將大學物理實驗競賽題目引入互聯網教育模式下 選修課程的實踐與思考

郭亮 沈璐 申芳芳 張晶瑩 段學智

摘? 要：為充分發揮大學物理實驗在提高學生動手實踐能力，培養學生創新能力的作用，實踐了以吉林省大學物理競賽“物理微小形變量的測量”題目為大學物理實驗選修課程。在2個學期的教學實踐中，課程分為三個部分進行，網上教學是將課程的相關知識及視頻放在學校網絡教學平臺上，學生根據自己的情況自主學習;課堂實驗是根據學生不同的興趣點，教師因材施教，分組獨立完成實驗的設計，測量和誤差分析等;報告交流是學生根據自身實驗的設計，誤差處理等方面進行相互的交流學習。課程不僅充分發揮大學物理實驗競賽的作用，擴展大學物理實驗課程的廣度和深度，還培養了學生科學的習慣和思維方式，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：大學物理實驗競賽;大學物理實驗;選修課

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）25-0067-04

Abstract： In order to improve the students' practical and innovation ability， the elective course of physics experiments have been practiced with the subject of "measurement of small physical variables" of the undergraduate physics experiment Jilin province competition. In the two semesters of teaching practice， the course consists of three parts. Online teaching is to put relevant knowledge and videos of the course on the school's online teaching platform， and students learn independently according to their own circumstances; the teacher's experimental teaching is based on the different interests of the students. Students complete experimental design， measurement and error analysis in group. Communication is an exchange between students based on their own experimental design and error analysis. The courses not only play an important role in college physics experiment competition to expand the breadth and depth of university physics experiment courses， but also cultivate students' scientific habit and thinking mode， and have achieved good teaching effect.

Keywords： undergraduate physics experiment competition; college physics experiment; elective courses

大學生物理實驗競賽本著激發大學生對物理學和物理實驗的興趣，培養大學生知識綜合運用能力和實踐能力，提高大學生的創新意識和團隊協作意識目的，對發掘大學生潛能，促進物理實驗教學改革起著不可替代的作用[1]。然而參加省級比賽和國家級比賽的學生都是少數。這樣就出現2個問題：

一是在全校范圍內參與競賽的學生人數少，一些對物理和物理實驗有興趣的同學參與度不高[2]。故只通過物理實驗競賽的平臺很難達到培養大學生的目的。

二是對大學物理實驗教學改革的促進作用有待提高。大學生物理實驗競賽的競賽題目具有很好的知識性，創新性，綜合性等[3-4]。然而，題目一經采用，下次無法繼續使用。同時，由于教學大綱的要求，也無法進入常規課程體系中，對競賽題目來說是浪費資源。由于沒有具體的實踐教學，對教學改革的促進有限。

目前，大學物理實驗課時在教學改革中一直在縮減，很難兼顧課程在廣度和深度方面的要求。大學物理實驗選修課程不僅可以增加對物理實驗有興趣同學的課程，對大學物理實驗課程進行了很好的補充，還增加課程難度、拓展課程深度，切實提高課程教學質量。貫徹了2018年9月教育部下發了《教育部關于狠抓新時代

全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》的加強學習過程管理的精神。在選修課程中利用互聯網模式等教學手段，不但可以減少傳統教育模式大學物理實驗選修課程對師資資源的要求和提高成績評價管理。故將大學物理實驗競賽題目引入互聯網教育模式下選修課程是將大學生物理實驗競賽題目的資源與互聯網模式教學的有機結合。本文對該課程在實踐過程中各個環節進行了分析和對培養學生和教學改革方面進行了思考。

一、大學物理競賽與選修課程相結合

將大學物理實驗競賽引入互聯網教育模式下的大學物理選修課程，針對競賽培養學生和促進教學兩方面的問題，提出了很好的解決方案。首先選擇引入選修課程，這既不影響教育部對理工科學生關于正常的大學物理實驗課程的學習要求，也滿足了一些同學渴望學習物理和物理實驗知識的要求。同時，也使得擁有更多時間和空間空閑的物理實驗室得到更加充分的利用。其次，選擇互聯網教育模式，是為了充分發揮互聯網教育優質教育資源的共享利用，使學習活動與互聯網緊密結合[5]。互聯網教育模式不但可以減少傳統教育模式下大學物理實驗對師資資源的要求，還可以針對不同的同學進行有的放矢的學習，真正做到因材施教。將實驗競賽題目的實驗背景介紹，實驗基礎知識，實驗操作注意事項等相關實驗視頻放在網上教學。根據學生提出的問題進行解答，針對學生興趣點的不同，設置不同的實驗側重點。再次，在線下課堂完成實驗組隊，同一實驗針對不同的實驗小組，可以在實驗的創新性，實驗誤差處理等方面分別進行研究。而在實現小組內部，針對每一位同學分配不同的任務，提倡團隊合作精神，實現目標實驗的設計，測量和誤差分析等。課程的考核方式采用PPT現場報告和文字報告相結合的方式完成，讓不同組的同學進行相互的展示和交流。這種開放性的選修課既擴展大學物理實驗的深度，也起到了因材施教效果，培養學生綜合運用知識能力和實踐能力，提高學生的團隊協作意識，起到了很好的教學效果。

