留学生大学物理实验的慕课建设

李斌 王增旭 陈伟 李永涛

摘要：大学物理实验课是工科大学生的一门基础必修课程，在海外留学生中开展大学物理实验教学是一个新的课题。本文探索和建立了一套留学生大学物理实验的慕课教学模式，为将来的留学生教育提供思路和参考。

关键词：留学生；物理实验；慕课

随着我国高等教育国际化程度的提高，每年都有大量的海外留学生来到中国交流和学习，近年来，本校海外学院与美国纽约理工学院开展了联合培养本科生的合作办学。海外学院的专业设置与国际需求同步，课程开设兼顾合作双方的特色与优势，学院建设、运行模式国际化，以培养国际型人才为目标，打造基础扎实、知识面宽、实践能力强、综合素质高、具有创新精神、国际视野的高层次人才。自2015年起，学校面对海外留学生开展了大学物理实验课程教学。大学物理实验课是工科大学生的一门基础必修课程，教学对象包括低年级普通全日制本科生。这门课程不仅有助于培养学生的观察分析和动手操作能力，也有助于培养他们钻研精神和科学素养。和面向国内学生的大学物理实验教学不同，我们在海外留学生教学方面还缺乏经验，由于语言文化、知识储备、学习能力各方面的差异，使得留学生教学面临着重重困难。因此，探索和建立起一套留学生大学物理实验的教学模式，为将来的留学生教育提供思路和参考，是我们亟须解决的难题。近来我们尝试使用慕课（MOOC）手段来辅助教学，使用分层次教学法，将在线教学和传统教学的优势结合起来，采用混合式教学手段来帮助留学生能够更快更好地进入到学習状态，顺利地完成大学物理实验课的学习。

绪论课是大学物理实验的第一堂课，上好绪论课可以帮助学生对课程有个初步的了解，对课程的要求和学习目标有具体的认识。绪论课一般包括以下几个部分：1. 课程介绍；2. 误差理论；3. 不确定度；4. 数据处理方法；5. 测量仪器的使用。我们针对留学生的特点，对课程内容做了以下梳理和完善：

1. 课程介绍

（1）实验预习要求：预习内容包括：实验名称，实验目的，实验仪器，实验原理，列出记录实验数据的原始数据记录表格，要画在实验报告册的最后一页。没有写预习报告者，老师有权停止其实验，或实验成绩降一档，鼓励留学生去实验室进行预习。（2）实验操作要求：遵守实验室的规定，了解实验仪器的使用方法和注意事项，正式测量之前应进行仪器的调整，使用仪器测量时必须按操作规程进行，仔细观察和认真分析实验现象，如实记录实验数据和现象。实验数据记录，原始数据记录在原始数据记录表格中，要求：①要实事求是地记录客观现象和实验数据，②不要用铅笔记录，不要记录在草稿纸上，③不可拼凑数据，不可随心所欲地修改数据，实验做完原始数据交给老师签字，整理好仪器后方可离开。（3）提交的实验报告内容包括以下几个部分：①实验名称，②实验目的，③实验仪器，④实验原理，⑤实验内容与步骤，⑥实验数据记录及处理，⑦讨论和分析，⑧原始数据记录表。

2. 误差理论

（1）物理量的测量：测量分为直接测量和间接测量，测量结果包括两个部分，测量数值和单位，二者缺一不可。误差就是测量值与真值之差，即ΔX=X-a。真值是物理量在一定条件下客观真正大小，通常用a来表示，修正了系统误差后无数次测量值的平均值等于真值。（2）误差的分类：误差可以分成三类，按照特征和表现，分别为系统误差，随机误差，和粗大误差，系统误差具有确定性，随机误差具有随机性，而粗大误差需要剔除。对任何测量而言，测量误差是不可避免的。系统误差产生的原因可能为，测量仪器本身的缺陷，实验理论和方法的不完善，环境影响，或没有在规定条件下使用仪器，实验人员读数时的习惯偏差等。而随机误差服从统计分布规律，可对随机误差的大小和测量结果的可靠性作出合理的评价，我们一般应实验标准偏差来表征。（3）测量结果的表达式：测量结果应包括测量平均值，不确定度和单位。不确定度取一到两位有效数字，首个非零数字大于等于5，取一位，小于5的，取两位，尾数只进不舍，而测量平均值的最后一位，应和不确定度末尾对齐。测量结果尾数的修约规则是四舍六入五凑偶。尾数小于五的，舍去，大于五的，进一，等于五的，把尾数凑成偶数。

3. 不确定度

（1）不确定度的历史：1981年10月第十七届国际计量委员会大会通过决议，建议采用“不确定度”作为测量结果正确程度的评价。不确定度表示测量值可能变动（不能确定）的范围，也是与测量结果相关的一个参数，用于合理表示赋予被测量值的分散性。由于测量误差的存在而对被测量值的不能肯定的程度。（2）不确定度包含两方面：①多次重复测量中统计方法计算的a类不确定度，②用其他非统计方法估算的b类不确定度，比如仪器误差。总的不确定度，需要a类和b类不确定度合成。a类不确定度的计算公式，为贝塞尔函数s和t/n的乘积。t为分布因子，n为测量次数。b类不确定度通常是仪器本身的仪器误差，仪器误差是指正确使用的情况下，仪器的最大误差。

