将大学物理实验竞赛题目引入互联网教育模式下 选修课程的实践与思考

郭亮 沈璐 申芳芳 张晶莹 段学智

摘  要：为充分发挥大学物理实验在提高学生动手实践能力，培养学生创新能力的作用，实践了以吉林省大学物理竞赛“物理微小形变量的测量”题目为大学物理实验选修课程。在2个学期的教学实践中，课程分为三个部分进行，网上教学是将课程的相关知识及视频放在学校网络教学平台上，学生根据自己的情况自主学习;课堂实验是根据学生不同的兴趣点，教师因材施教，分组独立完成实验的设计，测量和误差分析等;报告交流是学生根据自身实验的设计，误差处理等方面进行相互的交流学习。课程不仅充分发挥大学物理实验竞赛的作用，扩展大学物理实验课程的广度和深度，还培养了学生科学的习惯和思维方式，取得了良好的教学效果。

关键词：大学物理实验竞赛;大学物理实验;选修课

中图分类号：G642       文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）25-0067-04

Abstract： In order to improve the students' practical and innovation ability， the elective course of physics experiments have been practiced with the subject of "measurement of small physical variables" of the undergraduate physics experiment Jilin province competition. In the two semesters of teaching practice， the course consists of three parts. Online teaching is to put relevant knowledge and videos of the course on the school's online teaching platform， and students learn independently according to their own circumstances; the teacher's experimental teaching is based on the different interests of the students. Students complete experimental design， measurement and error analysis in group. Communication is an exchange between students based on their own experimental design and error analysis. The courses not only play an important role in college physics experiment competition to expand the breadth and depth of university physics experiment courses， but also cultivate students' scientific habit and thinking mode， and have achieved good teaching effect.

Keywords： undergraduate physics experiment competition; college physics experiment; elective courses

大學生物理实验竞赛本着激发大学生对物理学和物理实验的兴趣，培养大学生知识综合运用能力和实践能力，提高大学生的创新意识和团队协作意识目的，对发掘大学生潜能，促进物理实验教学改革起着不可替代的作用[1]。然而参加省级比赛和国家级比赛的学生都是少数。这样就出现2个问题：

一是在全校范围内参与竞赛的学生人数少，一些对物理和物理实验有兴趣的同学参与度不高[2]。故只通过物理实验竞赛的平台很难达到培养大学生的目的。

二是对大学物理实验教学改革的促进作用有待提高。大学生物理实验竞赛的竞赛题目具有很好的知识性，创新性，综合性等[3-4]。然而，题目一经采用，下次无法继续使用。同时，由于教学大纲的要求，也无法进入常规课程体系中，对竞赛题目来说是浪费资源。由于没有具体的实践教学，对教学改革的促进有限。

目前，大学物理实验课时在教学改革中一直在缩减，很难兼顾课程在广度和深度方面的要求。大学物理实验选修课程不仅可以增加对物理实验有兴趣同学的课程，对大学物理实验课程进行了很好的补充，还增加课程难度、拓展课程深度，切实提高课程教学质量。贯彻了2018年9月教育部下发了《教育部关于狠抓新时代

全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》的加强学习过程管理的精神。在选修课程中利用互联网模式等教学手段，不但可以减少传统教育模式大学物理实验选修课程对师资资源的要求和提高成绩评价管理。故将大学物理实验竞赛题目引入互联网教育模式下选修课程是将大学生物理实验竞赛题目的资源与互联网模式教学的有机结合。本文对该课程在实践过程中各个环节进行了分析和对培养学生和教学改革方面进行了思考。

一、大学物理竞赛与选修课程相结合

将大学物理实验竞赛引入互联网教育模式下的大学物理选修课程，针对竞赛培养学生和促进教学两方面的问题，提出了很好的解决方案。首先选择引入选修课程，这既不影响教育部对理工科学生关于正常的大学物理实验课程的学习要求，也满足了一些同学渴望学习物理和物理实验知识的要求。同时，也使得拥有更多时间和空间空闲的物理实验室得到更加充分的利用。其次，选择互联网教育模式，是为了充分发挥互联网教育优质教育资源的共享利用，使学习活动与互联网紧密结合[5]。互联网教育模式不但可以减少传统教育模式下大学物理实验对师资资源的要求，还可以针对不同的同学进行有的放矢的学习，真正做到因材施教。将实验竞赛题目的实验背景介绍，实验基础知识，实验操作注意事项等相关实验视频放在网上教学。根据学生提出的问题进行解答，针对学生兴趣点的不同，设置不同的实验侧重点。再次，在线下课堂完成实验组队，同一实验针对不同的实验小组，可以在实验的创新性，实验误差处理等方面分别进行研究。而在实现小组内部，针对每一位同学分配不同的任务，提倡团队合作精神，实现目标实验的设计，测量和误差分析等。课程的考核方式采用PPT现场报告和文字报告相结合的方式完成，让不同组的同学进行相互的展示和交流。这种开放性的选修课既扩展大学物理实验的深度，也起到了因材施教效果，培养学生综合运用知识能力和实践能力，提高学生的团队协作意识，起到了很好的教学效果。