具體物理實驗競賽選修課程分成三個主要部分具體實施：

1. 課程基礎知識體系的介紹、相關原理的展開以及相關實驗視頻。（互聯網模式）

2. 提出實驗設計構想，實踐實驗裝置的制作，完成測試與分析。（團隊實踐合作模式）

3. 實驗總結，實驗的交流和展示，完成PPT報告。（展示交流模式）

二、以物理實驗競賽題目為選修課的實踐

以吉林建筑大學大學物理實驗選修課程中“物體微小形變的測量”的課程為例說明。題目“物體微小形變的測量”選自第二屆吉林省大學生物理實驗競賽題目，目

前選修課已完成2018-2019學年2個學期的課程。課程一共16學時，1個學分。共計64人完成了該選修課的學習。整個課程過程貫徹“因材施教、注重實效”的授課原則，以學生為主體、教師為主導，采用互聯網教育模式與傳統實驗教學有機結合的教學模式，拓展《大學物理》《大學物理實驗》課程知識廣度和深度，培養學生理論聯系實際的能力以及積極主動的探索精神。

（一）互聯網模式下課程基礎知識體系

對物體微小形變量測量的原理進行簡單介紹，從物體微小形變的概念開始，物體微小形變是指物體受力、熱等影響發生無法直接測量的微小形變。根據實驗室現有的基本條件對物體微小形變的測量可利用光杠桿原理放大法，電阻應變片測量法，邁克爾遜干涉法等。接下來對光杠桿原理放大法以及電阻應變片法進行詳細介紹、說明以及相關的視頻演示。具體有實驗原理、實驗操作及注意事項、實驗內容、線上作業、實驗設計方案和討論的問題等。這些讓不同專業和不同物理基礎的學生都能夠對基本的實驗原理進行掌握和了解。對在網上設置相關作業和討論內容，對學生的學習情況有一定的了解和掌握。

圖1 互聯網模式的物體微小形變量的測量課程

圖1所示為互聯網模式的物體微小形變量的測量課程，該網上課程也在2個學期的教學中，根據學生反饋的情況不斷完善。增加了相關的文獻，數據處理要點等知識點。然后再進入實驗室進行具體的實驗。在進行具體實驗之前要完成實驗的設計，主要是針對生活中物體微小形變量進行設計并測量。學生自行分組把設計好的實驗方案和所要研究的內容對老師進行一個匯報。并在老師的指導下進一步完善實驗的設計，明確實驗的目的。實驗基礎知識學習是學生自行在網上完成，老師講解和指導部分，占用4個學時。

（二）自主實踐模式下的實驗操作、測量與誤差分析

根據實驗室現有實驗條件，學生的設計主要有對不同材料微小形變量的測量等。例如利用擠壓可使得瓶子產生微小形變，但是由于實驗室無法對擠壓的力和具體的形變量進行測量而沒有進行。對不同材料，不同直徑金屬線進行測量，對不同光杠桿放大倍數的實驗進行測量，進行誤差分析，使得學生對測量誤差的理解更加直觀，更加深刻。本文中主要以二維片狀材料進行實驗舉例分析。

實驗測量日常生活中常見的不銹鋼板材料的微小形變。在不銹鋼板的一端通過改變施加的砝碼質量，使得不銹鋼板發生微小形變。通過不同質量的砝碼力定量對不銹鋼板的形變進行測量。測量分為兩個過程，一方面利用光杠桿原理放大法來測量鋼板的形變量;另一方面，利用電阻應變片法對微小形變進行測量。

圖2 不銹鋼板微小形變量實驗裝置圖

不銹鋼板微小形變量實驗裝置如圖2所示，在實驗裝置制作過程中，研究克服了多種的困難：1. 力的施加，采用不損害實驗材料的方法對不銹鋼板進行固定，具體操作是在鋼板的邊緣分別用卡扣固定，達到了固定鋼板的效果（如圖2中放大圖）。2. 光杠桿法部分，為防止光杠桿前端的滑動，在不銹鋼板上粘貼刻有凹槽的透明膠，使得光杠桿前端固定，達到了良好的實驗效果。3. 電阻應變片法部分，電阻應變片的粘貼，試用了多種粘貼方法，最后達到了較好的實驗效果。

