混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用探討

倪靜 徐秀蓮

[摘 要] 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)采用線下宅家實(shí)驗(yàn)和線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的形式。宅家實(shí)驗(yàn)是利用智能手機(jī)的多種傳感器和Phyphox軟件相配合，居家完成物理實(shí)驗(yàn);仿真實(shí)驗(yàn)利用虛擬仿真系統(tǒng)線上完成實(shí)驗(yàn)。作為一種新的教學(xué)模式，目前在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。同時(shí)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題以及應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，為進(jìn)一步將混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)列入正常教學(xué)計(jì)劃奠定基礎(chǔ)。實(shí)踐證明，開(kāi)發(fā)虛實(shí)結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)，對(duì)激發(fā)學(xué)生興趣、提高教學(xué)質(zhì)量有顯著效果。

[關(guān)鍵詞] 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);混合式教學(xué);教學(xué)方案;宅家實(shí)驗(yàn);仿真實(shí)驗(yàn)

[基金項(xiàng)目] 2014—2016年青年科學(xué)基金項(xiàng)目“基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方法研究蛋白質(zhì)分子體系功能運(yùn)動(dòng)的別構(gòu)機(jī)制”（11305139）

[作者簡(jiǎn)介] 倪 靜（1974—），女，江蘇揚(yáng)州人，學(xué)士，揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)員，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)管理和教學(xué)研究;徐秀蓮（1978—），女，江蘇姜堰人，博士，揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授，主要從事復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方面的研究。

[中圖分類號(hào)] G642.41? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）20-0153-04? ?[收稿日期] 2021-02-08

新冠疫情爆發(fā)后，教育部于2020年2月4日印發(fā)了《關(guān)于疫情防控期間做好普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》，決定在全國(guó)高校實(shí)施在線教學(xué)，其中既包括理論課，也包括實(shí)驗(yàn)課。指導(dǎo)意見(jiàn)發(fā)布后，各地高校快速響應(yīng)，按照“停課不停教、停課不停學(xué)”的要求，制訂在線教學(xué)方案。

一、教學(xué)方案

面對(duì)疫情，特別是實(shí)驗(yàn)課程，脫離了實(shí)驗(yàn)室能不能進(jìn)行在線教學(xué)？怎樣進(jìn)行在線教學(xué)？在線教學(xué)效果如何？這些問(wèn)題對(duì)全體實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師而言都是一次全新的探索和挑戰(zhàn)。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是一門實(shí)踐性課程，不等同于理論課教學(xué)，其教學(xué)的核心任務(wù)是通過(guò)對(duì)儀器設(shè)備的具體操作，達(dá)到鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的目的。作為省級(jí)教學(xué)示范中心，物理學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心面向全校理、工、農(nóng)、醫(yī)、廣陵學(xué)院近30個(gè)專業(yè)開(kāi)設(shè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程。

在實(shí)驗(yàn)課程停擺的四周里，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)迅速行動(dòng)起來(lái)，通過(guò)開(kāi)展線上線下教學(xué)研討，借鑒學(xué)習(xí)全國(guó)高校優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)，統(tǒng)一思想，最終制訂了線上實(shí)驗(yàn)和線下實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的混合式教學(xué)方案，采用網(wǎng)絡(luò)錄播+宅家實(shí)驗(yàn)+虛擬仿真+釘釘群答疑的教學(xué)模式[1-4]。網(wǎng)絡(luò)錄播用于緒論課，講授數(shù)據(jù)處理的方法、實(shí)驗(yàn)理論及操作的講解、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的問(wèn)題總結(jié)，全方位助力學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理、完成實(shí)驗(yàn)操作、解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題。宅家實(shí)驗(yàn)主要采用智能手機(jī)+Phyphox軟件，由學(xué)生準(zhǔn)備少量的實(shí)驗(yàn)器材，自主搭建實(shí)驗(yàn)裝置，宅家完成實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)一步深入理解實(shí)驗(yàn)原理。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)使用了“科大奧銳虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，在計(jì)算機(jī)上用虛擬仿真技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)實(shí)效果，學(xué)生不離家即可完成實(shí)驗(yàn)。課程團(tuán)隊(duì)教師除了每天在評(píng)論區(qū)點(diǎn)評(píng)互動(dòng)之外，還利用釘釘群隨時(shí)解答學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)交流。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（一）宅家實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

