CUPT模式下的居家物理實驗線上教學實踐

蒲賢潔 吳小志 楊駿駿 王少明 方澤昊

(重慶大學1物理學院;2物理實驗國家級實驗教學示范中心;3能源與動力工程學院,重慶 401331)

CUPT(China Undergraduate Physics Tournament)模式,是近年來重慶大學物理學院在《大學物理》和《大學物理實驗》課程改革中,逐步探索并完善的一種研究性教學模式[1]。在探索過程初期,以基礎物理實驗室為載體的CUPT 模式研究性教學實踐統(tǒng)計結果表明,實驗室固定的實驗儀器和實驗方案限制了學生在知識運用和實驗設計這兩方面的能力提升,不能較好地發(fā)揮CUPT 模式自主研究探索的優(yōu)勢。

2020年春季突發(fā)的新冠疫情,阻斷了師生返校正常行課的教學計劃[2]。響應教育部“停課不停學、停課不停教”的號召,線上教學從過去的輔助地位轉為了特殊時期的主流手段,給學校教育帶來機遇與挑戰(zhàn)。隨著疫情防控勢態(tài)的發(fā)展,各高校形成并適時調整教學方案,圖1所示為重慶大學物理實驗課程在此期間形成的教學方案,主要分為四個階段:由網絡直播、虛擬實驗、居家實驗到返校后的線下實驗,構成適應線上、虛實結合、回歸線下的特殊時期物理實驗教學體系。由科大奧銳公司提供的虛擬仿真實驗平臺及時開啟了實驗教學線上教育新模式,學生的學習和操作效果可以結合系統(tǒng)評分進行評判。居家實驗因其實地操作性彌補了虛擬仿真實驗缺乏真實感、自主性低而限制性強等缺陷,但因實驗操作在時間、空間上的師—生及生—生分離,使其在教學成效的檢驗方面存在困難。

本文探索將CUPT 模式研究性教學、居家物理實驗、線上教學三者有機結合,通過在時間、空間維度上拓寬物理實驗教學的操作和檢驗范圍來化解特殊時期的實驗教學困境。并通過與前期線下CUPT 模式研究性實驗教學實踐效果進行對比,探討居家實驗項目在CUPT 模式研究性實驗教學中的積極作用。

1 教學設計

1.1 CUPT模式遷移

CUPT 中文全稱為“中國大學生物理學術競賽”,是借鑒國際青年物理學家錦標賽(International Young Physicists' Tournament,IYPT),由南開大學于2008年首次引入國內[3]。CUPT 針對17個開放性的問題(沒有標準答案),要求學生既分工、又合作,就賽題的基本知識、理論分析、實驗研究、結果討論等進行辯論性比賽。這種競賽方式很好地強調了學生的自主性,突破了傳統(tǒng)理論和實驗教學的框架,更加注重綜合能力的培養(yǎng)[4-7]。

重慶大學自2012年首次組隊參加CUPT,至今已連續(xù)參加十屆。通過CUPT 培養(yǎng)拔尖本科生的同時,我們也在逐步探索將其回饋第一課堂,并于2017年起在《大學物理實驗》教學中進行試點改革[1]。為適應基礎物理實驗教學,采用常規(guī)實驗項目和學生組隊完成實驗、撰寫實驗報告后進行辯論式答辯的模式。然而,在基礎物理實驗項目框架下,現成的實驗儀器、統(tǒng)一的實驗方案、固定的實驗步驟,限制了學生的自主性和創(chuàng)新性,因而難以發(fā)揮CUPT 模式的最大效能[8-10]。

突如其來的疫情變故既是挑戰(zhàn)也是機遇。居家實驗項目脫離了實驗室環(huán)境,沒有專業(yè)儀器設備的支撐,依靠發(fā)掘生活中可以利用的工具搭建實驗裝置,從而也減少了思維上的束縛,滿足培養(yǎng)學生自主能力的需求,因而具備作為CUPT模式研究性實驗項目的要素。而可能存在限制的是因居家隔離無法實現的現場面對面辯論。回歸線下CUPT的開展,其本身具有實驗探索和效果檢驗這兩個過程在時間、空間上分離的特征,如圖1 所示。將CUPT的“校內實驗+賽場檢驗”,遷移為“居家實驗+線上檢驗”模式,開展物理實驗的居家環(huán)境中操作和線上展示辯論,解決居家實驗的效果檢驗問題。