4. 数据处理方法

大学物理实验需要掌握的数据处理方法包括列表法，作图法，逐差法。

（1）列表法的注意事项如下：①表格设计要合理，要简单明了，要能完整地记录实验数据，物理量的排列应与测量顺序一致；②标题栏中应注明所列物理量的名称符号和单位，数据，不要重复书写单位；③表中的数据要正确，反映测量的有效数字；④要提供和表格相关的参数和说明，比如表格名称，测量仪器规格环境条件等等；⑤表格中所列的主要是原始数据，中间重要的计算结果也可列进去。（2）作图法，就是通过图线将物理量之间的关系直观的表示出来的方法，做好一张正确实用美观的图，是实验技能训练中的一项基本功，实验作图不是示意图，而是用图来表达实验中得到的物理量之间的关系，要反映测量的准确程度，必须满足一定的作图规则。作图的基本规则，包括以下几点：①要有完整的，有数据的表格。②选用合适的坐标纸，作图的时候必须使用坐标纸，在我们物理实验中通常选用的是直角坐标纸。③确定坐标轴，我们通常以横轴表示自变量，纵轴表示因变量，在轴的端部要标明其所代表的物理量的名称符号以及单位。④合理确定坐标分度，要保证图像的实验点坐标，读数的有效数字不损失，还要能容易读出图上实验点坐标。⑤标出实验点，我们要用削尖的铅笔，用加号，乘号，圈点等符号代表实验点。⑥连接实验曲线，我们用直尺或曲线板等工具进行连线，图线应保证光滑，在连线的时候，尽可能通过较多的点，不在线上的各点要均匀地分布在紧靠图线的两侧。⑦图注和说明，要求在图纸的明显位置写出图名和实验条件。（3）逐差法是我们物理实验中常用的数据处理方法之一，常用于处理自变量等间距变化的数据。它是把实验数据列成表格，进行逐次相减，或分成高低两组，对应项相减，前者可以验证数据变化的规律，后者可以充分地利用数据减少测量误差。

5. 测量仪器的使用

（1）钢卷尺/钢直尺的用法：一般分度值为1mm，标度单位为cm，读数时可以准确读到mm位，mm位以下的十分之一mm位是估读位。（2）游标卡尺的用法：游标卡尺是由毫米分度值的主尺和一段能滑动的游标副尺构成。游标卡尺能够把mm位下一位的读数较准确地读出来，因而是比钢尺更准确的测量仪器。游标卡尺可以用来测量长度、孔深及圆筒的内径、外径等几何量。游标卡尺在读数的过程中，首先看游标尺零刻度线的位置，然后我们来观察一下卡尺的分度值，最后看游标尺上第几条线和主尺的刻度线重合。（3）螺旋测微器的用法：读数的时候应该注意以下几点：①在固定刻度上读出整毫米数；②在可动刻度上读格数，并进行估读，再乘以0.01；③待测长度为两者之和。在测量的过程中，测微螺杆快接近被测物体时，应停止使用旋钮而改用微调旋钮，在读数的时候要注意固定刻度尺上表示半毫米的刻线，即使固定刻度的零点正好与可动刻度的某一刻度线对齐，千分位上也应读为零。（4）角游标尺的读法：角游标尺的最小分度值是一分，所以在读数的时候先读主刻度，然后再读游标尺上的刻度。

以上就是留学生大学物理实验绪论课的主要内容，也是慕课的脚本和基本大纲。

总之，我们采用慕课来辅助课堂教学，使用分层次教学法，在留学生知识基础、智力因素和非智力因素存在明显差异的情况下，有针对性地实施分层教学，从而达到不同层次教学目标，帮助留学生更好地进入到学习状态，完成大学物理实验课的教学目标。将来，我们将进一步建设和完善大学物理实验慕课，将不同的实验教学内容都以慕课的形式呈现出来，为以后的留学生教学工作积累经验，提高留学生课程教学质量。

参考文献：

[1]李斌，李永涛，陈伟，董成林，葛智勇，毛巍威.留学生大学物理实验课的教学实践与总结[J].考试周刊，2015，（81）：128-129.

[2]孟凡顺，李久会，闫鹏，袁泉.提高留学生大学物理实验课教学质量的探索[J].辽宁工业大学学报（社会科学版），2015，（2）：138-140.

[3]郝丹.国内MOOC研究现状的文献分析[J].中國远程教育，2013，（11）：42-50.

[4]陈肖庚，王顶明.MOOC的发展历程与主要特征分析[J].现代教育技术，2013，23（11）：5-10.

作者简介：

李斌，王增旭，陈伟，李永涛，江苏省南京市，南京邮电大学理学院。