信息化技术与物理实验教学的深度融合

吴 平 张师平 李 莉 陈 森

(北京科技大学 1数理学院； 2物理实验中心，北京 100083)

信息化技术与物理实验教学的深度融合

吴 平1张师平1李 莉1陈 森2

(北京科技大学1数理学院；2物理实验中心，北京 100083)

北京科技大学通过3年的系统研究，对比了传统实验报告撰写方式和信息化融合后的报告系统撰写方式对培养学生实验、科研能力的影响.探索了使用计算机智能评判技术提高学生实验报告撰写质量的可行性及方法，将信息化技术应用于物理实验教学过程中.在2015年年底的对比试验研究中，可以看到我们建立的物理实验报告智能评阅系统，通过网络撰写、智能评判既保持了传统手写报告训练的优势，又大大促进了学生实验数据处理和实验分析能力的培养，在保证报告评阅过程中的全面、公正与公平性的同时，还极大地减轻了教师批改实验报告的工作量.

信息化技术；物理实验；实验报告智能评阅系统

大学物理实验课程是理工科大学生的一门必修实验课程.如何运用现代信息技术促进课程教学质量的提高一直是各高校都十分关注的问题.目前，很多高校主要在实验预约、成绩管理、仿真实验、MOOCs视频教学等方面应用信息化技术.但如何在实验报告方面恰当地应用信息化技术的研究还尚显不足.

物理实验课程覆盖面广，具有丰富的实验思想、方法和手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素养的重要基础课程[1-3].物理实验课程在对学生进行科学实验能力培养时有以下几点基本要求[4]：(1)培养学生独立的学习能力；(2)培养学生独立的实验操作能力；(3)培养学生实验数据处理能力；(4)培养学生实验分析与研究能力；(5)培养学生书面表达能力；(6)培养学生理论联系实际的能力；(7)培养学生创新与实验设计能力.其中，实验预习可以锻炼学生的独立学习能力，撰写实验报告可以锻炼学生的实验数据处理、实验分析与研究以及书面表达能力.近年来，我们对信息化技术在物理实验教学过程中的实际应用进行了大量的探索与实践，涵盖了实验预习、实验报告、实验考试等方面，本文重点阐述信息化技术在物理实验报告中的应用探索.

1 实验报告评判中存在的问题

对于大多数理工科高校来说，大学物理实验课程每年需要承担培养的学生数量众多.以北京科技大学为例，大学物理实验课程每年需要培养约3000人，每节实验课面向的学生不超过16名，这样需要大量的来自不同课题组的授课教师，同时还有几十名研究生协助参与授课，实验教学师资队伍的实验教学专业水平出现较大差别.这样，实验报告的评判随意性很大，缺乏规范的评判标准，造成不同教师所带学生的课程成绩差异较大，评定不客观不科学.另一方面，学生人数多，实验报告批改量大，授课教师很难为每一位学生计算实验数据，进行细致的评判，特别是实验数据处理和误差估算.因此，时常出现很多教学要求不能确切落实，影响教学效果和质量的现象.

影响实验教学质量的主要问题有：(1)学生仅仅靠课堂无法完全消化实验教学的内容，物理实验课程具有内容丰富、实验条件复杂、综合性强等特点，学生在短短的一节实验课上很难在完成实验任务的同时消化所有的教学内容；(2)实验教学质量的评估没有客观与规范的标准，实验课程的考核包括平时实验、实验报告、期末实验操作与笔试多个环节，不能通过统一的一份试卷来考核全体学生对实验课程的掌握情况，但平时成绩、实验报告、考核成绩都有很大的随意性，各个实验班之间、不同的老师之间评价标准不一致；(3)实验报告是反映学生掌握实验课程内容情况以及实验能力的重要教学环节，但实验报告批改量大，完全靠人工批改，难以做到细致、全面.从实验报告评判的整体情况来看，评判质量差别较大，许多需要学生改正的问题没有指出，没有给学生充分的反馈信息，影响了学生扎实地掌握教学内容，使得大面积的实验教学质量难以控制和提高.

