數字化實驗平臺在大學物理實驗教學中的探索與實踐

摘要：物理實驗的學習對學生進一步掌握物理理論知識，深化物理理論的思考有很大的幫助。不同的教學模式對學生的培養效果不同，而進行大學物理實驗多種教學模式的混合實施對學生的思考和創新能力會有良好的效果。本文對比了傳統大學物理實驗模式和數字化實驗教學模式，分析了兩種教學模式的特點，并從實踐上驗證了PASCO數字化實驗平臺能較好地提高學生的創新能力和學習效果。

關鍵詞：PASCO物理實驗；大學物理實驗；實驗教學模式

中圖分類號：O642.0文獻標識碼：A

一、物理實驗教學

實驗教學在提高學生的動手能力，改善學生的創新思維上有積極的作用。因而如何更好地開展實驗課程，改進實驗教學，對學生的能力培養有很大的幫助作用。由于當今世界的科學技術的迅速發展，軟件、信息、網絡、半導體器件等高新技術的革新速度越來越快，社會對于人才培養的要求也相應提高。因而在當下嚴峻的競爭環境中，如何適應社會的需求去培養學生，則是學校教學改革思考中一個普遍面對的內容。

大學物理實驗作為基礎實驗，在增加學生對物理概念的理解方面扮演著重要的角色，在學生磨煉自己的科學研究能力上也有很大的幫助。這些實驗給學生提供了實際操作設備的經驗，給予他們應用理論概念、分析數據進而得出有用結論的機會。此外，大學物理實驗還能在理論和實踐之間架起橋梁。由于課程和課本只給學生提供一些理論性的知識，實驗則讓學生能夠直觀地看到這些理論概念在實際生活中的應用。通過動手操作實驗儀器，學生可以觀察現象、改變某些實驗變量以及驗證某些猜想，這種直接的體驗可以幫助他們鞏固思想并激發他們科學思考的能力。

物理實驗教學同樣幫助學生磨煉了科學研究及多種專業領域里需要用到的相關技能，這些技能包括設計實驗、數據搜集和分析以及對實驗結果進行科學的評估。通過計劃、實施和分析實驗，學生會學習到如何闡述問題、設計恰當的研究方法和解釋實驗獲得的數據。這些技能不僅會對學生將來學習物理有有益的幫助，還會讓學生在其他需要分析思維和解決問題能力的職業以及科學技能的訓練中游刃有余。物理實驗同樣促使大學生具有一種好奇而嚴謹的探索精神。通過實驗操作，學生會更有提出問題、開拓新想法的熱情，繼而對實驗的研究對象有一個更深刻的理解。他們學會了如何把猜想條理化、通過實驗試探答案和批判性的評估實驗結果。這種受好奇心驅使的學習經歷不僅能增強學生的物理知識，還能讓學生對科學探索和科學發現抱有一份終生的熱情。

更進一步來看，大學階段的物理實驗教學讓學生參與團隊合作、加深組員交流并體驗協同工作的氛圍，從而豐富他們在這些情境下的經驗。很多物理實驗都需要學生作為團隊中的一員開展工作，這種團隊合作的環境也對他們將來職業生涯的發展有很大的幫助。而學生在動手操作實驗儀器時，往往能夠主動收集實驗設備的相關信息，結合物理理論知識對實驗數據進行深入的思考分析。未來學生在面對更復雜的問題時，這種分析問題、解決問題的能力會幫助他們更好地找到方向，這種能力是符合國家對創新型人才的需求的。［1］當然，目前普遍的大學物理實驗教學模式只能部分滿足這種培養需要。因而，結合新型的實驗平臺，研究新型的實驗教學模式，將傳統實驗教學模式與新型實驗教學模式相結合，則會更好地培養學生的綜合能力。

二、傳統實驗教學

為了讓學生能夠親自動手操作實驗，并從實驗操作中獲得對實驗對象的深入理解，學校很長時間以來都是在大學物理實驗課程中采用傳統的實驗教學手段。雖然這些實驗教學方法為學生的學習帶來了很多好處，但客觀地認識到這種教學方法的不足之處對更好地促進學生能力的發展也會有很大的幫助。

