数码设备及云平台在大学物理电路实验教学中的应用

乔庆鹏

(河南财政金融学院 人工智能学院，河南 郑州 450046)

0 引言

Chromebook笔记本和iPad是国外教育市场广泛使用的教学设备。目前各大PC厂商都推出了基于云平台的Chromebook产品线，大多价格在 200～400 美元之间。联想也在2018年1月推出3款新型笔记本电脑设备Chromebook，分别是联想500e、300e和100e。100e是3款中最实惠的，售价仅为219美元。得益于其低成本等特点，截至2017年底，Chromebook 在美国教育市场拥有较高的市场占有率。

国内，因为教学方式的不同，以及一些客观因素的制约，虽然在课堂上已经基本实现了多媒体教学，但在实验课上，电脑或教育类平板使用的普及率还相对比较低，传统实验室大多缺乏多媒体设备和操作终端。

物理学作为一门建立在实验基础上的自然学科，在社会科学技术体系中有着不可代替的重要地位。大学阶段，物理实验相对中学阶段而言更为系统和专业，它从属于大学物理课程, 实验内容与理论课程结合非常紧密[1]。电路实验作为大学物理实验课中重要的一环，因为其自身的一些特点，或许是最需要多媒体设备进行辅助教学任务的课程之一。本文探讨如何利用课堂内外的已有设备和条件，把多媒体教学和移动数码通信设备以及云平台有机地结合在一起，从而提高大学物理电路实验教学的效果，达到事半功倍的效果。

1 电学仿真软件的使用

电路实验室中采用的实验设备大多是模块化，事先集成好的，学生需要遵从讲义的说明和步骤进行连接组装，继而调试测试，记录实验结果。这个操作过程，在很大程度上是机械地重复和验证课本上已有的结论和定律。缺少了挑战性和新鲜感，学生不可避免地会感觉到枯燥。这是当前大学物理电路实验教学过程中普遍存在的且需要解决的一个问题。

考虑到学生的兴趣和特长的差异化, 一个解决方案是在完成必须完成的实验之外，给出数个选作的“小型设计”实验题目，让学生根据自己的特点和爱好选做其中的两个，使他们在实验题目的选择上有较大的自由度，以满足差异化的需求和自由发挥的空间，培养学生的创新能力，扩大知识面,提高他们的学习积极性, 从而实现因材施教的教学目的。

但是增加了选做实验的内容, 对实验室的空间、时间以及仪器资源方面提出了更高的要求，就不可避免地存在着比较多的限制，对学生主动学习的需求产生了制约。

电学仿真软件的引入则较好地解决了上面所说的一些问题。常用开发的电学仿真软件有：NIMultisim[2]和MATLAB[3]等。

电学仿真软件具有实验现象直观生动的特性，可充分挖掘学生的观察分析能力，而且还可以让学生利用它的开放、交互以及强大的仿真特点大胆地设计实验。在课前阶段，学生可以利用仿真软件预习将要进行的实验课内容，找出难点和不确定的地方，从而可以在进行实验课的时候跟老师和其他同学进行交流讨论，提高实验效率。另外，仿真软件也可应用在课后作业的布置上，从而完善实验考核机制。利用仿真软件，选修实验设备的套数可以相应减少，开设新实验的顾虑也可以降低。通过仿真软件，可以实现学生在实验操作上的由浅入深、由易到难的循序渐进的过程，从而达到既定教学培养目标。

电学仿真软件具有强大的仿真分析功能、使用简单、操作方便以及不依赖实验设备、可以进行大电流大电压等危险实验等优点，对电路实验教学具有非常好的辅助作用，可以成为电路实验的有益补充。

2 微信云平台和群功能的灵活使用

上面也分析到，物理电路实验应该具有灵活多变开放式的特点，是让学生参与和主导的教学过程。这就需要在实验内容方面，开设一些选作的实验题目，让学生事先进行选择。但随之而来的一个问题是，在预选过实验题目后，随着教学进度和学习内容的深入，一些学生对实验内容的兴趣和选择也开始有了相应的变化，那么教师就不能只给学生选择实验内容的机会，还应该给他们改变选择实验题目的机会。

此外，多数电路实验不是一个人能够独立完成的, 需要由两人或三人一组分工合作才能够完成实验的教学目标。一般以两个学生为一组，以培养相互合作的团队精神，分组的依据大多是根据点名册顺序或者学号。这样就出现一个问题：不但选做哪些实验，什么时间做什么实验，是由教师来决定的，而且实验分组也是预先确定好的。

如上所述，每学期开始就让学生选定自选实验题目，并在实验分组上整个学期也保持不变，就显得不太适合教学的实际需求了。我们需要一个相对灵活的、具有可调整性、即时性的选课和分组模式。

微信群和讨论组给了学生彼此之间以及学生和老师之间一个灵活的即时沟通方式，教师可以通过建立微信群和讨论组的形式，通过投票系统，让学生选择选做实验和实验分组，使他们具有灵活的选择权。微信群和讨论组还可以用于意见反馈和疑难解答，有问题第一时间反馈，第一时间解决，不遗留问题，做到真正意义上的即时沟通和交流。