2 信息化技术在实验报告评阅中应用的设想

传统实验报告撰写方式的优势在于，学生可以通过亲自手写实验报告的方式记住并掌握所做实验的原理和步骤，通过亲自绘制实验曲线掌握实验曲线绘图的要点，通过写下数据处理的过程切实掌握数据处理方法.但是，在使用传统实验报告的撰写方式时，由于教师无法评阅所有学生实验报告的数据处理部分的正确性，容易造成学生在数据处理过程中的错误概念无法纠正，而且由于传统实验报告的撰写方式无法明确分析与讨论部分的要求，在实际教学中学生往往不能认真完成实验的分析与讨论.在实验报告评阅应用信息化的过程中，既不能抛弃传统实验报告撰写方式的优势，又要发挥信息化融合后的报告系统撰写方式在实验数据处理以及实验报告结构要求上的优势.

2.1 实验报告智能评阅系统的设计与思考

在实验报告智能评阅系统的设计中，为锻炼学生的各项能力，我们重点思考并实践了以下几个设计细节.

(1) 实验原理与实验操作部分的考虑

为了让学生掌握实验科学的思想与方法，采取了学生自己总结、凝练与撰写实验原理和实验操作的方式，每部分不超过400字，并要求学生手绘实验原理图.以往，在物理实验信息化的应用中学生的思考过程往往容易被丢掉.在我们的设计中要求学生自己总结实验原理与操作并上传手绘的实验原理图，可以使学生有一个独立思考和加深理解的过程，促使学生进行独立思考，提高概括总结的能力，加深对实验思想、方法与手段的理解，同时避免出现学生直接照搬教科书的内容而不进一步思考的现象.

(2) 数据处理方面的考虑

大学物理实验课程具有内容丰富、覆盖面全的特点，在选题上涵盖了力学、热学、电磁学、光学和近代物理实验，既包含训练学生基础物理实验思想、物理实验方法和物理实验技能的经典实验，又包含与现代物理技术相结合的课题型综合性实验.物理实验的数据处理方法包含“直接测量量误差处理方法”“间接测量量误差处理方法”“逐差法”“最小二乘法”等，而每个实验项目在数据处理过程中使用这些方法时也存在较大的差异.在信息化的过程中，我们以目前科研领域和测量技术领域的最新实验数据处理与测量结果表示规范为基准，对每个具体实验项目制定相应的评判计算方法，采用直接测量量误差处理方法、间接测量量误差处理方法、逐差法、最小二乘法等对数据进行处理，评估每个实验项目中各个不同计算步骤的分数，并合理分布给分点.系统会根据学生输入的原始数据计算出标准答案，并与学生输入的答案相比较进行智能评阅，给出学生所得分数.在我们的设计中要求学生上传其手写的实验数据处理及不确定度计算过程，以确保在信息化的过程中，没有丢掉传统实验报告中的优点.

(3) 对测量正确性的限制

对于某些客观的物理量，如钠黄灯的波长、三棱镜的顶角等，要求报告系统将学生的计算结果与客观的标准值进行比较，差别超过一定范围则判断学生测量错误.报告系统验证学生实验数据与计算结果是否自洽的同时，也可以判断学生的实验操作是否有误.

比如，在“分光仪的调节及三棱镜折射率的测量”实验中，系统会根据学生输入的实验测量数据计算出三棱镜的顶角，与此同时系统也会与三棱镜的标准值(60°0′)进行比较，如果学生自己的计算结果与系统根据学生输入的实验测量数据计算出的结果相比较差别较大，系统将提示学生此处计算错误；如果学生自己的计算结果与三棱镜的标准值相比较差别较大，则系统将提示学生此处测量错误.

(4) 设备量程的判断

报告系统通过学生的实验数据判断学生的电表等设备的量程选择是否正确，如果不正确，系统将提示学生此处实验操作有错误.

(5) 有效数字位数的评判和最终结果的表示

在数据处理过程中，要求学生正确保留有效数字位数，完整表达实验测量结果.系统会智能评阅学生的有效数字位数保留和结果表达是否正确.如果不正确，系统将提示学生此处有效数字位数保留不正确，或结果表达不正确.

