新冠肺炎疫情下美國(guó)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)及中美情況對(duì)比

樂(lè)永康

(復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系,上海 200433)

1 新冠肺炎疫情下美國(guó)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)(基于郵件群的信息)

哈佛大學(xué)在3月10日前后開始“關(guān)閉校園”，隨后，美國(guó)其他高校紛紛跟進(jìn)，也都開始“網(wǎng)絡(luò)教學(xué)”。3月12日，筆者所在的“美國(guó)物理實(shí)驗(yàn)教師群”里就收到Wisconsin大學(xué)La Crosse校區(qū)的物理系主任Taviare L.Hawkins教授發(fā)出來(lái)的郵件：詢問(wèn)對(duì)實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)有什么計(jì)劃和思路。

圖1 Advlabs-I郵件群里有關(guān)疫情下的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的第一個(gè)郵件

圖2 Advlabs-I郵件群里討論疫情下的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的部分郵件列表

一點(diǎn)補(bǔ)充說(shuō)明：美國(guó)有不少學(xué)校的物理系很小，系主任往往直接負(fù)責(zé)教學(xué)，參加教學(xué)研討會(huì)。筆者在美國(guó)參加多次物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)期間，經(jīng)常遇到不同學(xué)校來(lái)的物理系系主任。

截至3月24日晚上24點(diǎn)，筆者在此群里共收到41個(gè)相關(guān)的郵件(圖1、圖2為郵件示例)。其中有五個(gè)郵件是討論電子線路相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)(美國(guó)部分學(xué)校的物理系為物理專業(yè)的學(xué)生開設(shè)電子線路方面的理論課和實(shí)驗(yàn)課)，其他內(nèi)容都是交流各自的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)想、具體實(shí)施，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)課在線教學(xué)的觀點(diǎn)。當(dāng)然，我們還得注意一個(gè)具體差別：美國(guó)高校的春季學(xué)期基本都是在4月底前后結(jié)束，本學(xué)期的教學(xué)活動(dòng)大都已進(jìn)行一半左右了。

另外，就新冠肺炎疫情下的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，筆者還單獨(dú)和IWU的Spalding教授、UIUC的Selen教授有個(gè)人郵件往來(lái)(UIUC有非常好的學(xué)生居家實(shí)驗(yàn)平臺(tái)IOLab，售價(jià)150美元，但他們沒(méi)有據(jù)此開展實(shí)驗(yàn)教學(xué))。

基于上述郵件群內(nèi)容的初步統(tǒng)計(jì)，美國(guó)高校計(jì)劃采取的物理實(shí)驗(yàn)課程在線教學(xué)主要有以下五方面內(nèi)容。

(1) 觀看實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻+數(shù)據(jù)處理：老師錄制實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的視頻；把采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生做數(shù)據(jù)處理；主要的視頻共享平臺(tái)是youtube；在線交流平臺(tái)是Zoom；也有老師上傳自己的實(shí)驗(yàn)記錄，讓學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)記錄寫報(bào)告；還有基于“誤差分析”教材，讓學(xué)生學(xué)習(xí)、實(shí)踐誤差分析相關(guān)內(nèi)容的；

(2) 讓學(xué)生做仿真模擬；主要的仿真工具(平臺(tái))Phylets、PhET(這兩個(gè)是免費(fèi)的平臺(tái))；https://www.pivotinteractives.com/ (這個(gè)是私人公司，收費(fèi)使用)；

(3) 基于智能手機(jī)的實(shí)驗(yàn)，主要工具Phyphox(國(guó)內(nèi)高校也已普遍使用)；以及Physics Toolbox apps https://www.vieyrasoftware.net(這是一個(gè)類似于Phyphox的手機(jī)傳感器應(yīng)用工具包)；

(4) 讓學(xué)生在家做探索課題：這個(gè)部分現(xiàn)在是美國(guó)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)圈里在努力收集資源，接下來(lái)會(huì)往外推廣的內(nèi)容，很可能會(huì)通過(guò)PhysPort和Compadre這兩個(gè)共享平臺(tái)；自選課題的具體內(nèi)容在下一段再展開；

(5) 利用已有的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，如課題組的Remote AFM，通過(guò)分享屏幕等方式開展教學(xué)；(郵件群里，就只有這一個(gè)個(gè)案)。

對(duì)于高年級(jí)學(xué)生，不少老師是希望能夠開設(shè)居家課題，有幾位物理實(shí)驗(yàn)圈里非?；钴S的教師提出了一些建議。丹佛大學(xué)的Randall Tagg教授提出“居家十項(xiàng)全能”的建議，具體內(nèi)容在圖3中

圖3 Randall Tagg教授提出“居家十項(xiàng)全能”建議的內(nèi)容

University of Wisconsin, River Falls大學(xué)的Lowell McCann教授計(jì)劃讓同學(xué)在家做馬呂斯定律驗(yàn)證、LED反向特性曲線測(cè)量等內(nèi)容。

居家實(shí)驗(yàn)課題能否順利開展，在很大程度上取決于學(xué)生是否能得到一些必須的小器材，以及遠(yuǎn)程指導(dǎo)(如電路查錯(cuò))的有效性。對(duì)此，不少教師考慮直接為學(xué)生提供小型、低價(jià)的器材套裝，如Lowell McCann教授計(jì)劃給學(xué)生提供器材包括，“3.2V 650nm diode laser module (from aixiz) as the light source (along with LEDS, resistors, polarizers, thermistor, etc.) and a DMM to make measurements. Lots of other data acquisition devices could work, of course.”

