課程有個初步的了解，對課程的要求和學習目標有具體的認識。緒論課一般包括以下幾個部分：1. 課程介紹；2. 誤差理論；3. 不確定度；4. 數據處理方法；5. 測量儀器的使用。我們針對留學生的特點，對課程內容做了以下梳理和完善：

1. 課程介紹

（1）實驗預習要求：預習內容包括：實驗名稱，實驗目的，實驗儀器，實驗原理，列出記錄實驗數據的原始數據記錄表格，要畫在實驗報告冊的最后一頁。沒有寫預習報告者，老師有權停止其實驗，或實驗成績降一檔，鼓勵留學生去實驗室進行預習。（2）實驗操作要求：遵守實驗室的規定，了解實驗儀器的使用方法和注意事項，正式測量之前應進行儀器的調整，使用儀器測量時必須按操作規程進行，仔細觀察和認真分析實驗現象，如實記錄實驗數據和現象。實驗數據記錄，原始數據記錄在原始數據記錄表格中，要求：①要實事求是地記錄客觀現象和實驗數據，②不要用鉛筆記錄，不要記錄在草稿紙上，③不可拼湊數據，不可隨心所欲地修改數據，實驗做完原始數據交給老師簽字，整理好儀器后方可離開。（3）提交的實驗報告內容包括以下幾個部分：①實驗名稱，②實驗目的，③實驗儀器，④實驗原理，⑤實驗內容與步驟，⑥實驗數據記錄及處理，⑦討論和分析，⑧原始數據記錄表。

2. 誤差理論

（1）物理量的測量：測量分為直接測量和間接測量，測量結果包括兩個部分，測量數值和單位，二者缺一不可。誤差就是測量值與真值之差，即ΔX=X-a。真值是物理量在一定條件下客觀真正大小，通常用a來表示，修正了系統誤差后無數次測量值的平均值等于真值。（2）誤差的分類：誤差可以分成三類，按照特征和表現，分別為系統誤差，隨機誤差，和粗大誤差，系統誤差具有確定性，隨機誤差具有隨機性，而粗大誤差需要剔除。對任何測量而言，測量誤差是不可避免的。系統誤差產生的原因可能為，測量儀器本身的缺陷，實驗理論和方法的不完善，環境影響，或沒有在規定條件下使用儀器，實驗人員讀數時的習慣偏差等。而隨機誤差服從統計分布規律，可對隨機誤差的大小和測量結果的可靠性作出合理的評價，我們一般應實驗標準偏差來表征。（3）測量結果的表達式：測量結果應包括測量平均值，不確定度和單位。不確定度取一到兩位有效數字，首個非零數字大于等于5，取一位，小于5的，取兩位，尾數只進不舍，而測量平均值的最后一位，應和不確定度末尾對齊。測量結果尾數的修約規則是四舍六入五湊偶。尾數小于五的，舍去，大于五的，進一，等于五的，把尾數湊成偶數。

3. 不確定度

（1）不確定度的歷史：1981年10月第十七屆國際計量委員會大會通過決議，建議采用“不確定度”作為測量結果正確程度的評價。不確定度表示測量值可能變動（不能確定）的范圍，也是與測量結果相關的一個參數，用于合理表示賦予被測量值的分散性。由于測量誤差的存在而對被測量值的不能肯定的程度。（2）不確定度包含兩方面：①多次重復測量中統計方法計算的a類不確定度，②用其他非統計方法估算的b類不確定度，比如儀器誤差。總的不確定度，需要a類和b類不確定度合成。a類不確定度的計算公式，為貝塞爾函數s和t/n的乘積。t為分布因子，n為測量次數。b類不確定度通常是儀器本身的儀器誤差，儀器誤差是指正確使用的情況下，儀器的最大誤差。

