大學物理實驗教學“自預習”網絡平臺的搭建與實施

孟慶國　高紅　孫文軍　侯洪濤

摘 要：本文通過建立“自預習”網絡平臺，要求學生在實驗前對物理實驗進行“自預習”。其中包括基礎實驗模塊、實驗物理學史模塊、實驗原理模塊、實驗預習檢測模塊。通過網絡平臺檢測預習成績與預習報告相結合的方式提高預習效果。這樣做可使學生在實驗前就對該實驗設計原理、歷史背景、及其在實際生活中的應用都有所了解。可以大大提高上課效率，培養學生們的創新能力與探究能力。

關鍵詞：“自預習”網絡平臺 物理學史 探究能力

傳統物理實驗課教學模式一般為學生在課前通過實驗參考用書完成預習，在規定的時間到實驗室中，在指導教師的講解及演示下將實驗完成。課后進行實驗數據處理，將報告提交后該實驗即告完成。在這樣的教學環節中學生們幾乎不關心實驗內容涉及到的物理學史背景，也就是說這個實驗的設計理論是在什么樣的背景下由誰提出并設計實施的，它的設計原理怎樣等這些背景學生們都不清楚，而這些背景正是培養學生建立物理思維和創新能力最需要解決的問題。我們通過建立“自預習”網絡平臺，要求學生在實驗前對相關的物理知識進行“自預習”。其中包括基礎實驗模塊、實驗物理學史模塊、實驗原理模塊、實驗預習檢測模塊。根據預習知識寫好預習報告。這樣做可使學生在實驗前就對該實驗設計原理、歷史背景、及其在實際生活中的應用有所了解。可以大大提高上課效率，并能提高學生們的創新能力與探究能力。

一、建立“自預習”網絡平臺是提高物理實驗預習效果的有效手段

1.“自預習”網絡平臺模塊搭建

“自預習”網絡平臺分為四個模塊，（1）基礎實驗模塊（2）實驗物理學史模塊（3）實驗原理模塊（4）實驗預習檢測模塊。

基礎實驗模塊：主要介紹一些基礎的物理實驗技能。例如：誤差計算、不確定度計算、實驗圖像處理、有效數字等知識。學生通過閱讀這些平臺的相關內容可以掌握完成實驗的基本知識。

實驗物理學史模塊：主要提供一些傳統實驗的設計歷史背景，設計原理及其應用。例如：邁克爾遜干涉儀、磁光現象、牛頓環等實驗的發現過程、設計原理及其在相關領域的應用。學生通過查閱相關知識可以充分認識這些實驗的設計與原理。在閱讀這些材料時學生可以發現一些看似“高大上”的實驗往往都是在一些簡單實驗條件下來完成的，這樣可以培養學生的創新能力。

實驗原理模塊：主要介紹實驗的原理、公式、規律及一些實驗步驟，實驗儀器的使用注意事項等相關知識。學生通過閱讀這些內容可以掌握相關實驗的知識，同時也清楚要在實驗中解決哪些問題，會出現那些現象。

預習實驗檢測模塊：主要通過設置實驗預習題目以問答的方式檢測學生們的預習效果。每個實驗設置20個問題，需要學生在10分鐘內隨機回答3個相關問題，回答結果教師可以在后臺查閱到，平臺也會根據學生回答的情況給出一個優秀、良好、合格的評價。設置這樣的模塊主要是檢測學生們的預習效果，同時也為實驗操作打下良好的基礎。圖一：電橋實驗“自預習”模塊

2.“自預習”網絡平臺與傳統預習實驗的最大區別

“自預習”網絡平臺設置了預習實驗檢測功能。學生只有在完成實驗理論、實驗步驟、實驗背景、實驗儀器等相關內容后才能回答“自預習”網絡平臺上的隨機問題。針對以往學生預習實驗時只是照書抄寫實驗報告，對于實驗設計的歷史背景、實驗原理、儀器選擇等方面的知識根本不予關注，導致實驗課時儀器使用注意事項、實驗原理等相關知識根本不清楚，基本上處于“拷貝”老師的實驗操作。通過設置與實驗題目相關的知識要求學生在網上進行回答，教師通過后端數據統計掌握學生預習情況，并根據每位學生回答問題的情況作為實驗預習成績評定的依據。這些實驗預習問題需要實驗教師在網絡平臺上設置，包括實驗設計背景、實驗原理、實驗步驟、實驗儀器及一起使用注意事項、實驗現象等知識。學生在10分鐘內需要隨機回答3個問題，滿分100分，網上提交答案。平臺根據學生回答情況給出網絡預習成績。