1.2 CUPT模式-居家實驗-線上的結合

在CUPT 模式指導下,為形成教學班級之間的對抗形勢,以2 個教學班(材料10 班、能動06班)為例,向2個班學生發(fā)布4個居家物理實驗題目,分別為:單擺測重力加速度、光柵衍射測屏幕分辨率、空氣中聲速測量、透鏡焦距的測量(注:這4個題目為重慶大學物理實驗中心組織任課教師從開發(fā)建設的8個居家物理實驗題目中選出)。4個題目分兩輪,按每輪2個實驗項目開展,如圖2所示。每個班分為2個隊,共4個隊,每隊指派1名隊長,由隊長負責隊員組織和隊內分組分工。兩輪的場次和題目分配如圖2所示,4個隊在兩輪中都會經歷正方、反方各1次,每一場題目的正方和反方來自兩個不同的班。

圖1 疫情防控期重慶大學物理實驗教學方案

圖2 CUPT 模式下的居家物理實驗線上教學開展流程

發(fā)布題目和分組后,4個隊根據發(fā)布內容(題目、基本原理簡介),在每輪2周的準備時間里,自主討論、查閱資料、選擇器材、確定方案、搭建裝置、測試數據、錄制視頻、分析數據、制作PPT 后進行線上辯論。

辯論在騰訊會議平臺上開展,學生的展示內容包括PPT 講解和直播實驗(或錄制的視頻),每輪辯論均邀請了4位評委進行打分和點評,其中2位評委為上一學期剛修完大學物理實驗課程的學生擔任的助教(1人為CUPT模式研究性實驗教學教改班學生,1人為普通教學班學生);1位評委為《大學物理》任課教師(也是CUPT 國賽、SWUPT西南地區(qū)賽裁判和教練);1位評委為《大學物理實驗》任課教師。

2 CUPT模式的線上辯論

2.1 線上辯論流程

圖3 騰訊會議平臺上的線上辯論流程

騰訊會議平臺上的線上辯論流程如圖3 所示。由這兩個教學班的任課老師主持,包括開場介紹、整個過程的時間把控、全程記錄、調節(jié)辯論中的節(jié)奏氛圍等。每一輪分為兩場,每場1個題目共50min。正方陳述展示中可以采用PPT 講解實驗原理、所選用實驗器材、系統(tǒng)搭建、關鍵環(huán)節(jié)和數據處理分析,并以錄制視頻或直播實驗的方式,呈現給反方和評委;而反方也可以在準備提問的5min內展示自方的實驗關鍵環(huán)節(jié),教師就可從中檢驗雙方開展居家實驗的效果,達到第一層目的。而雙方的質辯和自由討論則有利于使原本極易陷入誤差困境的居家實驗往精確細化方向發(fā)展,并可能發(fā)掘出新問題或者新方案。整個過程中,正、反方的陳述、組織、PPT 制作、實驗環(huán)節(jié)展示、提問、答辯、總結都將綜合體現學生的分工合作、對知識的掌握和運用、實驗設計能力以及所付出的努力,而評分細則也是圍繞這些方面制定,如表1所示。每一場題目的最后,設計了評委提問、點評環(huán)節(jié),具有不同背景的4位評委,或將從物理理論、實驗操作、CUPT 賽事等不同角度進行全方位的分析,有利于培養(yǎng)學生的綜合素質和實踐創(chuàng)新能力,從而達到第二層目的。

表1 線上CUPT模式辯論評分細則

續(xù)表

每一輪的兩場題目完成后,4位評委分別根據自己的評分對4個隊進行排序,私信發(fā)給主持人后,主持人將每隊獲得的4個序號數值相加作為該隊的計分,計分數值越小則排名越靠前,如表2所示。

表2 評委排序匯總及計分、排名

2.2 學生展示——以透鏡焦距測量為例

在線上辯論中,每一場題目,正、反方在內容組織、語言表達、實驗展示、自由討論環(huán)節(jié)都表現出了接近CUPT 全國賽的水平(其中1 位擔任CUPT 裁判的評委點評)。以透鏡焦距測量為例,發(fā)布居家實驗題目時僅要求了二次成像法,正方卻采用了自準直法、物距像距法和二次成像法這三種方法,從原理到實驗均按照隊里三個分組一一進行展示,并分析了三種方法的優(yōu)缺點和誤差來源,這讓反方一開始感到措手不及。但是經過短暫時間的討論后,反方迅速組織直播實驗,利用中學時期購買的物理實驗包中的透鏡工具(圖4(a)所示),配合快速的作圖,指出并說明正方在簡陋實驗條件下等高共軸調節(jié)方面的不足,還提出了改進方案(圖4(b)所示)。該方案中,首先將激光筆開關開啟,放置在平臺上,利用手機水平儀調節(jié)平臺的前后高度,使激光光線保持與地面水平,標記激光在墻上的光點位置A;然后放置透鏡,此時光線在透鏡作用下會發(fā)生偏折,標記墻上的光點位置B;調節(jié)透鏡高度,使光點在墻上移動與A點重合,根據圖示可以發(fā)現光線是通過中心的,再將光源安放在激光筆的位置,激光筆則向左平移,這時可在透鏡上安裝磨砂塑料片,激光會在塑料片上產生光點,標記光點位置,并保證實驗過程中移動透鏡時光點在塑料片上的位置不改變,在沒有光具座的情況下盡量做到等高共軸。