具体物理实验竞赛选修课程分成三个主要部分具体实施：

1. 课程基础知识体系的介绍、相关原理的展开以及相关实验视频。（互联网模式）

2. 提出实验设计构想，实践实验装置的制作，完成测试与分析。（团队实践合作模式）

3. 实验总结，实验的交流和展示，完成PPT报告。（展示交流模式）

二、以物理实验竞赛题目为选修课的实践

以吉林建筑大学大学物理实验选修课程中“物体微小形变的测量”的课程为例说明。题目“物体微小形变的测量”选自第二届吉林省大学生物理实验竞赛题目，目

前选修课已完成2018-2019学年2个学期的课程。课程一共16学时，1个学分。共计64人完成了该选修课的学习。整个课程过程贯彻“因材施教、注重实效”的授课原则，以学生为主体、教师为主导，采用互联网教育模式与传统实验教学有机结合的教学模式，拓展《大学物理》《大学物理实验》课程知识广度和深度，培养学生理论联系实际的能力以及积极主动的探索精神。

（一）互联网模式下课程基础知識体系

对物体微小形变量测量的原理进行简单介绍，从物体微小形变的概念开始，物体微小形变是指物体受力、热等影响发生无法直接测量的微小形变。根据实验室现有的基本条件对物体微小形变的测量可利用光杠杆原理放大法，电阻应变片测量法，迈克尔逊干涉法等。接下来对光杠杆原理放大法以及电阻应变片法进行详细介绍、说明以及相关的视频演示。具体有实验原理、实验操作及注意事项、实验内容、线上作业、实验设计方案和讨论的问题等。这些让不同专业和不同物理基础的学生都能够对基本的实验原理进行掌握和了解。对在网上设置相关作业和讨论内容，对学生的学习情况有一定的了解和掌握。

图1 互联网模式的物体微小形变量的测量课程

图1所示为互联网模式的物体微小形变量的测量课程，该网上课程也在2个学期的教学中，根据学生反馈的情况不断完善。增加了相关的文献，数据处理要点等知识点。然后再进入实验室进行具体的实验。在进行具体实验之前要完成实验的设计，主要是针对生活中物体微小形变量进行设计并测量。学生自行分组把设计好的实验方案和所要研究的内容对老师进行一个汇报。并在老师的指导下进一步完善实验的设计，明确实验的目的。实验基础知识学习是学生自行在网上完成，老师讲解和指导部分，占用4个学时。

（二）自主实践模式下的实验操作、测量与误差分析

根据实验室现有实验条件，学生的设计主要有对不同材料微小形变量的测量等。例如利用挤压可使得瓶子产生微小形变，但是由于实验室无法对挤压的力和具体的形变量进行测量而没有进行。对不同材料，不同直径金属线进行测量，对不同光杠杆放大倍数的实验进行测量，进行误差分析，使得学生对测量误差的理解更加直观，更加深刻。本文中主要以二维片状材料进行实验举例分析。

实验测量日常生活中常见的不锈钢板材料的微小形变。在不锈钢板的一端通过改变施加的砝码质量，使得不锈钢板发生微小形变。通过不同质量的砝码力定量对不锈钢板的形变进行测量。测量分为两个过程，一方面利用光杠杆原理放大法来测量钢板的形变量;另一方面，利用电阻应变片法对微小形变进行测量。

图2 不锈钢板微小形变量实验装置图

不锈钢板微小形变量实验装置如图2所示，在实验装置制作过程中，研究克服了多种的困难：1. 力的施加，采用不损害实验材料的方法对不锈钢板进行固定，具体操作是在钢板的边缘分别用卡扣固定，达到了固定钢板的效果（如图2中放大图）。2. 光杠杆法部分，为防止光杠杆前端的滑动，在不锈钢板上粘贴刻有凹槽的透明胶，使得光杠杆前端固定，达到了良好的实验效果。3. 电阻应变片法部分，电阻应变片的粘贴，试用了多种粘贴方法，最后达到了较好的实验效果。