特殊時(shí)期，學(xué)生離校在家，無(wú)法利用學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)。在這種情況下，我們需要轉(zhuǎn)變思路，充分利用身邊的設(shè)備完成物理實(shí)驗(yàn)。智能手機(jī)的普及為我們開(kāi)展宅家實(shí)驗(yàn)提供了條件。現(xiàn)在的智能手機(jī)除了常用的麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、相機(jī)、GPS定位系統(tǒng)，還自帶多種傳感器，如壓力、光強(qiáng)、加速度、濕度、磁力、距離、重力、溫度傳感器等，配合一款基于智能手機(jī)的軟件——Phyphox，就可以直接訪問(wèn)手機(jī)的傳感器，并將原始數(shù)據(jù)和結(jié)果一起導(dǎo)出并進(jìn)行分析，也可用電腦控制手機(jī)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)Phyphox網(wǎng)站的網(wǎng)頁(yè)編輯器建立實(shí)驗(yàn)視圖。同學(xué)們可以根據(jù)不同傳感器的功能完成不同的實(shí)驗(yàn)。相關(guān)傳感器原理及應(yīng)用見(jiàn)表1。

依據(jù)教學(xué)大綱要求，共開(kāi)設(shè)了7個(gè)宅家實(shí)驗(yàn)，分別是：用手機(jī)屏幕光柵衍射測(cè)激光波長(zhǎng)、影響光照度的可能因素探究、單絲衍射、用單擺測(cè)量重力加速度、透鏡焦距的測(cè)量、多普勒效應(yīng)的研究、節(jié)拍現(xiàn)象研究。下面以多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)為例，介紹宅家實(shí)驗(yàn)。Phyphox軟件包含“音頻發(fā)生器”，它可以發(fā)出0～20000Hz單一頻率、連續(xù)可調(diào)、無(wú)雜音的聲音;還包括“音頻自相關(guān)”，可以顯示聲音的波形與頻率，作為測(cè)量聲音頻率的儀器。利用家里的椅子、棉線、兩部智能手機(jī)，就可以完成多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。兩部手機(jī)實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)：一部手機(jī)作為聲源（3000Hz）固定不動(dòng);另一部手機(jī)作為接收裝置，靠近聲源或遠(yuǎn)離聲源時(shí)，接收到的波形和頻率都會(huì)發(fā)生變化，實(shí)驗(yàn)效果非常明顯，驗(yàn)證了多普勒效應(yīng)。所測(cè)頻率如圖2、3所示。

實(shí)驗(yàn)前，將講義上傳至群文件，包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及詳細(xì)的操作步驟，方便學(xué)生提前預(yù)習(xí)，避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)誤操作的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，學(xué)生通過(guò)釘釘群隨時(shí)提問(wèn)，師生互動(dòng)討論解決問(wèn)題，確保每位學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的所有環(huán)節(jié)。

（二）仿真實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

仿真實(shí)驗(yàn)不需要普通意義上的實(shí)驗(yàn)器材，僅利用仿真技術(shù)，建立虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以在這個(gè)環(huán)境中自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、擬定實(shí)驗(yàn)參數(shù)、操作儀器，模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，營(yíng)造了自主學(xué)習(xí)的環(huán)境。仿真實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間和地域的限制，隨時(shí)可以完成線上實(shí)驗(yàn)。

本中心引進(jìn)了“科大奧銳虛擬仿真系統(tǒng)”。該系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)第一套虛擬現(xiàn)實(shí)型的教學(xué)軟件，目前已推出多個(gè)版本。它分為力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、電磁學(xué)和近代物理六大類共計(jì)59個(gè)實(shí)驗(yàn)。

本次選擇了7個(gè)與現(xiàn)用物理實(shí)驗(yàn)教材[5]內(nèi)容一致的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，分別是：落球法測(cè)定液體的黏度、三線擺法測(cè)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、基本電學(xué)參數(shù)測(cè)量、邁克耳孫干涉儀、示波器實(shí)驗(yàn)、聲速的測(cè)量、用拉伸法測(cè)楊氏模量。各專業(yè)的學(xué)生先通過(guò)軟件熟悉實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)步驟，然后點(diǎn)擊開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，通過(guò)拖動(dòng)鼠標(biāo)連接儀器、設(shè)定參數(shù)、調(diào)節(jié)儀器、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖4所示。