(6) 实验报告中实验曲线的考虑

对于实验报告中的曲线、原理图，系统采取了学生上传手绘曲线(或图片)，并请教师进行主观评阅的方式.这样，可以全面地训练学生正确且完整地绘制实验曲线，不忽略如曲线标注、坐标名称、坐标轴刻度等细节信息.

2.2 实验报告的结构体系

图1 实验报告智能评阅系统的结构示例

恰当的计算机客观评判与教师的主观评判相结合，同时评判学生实验报告中出现的计算问题和学生在实验报告中所体现出的创造性思维，是《北京科技大学物理实验报告智能评阅系统》的设计初衷.为此，系统保留了具有北京科技大学特色的实验报告结构，如图1所示，即：一、实验目的与实验仪器(0.5分)，二、实验原理(提示：限400字)(1分)，三、实验步骤(提示：限400字)(1分)，四、数据处理(1.5分)，五、分析讨论与结论(1分)，六、原始数据与数据处理过程.

同时，系统具备主客观相结合的评阅模式：网络报告智能评阅系统中第一、二、三、五以及第六部分要求学生自主输入相应文字或图片，尤其是原理部分要求学生手绘实验原理图并上传至报告系统中，这些部分由教师进行评阅附分，即主观评阅部分；“四、数据处理(1.5分)”部分为系统智能评阅的部分，即客观评阅部分.在“四、数据处理(1.5分)”部分中，如果遇到实验曲线描绘，系统会要求学生使用坐标纸或计算机绘图，转成图片后再上传至报告系统，并由教师评判附分，这部分也是主观评阅部分.

3 实际教学实践对比试验

我们将《北京科技大学物理实验报告智能评阅系统》投入到实际教学实践中，并进行了对比试验研究，分析了物理实验教学实践中信息化技术应用对学生“实验数据处理能力”“创新与实验设计能力”“独立学习能力”“分析与研究能力”“实验操作能力”“文献阅读能力”等各项能力的影响.采用逐项对比的方式，将8个班级共240名学生分为2组(每个组各4个班120名学生)，即：

传统报告组：采取传统的手写实验报告和人工评判的“传统实验报告撰写方式”；

报告系统组：采取使用实验报告智能评阅系统撰写实验报告，主客观结合智能评判的 “报告系统撰写方式”.

3.1 对比试验考试题目设计

2015年年底，参与对比试验的240名学生在完成物理实验课程后进行了统一考试.考试依据物理实验课程培养任务特别设计了考试题目，类型如表1所示.

表1 对比试验考试题目类型

3.2 对比实验结果

我们汇总了报告系统组与传统报告组的考试结果，并对每组每一道题的成绩进行了统计，计算了得分率：

得分率

图2 不同实验报告撰写方式在实验原理、实验操作、曲线绘制与文献阅读方面的影响

在图2中给出了不同的实验报告撰写方式对学生能力培养的影响.可以发现，在实验原理、实验操作、曲线绘制与文献阅读4个方面，采取不同形式的实验报告撰写方式的最终考试得分率相差无几，甚至于采取传统实验报告撰写方式的传统报告组得分率还略高于报告系统组.这表明，传统的实验报告撰写方式有利于训练学生对实验数据绘图的能力，增强学生对于实验原理以及实验操作的理解，同时也方便学生将查阅文献后得到的信息写在实验报告中.而采取报告系统撰写方式的报告系统组虽然在得分率上与传统报告组相比略有不足，但可以看出信息化后报告系统也没有丢掉传统报告撰写方式的优势.

图3中给出了不同的实验报告撰写方式对培养学生实验数据处理能力、实验分析能力的影响.从柱状图可以看出，在传统的实验教学方式下的传统报告组中，学生的误差分析能力(数据处理能力)和实验分析能力的考核得分率均低于使用实验报告智能评阅系统的报告系统组.报告系统要求学生逐步分项完成实验数据处理过程，其中不确定度的计算、有效位数的保留、完整表达式的形式等要求均为智能评判的重点考查内容.学生也可以在每份实验报告评判结束后得到系统给出的错误提示，这样更有利于学生对数据处理过程的学习.学生在独立、详尽的完成数据处理过程中，可以充分了解实验数据的处理方法，建立误差与不确定度的概念，显著提高学生的数据处理能力，并培养认真严谨的科学态度.

