微课在牛顿环实验教学中的应用研究

伍丽莎 陈华君 齐 云 姚 勇

(1西南石油大学理学院，四川 成都 610500； 2安顺学院数理学院，贵州 安顺 561000)

当今社会是一个信息社会，计算机和智能手机的应用已经普及到我们生活的各个方面，快节奏、高效率的生活，要求我们的教学模式也要简明扼要。“简明”就要求少而精，“微课”作为一种与互联网紧密联系的教学模式因而应时而生。微课不同于传统课堂教学，其主要特征表现为“主题突出，指向明确；资源多样，情景真实；短小精悍，使用方便；半结构化，易于扩充”[1]。大学物理实验是高等理工科院校对学生进行科学实验基础训练的一门独立的、必修的基础实验课程，它主要对学生进行全面而系统的实验方法和实验技能的基础训练，从而培养学生动手能力、思维能力和科学创新能力[2]。我校在过去的大学物理实验教学中，学生首先需要预约实验并预习，课堂上通过老师的讲授让学生理解和掌握实验内容。随后，学生逐步进行实验仪器的组装，测量实验数据，验证实验现象及处理实验结果。这种传统的实验教学始终存在着诸多问题，如由于上课前不了解实验仪器造成课前预习不充分，课堂时间有限而无法满足学生的个性化要求，课后复习没有实验条件等等。为解决这些问题，我校实验中心积极探索混合式教学模式，将微课引入课程教学中，提高了教学效率，效果显著。下面以“牛顿环干涉实验”为例，探讨微课的制作以及研究微课应用的创新模式。

1 牛顿环实验微课的制作

牛顿环实验是大学物理实验中的一个基础实验，在这个实验中，学生可以了解光的干涉现象，验证光的波动性，并利用牛顿环干涉实验测量平凸透镜的曲率半径。通过移测显微镜，可以观察到牛顿环干涉现象，牛顿环是一组明暗相间的同心圆环，这些圆环随着离接触点为中心点的距离增加而变密，变窄，呈现出内环疏而宽、外环密而窄的图形[3]。

我们主要采用Aviutl视频编辑软件[4]制作牛顿环实验微课。“牛顿环干涉实验”微课包括以下5个部分：背景知识介绍、实验原理、实验仪器、实验步骤和数据处理。现对每个部分做简要说明。

(1) 背景知识介绍

在“牛顿环干涉实验”微课视频中我们通过介绍牛顿在光学的3大贡献来引入课程，利用物理学史和物理学家的知识介绍，扩展学生知识面，提高学生的兴趣，激发好奇心和探究欲。

(2) 实验原理

图1 牛顿环实验原理

(3) 实验仪器

对读数显微镜的结构以及读数装置的介绍主要通过教师对实物的介绍来展开。为了更真实全面地展示仪器的结构，采用了正视图和侧视图，同时进行讲解。当讲解到较小的部件时，如目镜、物镜、反射镜等，单独将该部件示意图放大进行显示。由于牛顿环干涉实验存在回程误差，在仪器介绍完毕后，添加了回程误差的讲解，通过动画的展示，使学生可以更形象地了解丝杆结构以及产生误差的原因，对只能沿一个方向进行测量的步骤加深了理解，如图2所示。

图2 实验仪器介绍

(4) 实验步骤

接下来，教师按照实验规范进行实验步骤演示，使学生掌握实验操作的基本过程。在牛顿环干涉实验中，将显微镜观察到的牛顿环测量过程利用CCD图像传感器显示到电脑屏幕，因此可以把屏幕录制和实验过程录制同步进行。在视频后期制作过程中，将牛顿环放置在屏幕的一角，使学生对于如何利用牛顿环测量曲率半径，以及避免回程误差对测量结果的影响等问题，有更深一步的认识，如图3所示。

图3 实验步骤

(5) 数据处理

视频中通过举例来说明数据处理过程，将所测的左端坐标与对应环的右端坐标相减，获取11，12，…，20的环径。然后将环径平方差代入公式，其中钠光波长λ为5893Å。最后计算出透镜曲率半径大小。

2 微课在牛顿环实验教学中的应用

微课和传统的视频教学不同，如果只是将教学过程进行录像，没有任何视频制作和教学设计的话，那只是旧瓶装新酒，换了教学形式而没有换教学内容。视频制作很重要，但好的教学设计才能增强课程吸引力，激发学生的学习动机。