目前該平臺處于調試階段，但從學生的預習動力上看，已經有了很大的提高，學生實驗課操作效果也有了一定提高。

二、“自預習”物理學史模塊是提高課堂效率與探究能力的有效平臺

1.“自預習”物理學史模塊是提高課堂效率的有效手段

通過“自預習”網絡平臺設置了物理實驗的物理學史模塊，該模塊介紹了傳統實驗的設計依據，實驗理論、用途等相關信息。例如：邁克爾遜干涉儀，這個實驗許多學生都理解為是研究光的干涉現象包括等傾干涉、等厚干涉。邁克爾遜干涉儀最初是邁克爾遜為了探測“以太風”而設計的，大量的實驗結果表明，在地面參考系中，光速在任何情況下都不受地球運動速度的影響。這就是邁克爾遜-莫雷實驗。邁克爾遜利用這種干涉儀器測量過保存在巴黎的標準米尺的長度。并得出1m=1553163.5λcd， λcd為鎘（Cd）紅外的波長。1968年國際計量會議決定用氪（Kr）發射的橙色線在真空中的波長λkr作為標準，m=1650763.73λkr。邁克爾遜干涉儀的主要特點是兩相干光束的光路分得很開，并且利用移動反射鏡，或在光路中插入另外的媒質的方法，來改變兩光束的光程差，這就使干涉儀具有廣泛的用途，如用于測長度、測量折射率、檢查光學元件的質量等。通過這些物理學史知識的講解，同學們首先會想到，如何利用邁克爾遜干涉儀測量“以太風”？又是如何實現長度定量的呢？帶著這些疑問預習該實驗，他們就會從實驗儀器的設計原理、理論分析等方面弄清楚他的本質，實驗課堂的效率得到很大提高。

2.“自預習”物理學史模塊是培養學生創新能力的有效手段

“自預習”網絡平臺中物理學史模塊不僅介紹了一些傳統儀器的設計由來，還介紹了其最初的設計原理及應用。一些看似“高大上”的實驗許多都是在較為簡單的實驗條件下完成的，例如：安培的分子電流實驗。就是把一個絕緣的導線繞許多圈，固定在豎直支架上，沿著這個線圈內緣，用絕緣弦絲懸掛一個閉合的薄銅環，銅環旁邊放置一個馬蹄形磁鐵 。固定線圈通過強電流時，如果銅環中由于出現分子電流而產生磁性，就會驅使銅環擺動，實驗證明了分子電流的存在。

以往分析分子電流時同學們一般都會從微觀入手研究，但是安培卻轉換成宏觀作用來解釋分子電流的存在。這也正是研究物理問題的一種有效手段，即微觀作用通過宏觀現象反映來證明微觀作用存在。學生們通過“自預習”物理學模塊掌握這種方法后進行實驗設計與創新。如同學們自己設計了布朗運動演示儀、霍爾電壓演示儀。

三、“自預習”物理實驗平臺中存在的問題

1.實驗教師需要對所有實驗進行預習設問，每個實驗都要設定20個左右的題目，并且要給出相應的參考答案。一些參考答案的解釋要結合相應的實驗設備，例如測量楊氏模量的實驗方法就很多，這就需要教師在設定相應問題時，一定要結合實驗室所開設的實驗器材方法進行設問，教師的工作量還是很大的。

2.學生在利用網絡平臺進行預習時無法確定是否本人操作。雖然我們設置了登錄窗口，需要學生輸入學號后才能登錄，但無法確定是否本人，因此在進行實驗操作時教師還需要抽查大家的預習報告及回答相應問題。隨著網絡平臺的使用與教師抽查相結合的方式運作一段時間后這種現象會有所改觀，對于一些預習實驗不認真的學生，我們還得通過實驗操作考試進一步評價。

3.由于登陸時間較集中有時會出現回答問題時提交不夠及時。遇到這樣的問題就可能需要同學們多登錄幾次，當然也會產生重復登陸的情況，目前我們所用的服務器帶寬100M ，2.2GCPU，6核12線程，內存16G。基本上能滿足100人同時登陸需求，但如果都在觀看視頻文件，這會出現無法登陸或滯后的情況。這也是需要我們進一步改進的地方。

總之，通過“自預習”網絡平臺的搭建可以一定程度上解決目前實驗預習中存在的問題，學生在查閱相關物理學史模塊后能在實驗創新與設計上有所提高。在實驗教學中充分利用現代教學手段為將來培養優秀的物理人才打下良好的基礎。

作者簡介

孟慶國（1973.10—），男，漢族，副教授，碩士導師，從事大學物理實驗教學改革及實驗教具制作研究。