（一）傳統實驗教學的優點

由于使用可以直接進行實驗教學的實驗儀器，大大縮短了教學準備時間，且傳統實驗教學模式經歷了長久的發展，相關內容經過多年的積累已非常成熟。教師在進行傳統教學的過程中，如果遇到相關的問題，也有以往的很多教學經驗可以參考。學生使用成熟的實驗儀器進行實驗的過程中，也能從網絡中尋找類似的資源，從而方便實施學生自己的學習計劃。

傳統實驗教學采用的成熟實驗儀器可以使教學活動迅速展開，學生能夠從這些實驗儀器本身的設計思路上學習老一輩物理學家搭建實驗的技巧，這些巧妙的實驗設計能夠啟發學生的思維，學生操作過程中能夠再次體會到理論與實驗的完美結合。這種思想是以這些實驗儀器為載體的。這些承載在實驗儀器上的物理思想，通過儀器本身而傳遞，讓一代又一代的學生在操作過程中完成這種人類璀璨知識結晶的傳承。

同時，動手操作實驗設備也使學生能夠將理論概念應用到真實的物理現實中，從而獲得對物理法則和理論應用更直觀實用的理解。這種理論同實驗的結合讓學生無意間就把各種復雜的概念融會貫通并能夠牢牢地保存在記憶深處。物理實驗還能鍛煉學生動手解決問題的能力。在設計實驗環節，履行操作步驟的過程中，一旦在某個操作環節遇到故障，都需要學生運用縝密的思維去排查可能的問題。科學嚴謹的思維、正確有效的推理思路都會在這一階段讓學生獲得鍛煉和發展，而有些困難還需要學生們互相幫助協作才可能解決，這樣就培養了學生在團隊中的溝通交流和組織合作的能力，而這些都只有在人與人直接交流的傳統實驗教學模式下才能實現。

（二）傳統實驗教學的不足

傳統實驗教學模式能夠很好地讓學生學習優秀的實驗物理學家的思想，他們在思考物理理論時獲得靈感，并將這些靈感通過實驗儀器展現出來，通過與儀器直觀的接觸就能讓學生很好地體會到這些內容。

但實驗教學不僅僅是對已有知識的學習，也是要讓學生通過操作儀器而鍛煉他們的動手能力，更重要的是要讓學生通過對實驗的學習獲得一種創新能力，也就是能夠提出更新穎的實驗設計思路的能力。而成熟的實驗儀器由于被設計得十分完善，經過多年的工藝改良也使得它集成化程度過高，無法滿足學生后期對實驗設備繼續進行改裝的要求。實驗儀器設計的歷史悠久，使用年限較長。由于這些儀器多年未更新，教學內容變得陳舊落后，已無法滿足新時代的實驗教學要求。較為固化的實驗教學也會降低學生對物理實驗的探究熱情，這在教師對實驗教學效果的總結和反思中都有提及。

此外，教學中需要使用豐富的資源，其中可能會包括某些特種設備和材料，對這些資源內部結構的有限了解會妨礙學生動手實驗的效果。大學課程的標準學時也可能會限制可以開設實驗項目的種類，從而縮小了學生可以接觸到的實用型應用的范圍。一些物理實驗中也會遇到安全方面的隱憂，比如較高的電壓、輻射或者是危險的生化藥品等。在面對這種實驗物品的時候必須使用嚴格的安全防護措施，但也同時降低了學生直接接觸操作的實驗體驗。這些對安全的考慮有可能約束實用性實驗的深度和影響范圍，從而全方位地縮減了傳統實驗教學想要達到的教學效果。

在物理實驗中，一些研究變量的可重復性和可調節性是獲得準確和有用實驗結果的重要條件，然而由于大學環境與真實環境在實際使用時的一些差異，使有效的調節和重復實驗變量變得頗具挑戰，這會在闡釋數據時存在潛在的錯誤和矛盾，并且降低實驗結果的可信賴性和正確性。另外，傳統實驗教學可能無法滿足多樣化學習風格以及幾乎全體學生的學習需求。某些學生也許對動手操作實驗情有獨鐘，但另一些學生則對不同種類的學習工具感興趣。因此，將多種實施教學的方法和不同的學習風格以及個性化的實驗學習體驗相結合對學生的物理實驗教學是非常有必要的一種嘗試。