美國(guó)高?！靶@封閉”的執(zhí)行情況也有一些特例，如Stony Brook校園里還有少數(shù)學(xué)生，在繼續(xù)開展教學(xué)(對(duì)身處校外的學(xué)生，安排教學(xué)視頻+數(shù)據(jù)分析)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，還有一些老師提到用FPGA(更偏向電子工程專業(yè))或者Arduino(更通用)開展居家課題的。

還有老師認(rèn)為，居家實(shí)驗(yàn)不易于開展的時(shí)候，可以讓學(xué)生進(jìn)行科學(xué)寫作訓(xùn)練、或者分配任務(wù)進(jìn)行同學(xué)間的小組討論。

也有建議讓學(xué)生做實(shí)際新冠肺炎疫情數(shù)據(jù)分析，看看是否能看出“病例倍增周期”，是否可以看出某個(gè)具體的控制措施是否起效等。但也有老師提醒，很可能學(xué)生家人或者親戚在疫情中去世，這個(gè)內(nèi)容不適合。(I thought about something like this, but I am having second thoughts about assigning coronavirus-related projects as it is HIGHLY likely that our students are going to start losing family members (maybe even somebody in their house) to the disease in the next couple of weeks.)

2 中美應(yīng)對(duì)方案的比較

基于筆者對(duì)中美現(xiàn)階段物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)“應(yīng)對(duì)方案”并不很全面的了解(國(guó)內(nèi)情況的介紹，可以參考“物理與工程”期刊公眾號(hào)上的最新推送：關(guān)于新冠肺炎疫情防控期間物理類課程線上教學(xué)的調(diào)查報(bào)告)，我們依然可以大致概括以下幾點(diǎn)。

(1) “中國(guó)方案”有“先發(fā)優(yōu)勢(shì)”和“整體優(yōu)勢(shì)”，內(nèi)容更豐富。這里的先發(fā)優(yōu)勢(shì)一方面體現(xiàn)在國(guó)內(nèi)高校教師在寒假里就開始準(zhǔn)備了；另一方面，我們之前的精品開放在線課、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)，發(fā)揮了很大的作用；而“整體優(yōu)勢(shì)”則體現(xiàn)在：①教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程教委員會(huì)學(xué)指導(dǎo)及其下屬機(jī)構(gòu)很早就開始比較全面地規(guī)劃、積極地組織“線上實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)”“64課時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案”“在線課程師生問(wèn)卷調(diào)研”等全局性的計(jì)劃安排； ②全國(guó)各地的高校，都在推出有自己特色的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在線方案(不少方案的亮點(diǎn)突出，如內(nèi)蒙古科技大學(xué)的居家測(cè)金屬絲楊氏模量實(shí)驗(yàn))，大家群策群力的結(jié)果是，教學(xué)內(nèi)容越來(lái)越豐富。物理類教學(xué)期刊《物理與工程》《物理實(shí)驗(yàn)》等利用公眾號(hào)快速?gòu)V泛傳播的特點(diǎn)，面向全國(guó)高校推送實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)對(duì)方案，起到了非常好的宣傳和推廣作用。

(2) 信息化時(shí)代，中美實(shí)驗(yàn)教學(xué)在某些方面的差別在縮小。如國(guó)外制作的Tracker、Phyphox等應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)也已普遍使用；基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)，中美教師都在使用等。

(3) 基礎(chǔ)儀器/元器件供應(yīng)商、網(wǎng)購(gòu)普及等因素，使得國(guó)內(nèi)高校開展居家實(shí)驗(yàn)，有更大的可行性，美國(guó)教師在郵件里推薦的“低價(jià)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備”，在國(guó)內(nèi)的網(wǎng)購(gòu)平臺(tái)幾乎都有，而且大多數(shù)是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的；當(dāng)然，我們?cè)谶M(jìn)一步推廣居家實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，也得考慮學(xué)生的地域差異及經(jīng)濟(jì)實(shí)力。

3 一點(diǎn)思考

新冠肺炎疫情下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，受到非常大的挑戰(zhàn)，但卻也可能是我們解決學(xué)生實(shí)驗(yàn)綜合能力不足(譬如不會(huì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不善于交流討論等)的好機(jī)會(huì)，而不僅僅是為了去應(yīng)付“完成教學(xué)任務(wù)”。國(guó)內(nèi)部分高校也已經(jīng)開展非常好的實(shí)踐，也在努力研討、研究。基于很多老師的自發(fā)投入，也基于更多的有效合作，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在這次在線教學(xué)嘗試中得到很多啟發(fā)，值得在今后的教學(xué)改革中借鑒。中美交流，對(duì)于我們一起應(yīng)對(duì)新冠肺炎疫情，減少對(duì)教學(xué)、對(duì)人才培養(yǎng)的影響，是必要且有益的，而這樣的“交流”需要在平常打下更好的基礎(chǔ)，有更多的積累。

可能也正是因?yàn)榇蠖鄶?shù)美國(guó)高校中物理實(shí)驗(yàn)專職教師隊(duì)伍人數(shù)很少，物理實(shí)驗(yàn)教師圈一直就非常重視信息共享和協(xié)作。這方面，美國(guó)物理教師協(xié)會(huì)和美國(guó)科學(xué)基金會(huì)提供不少相應(yīng)的支持，物理教育資源共享平臺(tái)Compadre(https://www.compadre.org/)就是這類協(xié)作的一個(gè)成果；美國(guó)科學(xué)基金會(huì)每年都提供一定數(shù)量的與科學(xué)研究資助差不多強(qiáng)度的教學(xué)/教育研究項(xiàng)目，使得在線教學(xué)資源和教學(xué)研究工具等有“百花齊放”的特點(diǎn)，這些值得我們國(guó)內(nèi)教學(xué)圈的同行們借鑒和參考。