大學物理實驗線上教學模式探討

陳麗娜

(南京郵電大學理學院，江蘇 南京 210023)

0 引言

大學物理實驗是理工科大學生必修的一門實踐類課程，旨在學習正確使用儀器設備，對認識和理解現實世界的相關實驗現象進行測量、分析和判斷。相比于理論課程，實驗類課程需要場地和器材支持，開展單一的線上教學難以達到線下實踐教學預期效果。本文調研了我國各高校在開展大學物理實驗線上教學采取的教學手段，針對其不足，提出了一些對策和建議，以便對當前實驗類課程教學起到一些指導性幫助。

1 目前我國各高校大學物理實驗開課形式

近年來，各地知名高校線上教學案例分析來看，我國各高校大學物理實驗開展網上授課方式主要有四種形式：錄播、直播、居家實驗和虛擬仿真[1-3]。對于大學物理實驗課程的理論和基礎知識部分，基本上采取錄播和直播相互結合的方式。錄播主要是老師課前預先錄制好課件視頻、慕課平臺或高校自建網絡平臺上已有的視頻課程，在網上課堂進行播放，提問和討論。例如作者所在南京郵電大學的大學物理實驗課程就放在中國大學MOOC 平臺上，該課程同時面向本校學生和校外學生，學生可以根據自己的時間進行課前預習和課后復習，線上課堂上可以與老師同學互動實現翻轉課堂，課后線上提交作業和提問等。除了上述錄播方式，高校教師可以使用釘釘課堂、騰訊課堂、騰訊會議等互動直播平臺進行在線直播教學。為貼近學生網絡習慣，部分高校教師使用一些很受歡迎短視頻直播平臺進行直播授課，通過彈幕與學生線上交流，以便增強學生對課程參與積極性和學習興趣。錄播和直播相結合的線上教學模式能滿足理論性課程的教學要求，并達到較好的教學效果。

但對于大學物理實驗這類實踐性課程而言，無論是錄播還是直播課只能用于講授實驗緒論課、誤差理論、數據處理方法、實驗背后的理論知識，以及實驗數據分析和答疑，但無法讓學生自己進行實際的實驗操作、觀察和數據采集等。為此，一些高校采用了居家實驗或者虛擬仿真來補充大學物理實驗課程所涉及實驗操作、觀察和數據采集等實踐問題。居家實驗就是讓學生自己在家進行各種物理實驗。更具體來說，就是依據課程學習目標要求，實驗教師根據學生在家環境條件開發安全可行的居家實驗項目。居家實驗項目需要經過實驗教師預先測試，與學生討論確保方案可行，再安排給學生并附上一定實驗指導和要求等資料。居家實驗主要的特點是使用家里常用的設備或生活工具，或可以在商店和網上低價購買。居家實驗的開展基于兩個基本理念：1）鼓勵學生思考、善于發現和使用日常用品，如家用電子稱、卷尺、手電筒、鏡子、手機等物體；2）研究自然物理世界并不總是需要使用昂貴的設備和器材。事實上，17 世紀著名的物理學家伽利略·伽利萊和艾薩克·牛頓使用相對簡單的測量儀器，分別在天文學和力學取得了舉世矚目的成果。如果用日常物品來“做”物理學，還能使物理學不再是抽象的概念。日常生活觀察到許多“神奇”現象，都能通過其背后物理定律給出完美解釋。例如：激光照射到光盤后反射產生的漂亮的衍射斑點或條紋；三線擺測定物體轉動慣量等等。此外，居家實驗裝置需要學生根據各自家里現有條件自行搭建，可以更好的提高學生思考和設計實驗的能力，不僅能培養學生分析問題和解決問題的能力，還能加強學生的實際動手能力。

除了居家實驗教學，高校教師還積極開發和尋找合適的虛擬仿真項目讓學生在線虛擬實驗。目前，國內外已有多家知名虛擬仿真教學平臺，例如：科大奧銳的虛擬仿真實驗，nobook.com,nanohub.org,ophysics.com 等虛擬仿真網站已被廣泛用于物理學、化學、生物學及數學等自然科學的教學和科普。盡管虛擬實驗室不能完全取代傳統物理實驗室，虛擬實驗室可以很好地輔助物理實驗室，更好地加深學生對實驗觀察到的物理現象背后物理定律的理解。