在實驗測量過程中，不同的實驗小組針對不同厚度的不銹鋼板進行了微小形變量的測量。對于薄，中等，厚的不銹鋼板，分別以20g，100g，500g砝碼為遞進增加。電阻應變片法測量（如圖2中電路圖）所用的電阻應變片型號都是120-3AA。由于不銹鋼板形變變化很小，電阻應變片的阻值變化也很小，故將電橋裝置中電橋臂的比例調整為100倍。在調整好的實驗體統中，團隊合作，同時光學和電學的數據。以上部分理論要求8學時完成。

（三）PPT報告交流，實驗展示

學生很多時候實驗完成很好，但是并不能把自己做的事情表達清楚，所以選修課的最后環節是PPT報告。報告要把實驗內容很好的表達出來，以小組形式完成對實驗設計思路及改進的整理，對實驗過程及數據處理過程中遇到的困難和問題的解決，最后對整個實驗過程進行總結。在傳統課堂上往往總結交流過程總是欠缺的，選修課在這方面進行了很好的補充。以上部分要求4學時完成。

三、以物理實驗競賽題目為選修課的思考

以物理實驗競賽題目為選修課經過2個學期的實踐，因材施教，充分調動學生學習的積極性和潛能，取得了良好的教學效果，為學生提供了一個創新實踐的平臺，對學校參加各類競賽起到了很大的積極作用。課程同時對學生培養和促進大學物理實驗教學起到積極的作用[6]。

（一）學生選修以物理實驗競賽題目為選修課的意義

學生在課程過程中學習到了科學的思維方式，提升了實驗實踐能力和團隊協作能力，找到了物理實驗的樂趣。學生在學習過程中的轉變，變被動為主動學習，不只是為了學分，成績學習，傳統課堂中學生對一些只需要按照老師布置的內容參考教科書上的步驟，進行機械化的實驗操作不是很感興趣。學生對一些物理實驗課是枯燥無趣、簡單驗證性的實驗，也大多都是應付了事。而當真正需要學生動腦、動手去完成或者構想一項實驗時，學生往往是茫然不知所措的。而選修課激發了學生的興趣，這點可以從課程中學生想要完成實驗，測好數據，自主的小組討論，晚上還加班加點測試中看得出來，學生在實驗中找到了樂趣，挖掘了學生的潛能。學生真正做到了“教一學二考三”的要求。

（二）以物理實驗競賽題目為選修課對教學改革的意義

以物理實驗競賽題目選修課為契機，為學生提供了一個創新實踐平臺，同時在常規的大學物理實驗課程中促進一些原有的教學思維的改善，讓學生被動的學習轉變為主動學習，轉變傳統的教學方式，盡量減少老師講解和演示，讓學生自主學習，再獨立完成進行操作，提高教學效果。充分利用互聯網教育模式的特點，將基礎知識點，實驗視頻，一些擴展的文獻整理到網絡教學平臺上，通過網上測試和實踐操作相結合的方式對學生的基礎進行掌握。另一方面，課程對實驗教師有了更高的要求，老師既要熟悉基礎實驗測量知識，又要更加全面的了解實驗前沿，要求老師不斷學習。

四、結束語

本文實踐研究并思考了將大學物理實驗競賽題目作為選修課，采用互聯網教學與實踐教學相結合的課程模式。充分利用物理實驗競賽題目的知識性、趣味性和可實踐性的特點，激發廣大學生對物理實驗興趣的作用，讓更多的學生參與到物理實驗中來，為學生搭建能夠充分發揮創新和實踐能力的平臺。以學生主體、教師引導，因材施教，學生獨立完成實驗的方式，達到了良好的教學效果。同時對實驗課程廣度和深度的教學也是一個很好的補充。這種以實驗為主的選修課在培養學生的創新能力、解決問題的能力和團隊協作能力等方面發揮了重要作用。課程在實踐摸索中不斷完善，對大學物理實驗教學也有很大的促進作用，具有很好的推廣性。

參考文獻：

[1]周珺.以物理實驗競賽為抓手大學生實踐創新能力的培養[J].大學物理實驗，2018，31（04）：115-117.

[2]何仁生，皮斌斌，翦知漸，等.大學物理實驗競賽引起的反思[J].物理實驗，2018，38（12）：31-35.

[3]王槿，王錚，惠王偉，等.基于全國大學生物理實驗競賽命題導向的物理實驗教學探索[J].物理實驗，2019，39（10）：25-30.

[4]熊澤本，吳聰.談談參加物理實驗競賽的啟示[J].實驗室科學，2015，18（05）：228-230+233.

[5]沈璐，郭亮，段學智，等.互聯網教學模式下的大學物理實驗構建的思考[J].教育教學論壇，2018（21）：277-278.

[6]陳曉白，李寶河，李熊，等.大學物理實驗競賽對物理實驗教學的啟示[J].物理與工程，2017，27（S1）：172-174.