在近一年的教学实践中，我们充分利用微课这一教学模式来提高物理实验课程的教学效率，并总结出在教学中需要注意的几个问题： (1)重点突出。以牛顿环为例，测量的重点就在避免回程误差。为了说明回程误差，采用动画的形式展现丝杆结构中齿轮啮合传动过程。由于齿廓间隙的存在，只有在测量过程中始终保持一个方向进行测量。(2)强调难点。在牛顿环测量平凸透镜实验过程中，由于大多数同学使用显微镜会习惯将反光镜对准钠光灯来增强亮度，而造成牛顿环不清晰，无法读数。在微课中为了强调光路是通过45°反射镜发射到牛顿环，在实验步骤部分，专门绘出光路图，来说明牛顿环的干涉条纹是钠光从45°反射镜入射到牛顿环仪产生干涉现象。在课堂讲解时，可以暂停视频，对于这点进行反复的强调。在随后学生单独实验过程中，基本上没有同学再犯这种错误了。(3)添加字幕。微课中添加字幕，可以避免由于台词音量较小，教师语速过快或者普通话不够标准，使学生无法听清楚，而有碍于对课程内容的理解。而且字幕在画面的构图中，可以增强视觉效果，使视频易读。(4)强化误差分析。在牛顿环测量平凸透镜曲率半径中，有很多误差来源，在视频中主要说明了两种误差：①中央暗斑会影响到测量的准确性，如何避免？②每级暗环都有一定的宽度，不同的环径测量方式对测量结果的影响。

3 实践成效

以西南石油大学2016年秋季(微课教学实施前)和2017年春季(微课教学实施后)的牛顿环测量平凸透镜曲率半径实验的学生操作考试成绩(表1)为例，可以看出微课这种混合式教学模式使学生的成绩有了大幅度的提高，高分数段比例增大，学生的平均成绩提高了15.91分，合格率也提高了28.5%。根据标准差s和差异系数Cv计算公式:

得到两学期的标准差分别是25.47和15.4，差异系数分别为39.20%和19.09%，从这两组数据可以看出2017年春季学期学生成绩较2016年春季学期的成绩离散度低，分布更加合理。在2017年春季操作考试过程中，我们还发现通过微课教学的2017年春季学生比传统教学模式的2016年秋季学生更容易理解实验原理，更加熟悉实验仪器和实验步骤，实验操作过程也更熟练。学生成绩和能力的提高，得益于微课教学的开展。这增强了我们的信心，促使我们在今后的物理实验教学中，充分利用微课这种新型教学模式，不断探索，提高物理实验的课堂教学效果。

表1 2016年秋季学期与2017年春季学期操作考试成绩对比表

4 体会和展望

物理实验是逻辑性很强的实证科学课程；假如有某个地方学生没有听懂，就可能一直卡在那里，无法完成后续的内容，导致整个实验失败。大学物理实验微课革新传统的教学模式，实现数字化学习的扩展，让学生可以随时随地自由地学习，是混合式教学模式的一种形式。实验微课的内容涉及大学物理实验的各个核心实验项目，学生在物理实验的学习过程中突破时间和空间的局限，弥补传统实验课程主要通过挂图，PPT教学模式的不足。把微课引入到教学中，学生在课堂上通过手机观看视频，对照仪器进行实验。对于光学实验，如果按照传统的课堂讲授和演示，由于实验步骤中需要通过显微镜观察，在教师演示时，很多同学是观察不到演示时显微镜中出现的干涉条纹的，只能通过老师描述，印象不深刻；但是通过微课，学生可以看见显微镜显示的图像，对实验的理解也就更加深刻。物理实验最重要的内容是实验步骤，通过微课，学生可以对一些步骤较为繁琐的

实验项目讲解通过暂停、回放等方式，来加深对实验的操作过程的理解。

物理实验微课程改变了传统的教师实验室授课模式，实现了优质教学资源共享，建立了混合式教学新模式，使远程学习、电子学习、移动学习与课堂面授多种学习方式充分融合，激发学生学习积极性，实现了以学生为中心的学习模式，为构建学习型社会打下基础。

[1] 唐艳妮，徐军，罗积军,等. 微课在大学物理实验教学中的应用探索[J].物理与工程, 2014(S2):61-63. TANG Yanni, XU jun, LUO jijun, et al. Application of micro class in university physics experiment teaching[J]. Physics and Engineering, 2014(S2):61-63. (in Chinese)

[2] 张怀作.大学物理实验[M]. 北京：科学出版社,2011.

[3] 温健平.胡广平.牛顿环实验的研究[J].绵阳师范学院学报,2008,27(11)：30-33. WEN Jianping, HU Guangping. Studying of Newton’s rings experiment[J]. Journal of Mianyang Normal University, 2008, 27(11): 30-33. (in Chinese)

[4] AviUtl version0.92. http://spring-fragrancemints.ne.jp/aviutl/