3 量表與統(tǒng)計分析

圖4 線上辯論學生展示內容(以透鏡焦距測量為例)

圖5 居家物理實驗線上CUPT 模式辯論調查問卷(七點量表形式)

為了考查CUPT 模式下居家物理實驗線上教學的效果,在“問卷星”網絡平臺采用李克特七點量表形式編制了調查問卷,每輪結束后發(fā)放給參與者,如圖5所示,為第一輪線上辯論后發(fā)放給參與學生和評委的問卷內容。選項1～7表示受測者對該項陳述的認同程度,分數越高,受測者的感受越符合當前描述。本次問卷內容的設計參照了CUPT 模式研究性實驗教學探索初期的問卷調查內容[1],第1、2題是針對每輪開展的兩個居家實驗項目具體內容設置;第3～6題是考查學生通過這項教學活動在文獻查閱、文獻分析、知識運用、實驗設計方面獲得的能力提升,以便與前期開展的線下基于基礎大學物理實驗內容的CUPT 模式研究性實驗教學進行對比研究[1];第7、9題記錄參與的題目、小組和學號,用于統(tǒng)計分析;第8題填寫建議,學生普遍反映這種形式的實驗教學“對自主學習能力和團隊協(xié)作能力的提升有很大幫助”,也有學生經過思考提出“討論的成分應該大于辯論的成分”……參與者的感悟和建議對于持續(xù)改進CUPT 模式研究性實驗教學具有非常重要的意義。

兩輪問卷調查統(tǒng)計結果如圖6所示,分析可得:(1)所有題項平均分都高于中間分值4分,整體評價偏正面;(2)自己親自參與的居家實驗項目,評分高于未參與而旁聽觀戰(zhàn)的項目,例如圖6(a)中,重力加速度正、反方在量表第1題“重力加速度”問題的評分高于其在第2題“屏幕分辨率”問題的評分,而屏幕分辨率正、反方在量表第1題“重力加速度”問題的評分則低于其在第2題“屏幕分辨率”問題的評分,圖6(b)同理可得相同結論;(3)第一輪的兩場題目(圖6(a)上、下圖),反方均值高于正方,分析可知這是由于反方在參與過程中需要尋找問題而更加細致,這點由學生填寫的建議“作為反方做實驗的時候,比自己做實驗更加注重細節(jié)”得到印證。然而對于第二輪(圖6(b)),這個現象不統(tǒng)一,排除小組的評分習慣(例如:第一輪重力加速度正方即為第二輪透鏡焦距反方,評分習慣性偏低),在知識運用和實驗設計方面,反方評分都具有高于正方的趨勢;(4)圖6(c)所示為學生評價和評委評價綜合統(tǒng)計結果,評委和學生的評分均值趨勢一致。由于學生樣本量較評委大,所以標準差較小,特別是評委在關于文獻查閱、文獻分析、知識運用方面的評價標準差較大,這與四位評委的背景有關;(5)不管是評委還是學生,在知識運用、實驗設計方面的評價,都高于文獻查閱、文獻分析,對比于前期線下CUPT 模式教學問卷后測(圖6(d))[1],出現了反轉,說明居家實驗項目內容和線上CUPT 模式結合,在知識運用和實驗設計上,能更好地調動學生的積極性和自主性,而線下模式中實驗室固定的實驗儀器和實驗方案限制了學生這兩方面能力的提升,不能較好地發(fā)揮CUPT 模式自主研究探索的優(yōu)勢。因此,居家實驗的開放環(huán)境、CUPT 模式的自主基調、線上展示的自由發(fā)揮,三者有機結合,極大地發(fā)揮了CUPT模式的效能。

圖6 問卷統(tǒng)計

4 結語

本文在2020 年疫情變故帶來的挑戰(zhàn)和機遇中,將CUPT 模式研究性教學、居家物理實驗和線上教學三者有機結合,開展CUPT 遷移模式的物理實驗居家環(huán)境操作和線上展示辯論,化解特殊時期的實驗教學困境。實踐表明,CUPT 模式可以在時間、空間維度上拓寬物理實驗教學的操作和檢驗范圍。進一步的量表評價對比研究,說明脫離了實驗室環(huán)境的居家物理實驗項目在知識運用和實驗設計方面,能更好地發(fā)揮CUPT 模式培養(yǎng)學生自主研究探索能力的效能。因此,居家物理實驗不僅可作為特殊時期的必要教學方案,亦可作為CUPT 模式研究性實驗教學的常規(guī)項目。本項教學實踐的教學設計、開展流程及量表統(tǒng)計分析結果,將為后疫情時期的研究性實驗教學和學生綜合素質及實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供參考。