图3 不同实验报告撰写方式在不确定度计算、实验分析等方面的影响

根据规范化的评判标准，报告系统自动智能评阅学生的实验报告，给出学生实际报告得分与数据计算错误原因，减轻了教师因学生众多而产生的报告评阅负担，保证了报告评阅的细致、全面、公正与公平.并且，在数据处理过程中，学生深入了解各个实验参量与实验结果数据之间的联系，更易于融合实验原理、实验方法及相关理论知识对实验结果进行分析、判断、归纳与总结.

同时，报告系统可以明确提示学生在实验报告中需要进行充分的实验讨论和分析，且根据主客观相结合的评阅方式，实验讨论与分析部分是由老师进行评阅.这使得学生在主观上对每个实验的讨论和分析更加重视，通过一个学期的10个左右的实验报告的锻炼，使学生学会了对科学问题的分析与讨论.

整体而言，采用报告系统撰写方式完成实验报告，学生的实验数据处理能力与实验分析能力均能在经过充分的培养与锻炼后得到显著的提高.

4 结语

我校通过3年系统的对比性研究，建立了以计算机智能评判为基础的信息化实验报告智能评判平台.240名学生参与的对比性试验表明，这种物理实验报告网络撰写、智能评判的手段，既保持了传统实验报告撰写方式的优势，又大大促进了学生实验数据处理和实验分析能力培养.在保证报告评阅过程中的全面、公正与公平性的同时，还极大地减轻了教师批改实验报告的工作量.

[1] 吴平，邱宏，孙旭贵，等.将科学研究的思维方式引进普通物理实验教学[J].实验技术与管理，2003，20(1):73-75.

[2] 吴平，陈森，张师平.“现代物理实验”课程研究型教学探索与实践[J].物理与工程，2014，24(3):14-17.

[3] 陈森，张师平，吴平.基于课题型的研究性实验教学模式探索与实践[J].实验室研究与探索，2013，32(7):171-174.

[4] 吴平.大学物理实验教程[M].2版.北京：机械工业出版社，2015.

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THE DEEPER INTEGRATION OF INFORMATION TECHNOLOGY AND PHYSICS EXPERIMENT COURSE

Wu Ping1Zhang Shiping1Li Li1Chen Sen2

(1School of Mathematics and Physics，2Experimental Physics Center, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083)

On the basis of three years of research, we compared with the effects of the traditional writing method of experimental report and the intelligence adjudication method integrated deeply with information technology on the cultivation of students’ experimental comprehensive ability and scientific research ability. By using the intelligent adjudication technology of the computer, the feasibility and method of improving the writing quality of experiment report were explored. Information technology was applied to the teaching process of physics experiment, and the intelligence adjudication system of experimental report was built. Experiment reports were written online, and judged intellectually by this system. The results of tests between two writing methods carried out at the end of 2015, implied that the advantage of the traditional writing method are retained by using the intelligence adjudication system, and the ability of students’ experimental data processing and analysis are greatly promoted. Comprehensive, justice and fairness are guaranteed in the judging process. The burden of teachers who judge the experiment report is reduced.

information technology; physical experiment; intelligence adjudication system of experimental report

2016-06-08

2014年度教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会教学研究立项项目(DWJZW201407hb)；2014年度北京高等学校教育教学改革立项项目(2014-ms029)；北京科技大学2014年度教育教学改革于研究重点项目(JG2014Z03).

吴平，女，北京科技大学数理学院教授，主要从事功能材料、软物质方面研究以及物理实验教学与研究方面的工作.pingwu@sas.ustb.edu.cn

吴平，张师平，李莉，等. 信息化技术与物理实验教学的深度融合[J]. 物理与工程，2016，26(5)：22-26.