实际的实验教学过程中，还存在着另一个问题：在现有的实验课的考核机制下，一个实验的完成要求每个学生都上交一份实验报告，同时结合考勤以及实验中的操作完成情况综合打分。但在批改实验报告中发现，一些学生抱着应付的态度，实验报告内容大多雷同，甚至有抄袭的现象。所以，这种考核机制也需要改进。

现有的考核机制忽略了预习对实验的重要作用。如果在进行实验前学生并没有仔细预习实验，或者根本不具备实验的基本理论知识，很可能会在实验过程中手忙脚乱，浪费时间，达不到实验教学的要求。同时，对电学实验而言，操作不规范也存在着安全隐患。

教师可以利用微信云平台，对实验相关的数学知识譬如微积分和误差计算，一些常用电脑软件的简单使用，实验室安全用电，示波器等电子设备的功能和使用进行介绍，把一些常用仪器的操作方法和注意事项等做成课件或者视频，直接上传到微信群，视频也可以先上传到优酷等云视频网站，再把链接分享到微信群里，并提出相关问题，给出一个简短的实验预习作业,并要求在每次实验课前上交。

这样不但解决了考核机制单一的问题，还提高了学生的实验效率，并提高了实验的安全性。

3 多媒体教学设备替代方案的探讨

理想的电路实验室要求每个实验室都配有教师授课用电脑及其配套的书写投影仪或多媒体投影仪等辅助教学设备。但实验室的建设和设备更新是一个长期的、需要大量资金投入的过程，实施起来会受到各种因素的影响和制约，不能达到立竿见影的效果。

另外，随着智能手机的普及，价格的下调，性能的不断提升，屏幕大小也在逐步达到6寸、6.5寸甚至7寸，触控使其在某种程度上可以成为教育类平板电脑的代替品。而4G网络的普及和资费下调以及各种校园上网套餐的推出，也使手机通过移动网络充当即时的多媒体教学接收终端成为可能。对于一些流量耗费较多的教学视频，可以通过使用实验室的路由器、电脑或者教师的笔记本电脑构建WIFI热点，让学生免费下载。

具体到电路实验，大多实验设备都是集成好的、模块化的、体积较大的一体化实验台。这些实验台面板具有线路密集，接口众多，各种开关、切换器和指示灯也比较多。如果按照传统的实验室教课方式，教师需要把电路图在黑板上面画好，每个电器元件都标上符号，然后再结合实验内容的每一个步骤给学生讲解线路的连接，设备的切换和调试。这样不但需要大量的时间画图，需要复杂的连线讲解，而且因为一个实验里面包含多个步骤，每一个步骤都需要重新连线，这样就得把黑板擦干净重新画图，学生们可能记得住后面的操作而忘记了较早的教学内容，或者记得不清晰，造成连线失误。虽然实验仪器里面有保险装置，但还是不可避免地造成一些局部设备的损坏，譬如灯泡的烧毁、保险丝的熔断等，也会产生其他的安全隐患。

教师可以方便地用自己的手机对实验设备的相关模块进行拍照，然后把相关的设备原件或者节点通过微信或者QQ内置的图片编辑功能进行标号或者画圈，以起到强调的作用，这样会避免学生对电器元件的识别混乱或错误而造成的误连接误操作，从而保证实验仪器和操作人员的安全。对于实验步骤众多，每一步连线都有区别的情况，教师可以通过对实验仪器的照片进行二次编辑，首先把相同的连线和操作进行第一次编辑，然后再对不同的地方进行细分，然后把编辑好的电路图通过群或者讨论组发给学生，这样既提高了效率，也避免了混乱。或者可以采取把第一次编辑好的电路图发到群里，然后让学生试着在手机上连接好发回群里或讨论组的形式，提高学生参与讨论的积极性，增强实验教学的投入感和互动性。

4 结论

传统实验教学不利于培养学生的探索能力和创新精神，大学物理电路实验也需要与时俱进，以适应科技知识激增的形势与培养学生科学素养与创新能力的需要。除了要让学生掌握物理实验的基本知识和能力以外, 还要通过实验课的学习领略物理学的精彩和魅力，力争达到减少学时,增强内涵降低难度,提高兴趣夯实基础,保证质量。把枯燥的实验教学灵活化、特色化。

在先前工作的基础上[4-6]，探讨的解决方案也存在着一些不足和弊端：譬如，学生在实验过程中玩手机或者微信聊天，分散了笔者注意力，从而影响实验的效果等。这些问题还需要在后续的实验教学过程中不断完善和总结。教师在实验课的教学过程中应成为学生学习的帮助者、引导者和促进者，持续激发学生的物理学习积极性以及培养学生的主动学习能力。有关大学物理实验课程教学改革仍有待于进一步深入实践和研究。