總之，傳統實驗教學為學生提供了包括實用性、辯證思維、團隊合作和學習積極性等多種方面的好處，但也在實驗條件和實驗時間受限、安全設施的采用、在重復實驗和控制實驗變量方面的困難以及個性化學習方案的需要等方面存在一定的不足。為了能夠最大程度地發揮物理實驗教育的效果，一些對傳統實驗教學方法進行補充的新型實驗平臺也需要在學校課程的設計中被考慮進來，并使傳統實驗教學方法與新型實驗平臺在實驗教學中相互補充，共同促進學校在培養學生綜合能力方面的教學效果。

三、數字化實驗平臺

物理學通常需要依賴實驗來幫助我們獲得對真實世界的更深層次的理解，但傳統實驗室條件下的物理實驗對實驗數據的處理和修改與當前社會的計算機技術水平有很大的脫節。數字化實驗平臺很好地將傳統實驗設備的操作與當下快速發展的計算機技術整合到一起，為更好地拓展學生學習和研究范圍提供了可能。

（一）數字化實驗平臺的優勢

數字化實驗平臺在實驗儀器的使用上仍然和傳統實驗教學相同，這保證了學生依然可以像以前一樣與真實的實驗儀器接觸，鍛煉動手能力。而在實驗數據的收集和處理方面，數字化實驗平臺則充分發揮計算機技術的優勢，將學生操作儀器后獲得的實驗數據自動記錄到計算機中，從而能夠快速高效地實現實驗數據的收集、處理和圖形化等一系列工作，極大地節約了學生在傳統實驗室完成實驗的時間，使學生能夠學習到更多的實驗項目。實時的數據分析也使快速和精確地展開實驗變得更加便利，使學生能夠及時對數據結果做出判斷并整理出有意義的實驗結論。此外，方便的數據收集和處理也能讓學生更好地專注實驗操作，增加學生反復搭建和操作實驗的次數，強化學生對實驗的理解，增強學生對關鍵物理概念的掌握。

（二）PASCO實驗平臺介紹

美國PASCO公司生產的數字化物理實驗平臺可以很好地幫助學生進行創新性實驗設計，將實驗儀器模塊化，學生可以利用這些模塊進行多種實驗項目的自由搭建。同時，使用數字化物理實驗平臺也是對物理實驗數字化教學的一次實踐探索。［2］該實驗平臺主要由三個部分組成，包括物理實驗涉及的光電力熱等傳感器模塊、數據采集系統、數據處理分析軟件，能夠讓學生實現多種實驗項目的操作學習，這些實驗覆蓋力熱光電磁等物理內容。簡單的軟件操作讓學生能夠更快地進行實驗，且數據采集快速方便，從而縮短學生獲得實驗數據的時間，并大大提高學生處理實驗數據的效率。通過設備和軟件的配合自動采集實驗數據，也能降低學生做實驗時測量實驗數據的誤差。與傳統實驗平臺不同，數字化實驗平臺簡化了實驗數據處理的過程，將學生實驗操作的重心轉向實驗搭建上，讓學生利用數字化實驗平臺提供的模塊化實驗儀器，根據課程要求進行一定程度上的自由組合。

（三）數字化實驗教學的開展

教師開展課程時可以不嚴格按照書本內容，通過提前給出實驗目的的方式，讓學生自己動手實踐，嘗試把不同功能的實驗儀器進行組合搭配，從而完成對實驗儀器的熟悉。由于這種實驗課程的開展方式并不局限于固定的教學內容，學生可以在操作實驗的過程中充分發揮自己的想法，開拓更多完成實驗目的的方式。

數字化實驗平臺在實驗數據處理上的優勢使學生可以減少實驗課程中在處理實驗數據上花費的時間，將更多的時間花在熟悉實驗儀器的功能及設計實驗上，通過對實驗內容的仔細思考，對不同實驗設計思路的嘗試，學生會比在傳統實驗課堂上學到更多的實驗儀器的原理和理論知識，在達成實驗目的的過程中不斷進行實驗方法的試錯，則能夠磨煉學生的實踐技巧，提高學生的實驗設計能力。