在实验测量过程中，不同的实验小组针对不同厚度的不锈钢板进行了微小形变量的测量。对于薄，中等，厚的不锈钢板，分别以20g，100g，500g砝码为递进增加。电阻应变片法测量（如图2中电路图）所用的电阻应变片型号都是120-3AA。由于不锈钢板形变变化很小，电阻应变片的阻值变化也很小，故将电桥装置中电桥臂的比例调整为100倍。在调整好的实验体统中，团队合作，同时光学和电学的数据。以上部分理论要求8学时完成。

（三）PPT报告交流，实验展示

学生很多时候实验完成很好，但是并不能把自己做的事情表达清楚，所以选修课的最后环节是PPT报告。报告要把实验内容很好的表达出来，以小组形式完成对实验设计思路及改进的整理，对实验过程及数据处理过程中遇到的困难和问题的解决，最后对整个实验过程进行总结。在传统课堂上往往总结交流过程总是欠缺的，选修课在这方面进行了很好的补充。以上部分要求4学时完成。

三、以物理实验竞赛题目为选修课的思考

以物理实验竞赛题目为选修课经过2个学期的实践，因材施教，充分调动学生学习的积极性和潜能，取得了良好的教学效果，为学生提供了一个创新实践的平台，对学校参加各类竞赛起到了很大的积极作用。课程同时对学生培养和促进大学物理实验教学起到积极的作用[6]。

（一）学生选修以物理实验竞赛题目为选修课的意义

学生在课程过程中学习到了科学的思维方式，提升了实验实践能力和团队协作能力，找到了物理实验的乐趣。学生在学习过程中的转变，变被动为主动学习，不只是为了学分，成绩学习，传统课堂中学生对一些只需要按照老师布置的内容参考教科书上的步骤，进行机械化的实验操作不是很感兴趣。学生对一些物理实验课是枯燥无趣、简单验证性的实验，也大多都是应付了事。而当真正需要学生动脑、动手去完成或者构想一项实验时，学生往往是茫然不知所措的。而选修课激发了学生的兴趣，这点可以从课程中学生想要完成实验，测好数据，自主的小组讨论，晚上还加班加点测试中看得出来，学生在实验中找到了乐趣，挖掘了学生的潜能。学生真正做到了“教一学二考三”的要求。

（二）以物理实验竞赛题目为选修课对教学改革的意义

以物理实验竞赛题目选修课为契机，为学生提供了一个创新实践平台，同时在常规的大学物理实验课程中促进一些原有的教学思维的改善，让学生被动的学习转变为主动学习，转变传统的教学方式，尽量减少老师讲解和演示，让学生自主学习，再独立完成进行操作，提高教学效果。充分利用互联网教育模式的特点，将基础知识点，实验视频，一些扩展的文献整理到网络教学平台上，通过网上测试和实践操作相结合的方式对学生的基础进行掌握。另一方面，课程对实验教师有了更高的要求，老师既要熟悉基础实验测量知识，又要更加全面的了解实验前沿，要求老师不断学习。

四、结束语

本文实践研究并思考了将大学物理实验竞赛题目作为选修课，采用互联网教学与实践教学相结合的课程模式。充分利用物理实验竞赛题目的知识性、趣味性和可实践性的特点，激发广大学生对物理实验兴趣的作用，让更多的学生参与到物理实验中来，为学生搭建能够充分发挥创新和实践能力的平台。以学生主体、教师引导，因材施教，学生独立完成实验的方式，达到了良好的教学效果。同时对实验课程广度和深度的教学也是一个很好的补充。这种以实验为主的选修课在培养学生的创新能力、解决问题的能力和团队协作能力等方面发挥了重要作用。课程在实践摸索中不斷完善，对大学物理实验教学也有很大的促进作用，具有很好的推广性。

参考文献：

[1]周珺.以物理实验竞赛为抓手大学生实践创新能力的培养[J].大学物理实验，2018，31（04）：115-117.

[2]何仁生，皮斌斌，翦知渐，等.大学物理实验竞赛引起的反思[J].物理实验，2018，38（12）：31-35.

[3]王槿，王铮，惠王伟，等.基于全国大学生物理实验竞赛命题导向的物理实验教学探索[J].物理实验，2019，39（10）：25-30.

[4]熊泽本，吴聪.谈谈参加物理实验竞赛的启示[J].实验室科学，2015，18（05）：228-230+233.

[5]沈璐，郭亮，段学智，等.互联网教学模式下的大学物理实验构建的思考[J].教育教学论坛，2018（21）：277-278.

[6]陈晓白，李宝河，李熊，等.大学物理实验竞赛对物理实验教学的启示[J].物理与工程，2017，27（S1）：172-174.