2 目前開課線上實驗課程存在的問題和解決方案

目前，高校線上開實驗課的基本采用以上四個方式：錄播、直播、居家實驗和虛擬實驗，但是每個方式都存在著各自的問題。總的來說，錄播和直播缺少老師與學生之間課間交流和互動,少了面對面的關注,讓學生感受到的教育溫度不夠。錄播和直播只能完成理論講解，而無法讓學生動手進行獨立操作，因而無法達到大學實驗這門實踐課程培養學生的科學實驗動手和解決實際問題的能力。而居家實驗存在問題有：1、家用測量器件精度和可操作性差，導致測量結果偏差大和重復性不高，使學生難以獲得正確的實驗結果，不利于學生對物理實驗背后機制或效應的理解；2、考慮到安全和精度問題，只有少數力學實驗可以設計為居家實驗，而多數的光學和電學實驗無法安排居家實驗。虛擬仿真目前面臨的主要問題為國內高質量的公益免費虛擬仿真平臺非常之少。針對上述線上大學物理實驗課程所面臨的具體問題，我們總結了如下應對策略。

針對錄播和直播所面臨的問題，實驗教師可以充分利用國內眾多網絡教學平臺上的優質課程資源讓學生進行課前和課中預習和自學，實驗教師再利用在線互動直播平臺與學生進行在線翻轉課堂教學互動，增加學生上課的參與度。

針對居家實驗特點，實驗教師可以積極尋找和思考一些可替代傳統下線的實驗項目作為對應的居家實驗。通過大量的文獻和資訊調研后[5-12]，作者列出了一批優秀的居家物理實驗目錄如下：1、單擺測重力加速度；2、時間測量中隨機誤差的分布規律；3、用phyphox 研究彈性球的非彈性碰撞；4、用視頻追蹤法測量加速度；5、向心加速度與角速度；6、多普勒效應；7、楊氏模量測量實驗；8、液體表面張力系數測定；9、氣體狀態方程驗證實驗；10、固體表面的浸潤；11、表面張力與曲率；12、測量地磁場實驗；13、磁力電流計實驗；14、手機心電圖；15、顯微鏡和望遠鏡的設計與制作；16、小孔衍射實驗；17、光柵衍射；18、雙縫干涉；19、駐波法測聲速等。

針對虛擬仿真實驗，除了購買和自主搭建仿真實驗平臺外，還可積極總結一些優秀公益免費網絡仿真實驗平臺提供給學生使用。目前，國內外優秀的公益免費網絡仿真實驗平臺有：電學相關的nobook.com物理實驗;國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺；nanohub.org;ophysics.com;phet.colorado.edu 等。

3 混合式線上大學物理實驗教學案例分析

現以南京郵電大學開設的大學物理實驗為例，具體介紹如何使用混合式線上教學方案進行線上實驗教學。表1 為南京郵電大學開設的春季和秋季大學物理實驗課程內容，包括緒論，力、熱、聲、光、電等多種經典實驗項目，表中第一和第三列為常規線下實驗具體內容名稱，第二和第四列為對應的線上模擬仿真實驗或居家替代實驗。采取這些在線直播錄播、國內外仿真平臺和開源軟件及居家替換實驗等多種混合式線上教學方案，可以很好地滿足諸多理工科大學開設的各類大學物理實驗線上教學要求和目的。

表1 南京郵電大學開設的大學物理實驗內容和對應的線上混合教學提案

總而言之，單一使用線上的錄播或直播方式，顯然不能滿足理工科院校開設的大學物理實驗課的教學要求和目的。雖然居家實驗能極大提高大學生的動手實踐能力，但只有很少部分物理實驗滿足居家實驗對實驗器材和安全的要求，且其取得的結果還存在較大誤差或錯誤等問題。相比而言，虛擬仿真實驗可以提供功能強大的低成本教學資源，使學生不受器材、場地及安全因素限制開展相關線上仿真模擬實驗。本文的目的是在疫情流行和后疫情的背景下評估大學物理實驗課程的教學方法改革的可行性。通過調研，我們發現基于在線直播、錄播共享、免費公益模擬仿真平臺，以及居家替換實驗等多種資源相結合的線上教學方案，可以滿足國內理工科大學開設的大學物理實驗的線上教學要求，達到培養大學生的科學實驗能力的目的。