由于數字化實驗教學內容的靈活性，學生在參與實驗時需要對實驗內容有一個熟悉的過程，教師在實施數字化實驗教學時也需要讓學生經過不同難度的課程內容，逐漸熟悉如何進行數字化實驗內容的學習。因此，數字化實驗教學通常采取分階段的形式開展。［3］在實驗開展初期，可以讓學生嘗試一下比較簡單的實驗項目，通過這些初期階段的實驗項目，學生將對數字化實驗平臺的儀器有一個大致的了解，比如對各種傳感器的使用方法、一些特殊的實驗儀器的組合方法等。經過第一個階段的實驗內容的教學后，學生對整個數字化實驗平臺會有一個整體的印象，能夠學習到如何使用實驗平臺的數據處理軟件對一些簡單的實驗數據進行數據處理。待學生通過這些簡單的實驗項目熟悉了實驗平臺的基本操作之后，就能夠讓學生進一步開始嘗試一些較為復雜的實驗，以及某些需要學生自己設計才能實現的創新型實驗，這種開展實驗的方式要求數字化實驗課的授課對象應該是學生人數不多的實驗小組。

（四）數字化實驗教學實踐

通過傳統實驗和數字化實驗教學模式的對比和探索，以及學校前期的一些研究經驗。［4］本校利用學生參加物理實驗競賽的機會，讓學生嘗試使用PASCO實驗儀器進行探究性實驗。學生選擇了實驗平臺提供的測量光譜的實驗項目對日常生活中使用的節能燈進行簡單的光譜分析。

學生通過操作光柵、透鏡及光感應傳感器等實驗儀器，學習了它們的使用方法。在嘗試了一些初步的測量步驟后，使用實驗平臺自帶的Capstone軟件對測量結果進行了簡單的分析，大致掌握了該軟件的使用方法。經過前期的經驗積累，參賽學生對儀器的使用方法日趨熟稔，從而可以繼續后續的光譜分析的實驗內容。最終在指導教師和參賽同學的共同嘗試下，完成了常見照明光源的光譜分析實驗的所有內容，并在競賽中取得了不錯的成績。

通過這次數字化實驗室的教學實踐活動，學生不僅更好地學習了實驗儀器的操作，也完成了對光譜測量原理的理論學習，對波的干涉等物理知識點也進行了強化復習，更是通過對儀器的改裝和組合鍛煉了實驗創新能力。

結語

數字化實驗教學模式能夠更全面地培養學生，在教學效果方面比傳統實驗教學更好，但由于開展起來需要較高的條件，不能像傳統教學那樣按照固定的模式統一授課。且兩者培養的目標不同，不能簡單地用一種模式去完全替代另一種模式。更好的方式是把傳統實驗教學與數字化實驗教學進行有機的結合，合理安排兩種模式的教學時間，達到混合式教學的目的，這樣既能利用傳統實驗教學的優點，滿足大部分同學練習實驗的需求，又能為少數有創新實驗設計興趣的學生提供實驗條件，達到創新型人才的培養要求。

參考文獻：

［1］程小燕，陶靈平，王雷妮.淺談創新人才培養下大學物理實驗教學的改革研究［J］.內蒙古煤炭經濟，2020（020）：209-210.

［2］李穎.大學物理實驗數字化教學改革的探索［J］.大學物理實驗，2016（4）：5.

［3］汪連城，吳慶春，金遠偉，等.基于PASCO平臺的設計性物理實驗教學［J］.科技視界，2021（20）：2.

［4］孫權海，駱海峰，史浩，等.基于PASCO實驗軟件的大學物理探究性實驗設計［J］.電腦知識與技術，2018（9X）：2.

基金項目：基于計算機數據采集的PASCO實驗教學模式研究（21zlgc056）；基于PBL的混合式大學物理實驗教學模式探索（22zlgc077）

*通訊作者：張廣文（1988—），男，漢族，安徽，碩士，講師，研究方向：中微子物理。

作者簡介：王雅婷（1999—），女，漢族，安徽人，碩士，助教，研究方向：理論物理；

程小燕（1987—），女，漢族，安徽人，碩士，講師，研究方向：光學。