4. 數據處理方法

大學物理實驗需要掌握的數據處理方法包括列表法，作圖法，逐差法。

（1）列表法的注意事項如下：①表格設計要合理，要簡單明了，要能完整地記錄實驗數據，物理量的排列應與測量順序一致；②標題欄中應注明所列物理量的名稱符號和單位，數據，不要重復書寫單位；③表中的數據要正確，反映測量的有效數字；④要提供和表格相關的參數和說明，比如表格名稱，測量儀器規格環境條件等等；⑤表格中所列的主要是原始數據，中間重要的計算結果也可列進去。（2）作圖法，就是通過圖線將物理量之間的關系直觀的表示出來的方法，做好一張正確實用美觀的圖，是實驗技能訓練中的一項基本功，實驗作圖不是示意圖，而是用圖來表達實驗中得到的物理量之間的關系，要反映測量的準確程度，必須滿足一定的作圖規則。作圖的基本規則，包括以下幾點：①要有完整的，有數據的表格。②選用合適的坐標紙，作圖的時候必須使用坐標紙，在我們物理實驗中通常選用的是直角坐標紙。③確定坐標軸，我們通常以橫軸表示自變量，縱軸表示因變量，在軸的端部要標明其所代表的物理量的名稱符號以及單位。④合理確定坐標分度，要保證圖像的實驗點坐標，讀數的有效數字不損失，還要能容易讀出圖上實驗點坐標。⑤標出實驗點，我們要用削尖的鉛筆，用加號，乘號，圈點等符號代表實驗點。⑥連接實驗曲線，我們用直尺或曲線板等工具進行連線，圖線應保證光滑，在連線的時候，盡可能通過較多的點，不在線上的各點要均勻地分布在緊靠圖線的兩側。⑦圖注和說明，要求在圖紙的明顯位置寫出圖名和實驗條件。（3）逐差法是我們物理實驗中常用的數據處理方法之一，常用于處理自變量等間距變化的數據。它是把實驗數據列成表格，進行逐次相減，或分成高低兩組，對應項相減，前者可以驗證數據變化的規律，后者可以充分地利用數據減少測量誤差。

5. 測量儀器的使用

（1）鋼卷尺/鋼直尺的用法：一般分度值為1mm，標度單位為cm，讀數時可以準確讀到mm位，mm位以下的十分之一mm位是估讀位。（2）游標卡尺的用法：游標卡尺是由毫米分度值的主尺和一段能滑動的游標副尺構成。游標卡尺能夠把mm位下一位的讀數較準確地讀出來，因而是比鋼尺更準確的測量儀器。游標卡尺可以用來測量長度、孔深及圓筒的內徑、外徑等幾何量。游標卡尺在讀數的過程中，首先看游標尺零刻度線的位置，然后我們來觀察一下卡尺的分度值，最后看游標尺上第幾條線和主尺的刻度線重合。（3）螺旋測微器的用法：讀數的時候應該注意以下幾點：①在固定刻度上讀出整毫米數；②在可動刻度上讀格數，并進行估讀，再乘以0.01；③待測長度為兩者之和。在測量的過程中，測微螺桿快接近被測物體時，應停止使用旋鈕而改用微調旋鈕，在讀數的時候要注意固定刻度尺上表示半毫米的刻線，即使固定刻度的零點正好與可動刻度的某一刻度線對齊，千分位上也應讀為零。（4）角游標尺的讀法：角游標尺的最小分度值是一分，所以在讀數的時候先讀主刻度，然后再讀游標尺上的刻度。

以上就是留學生大學物理實驗緒論課的主要內容，也是慕課的腳本和基本大綱。

總之，我們采用慕課來輔助課堂教學，使用分層次教學法，在留學生知識基礎、智力因素和非智力因素存在明顯差異的情況下，有針對性地實施分層教學，從而達到不同層次教學目標，幫助留學生更好地進入到學習狀態，完成大學物理實驗課的教學目標。將來，我們將進一步建設和完善大學物理實驗慕課，將不同的實驗教學內容都以慕課的形式呈現出來，為以后的留學生教學工作積累經驗，提高留學生課程教學質量。

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作者簡介：

李斌，王增旭，陳偉，李永濤，江蘇省南京市，南京郵電大學理學院。