新冠病毒疫情下大学物理实验线上教学模式的研究

段 彬， 张凤琴， 唐笑年

（吉林大学物理学院，长春 130022）

0 引 言

2020年初突如其来的新型冠状病毒疫情在全国蔓延，对人们的生产、生活造成了极大影响。目前，在国家高效的防疫指挥及全民全力配合下，已经得到了有效控制。但是国外疫情已经呈爆发事态，外来输入型病例及无症状病例对国内疫情防控依然存在很大威胁。为阻断疫情向校园蔓延，确保师生生命安全和身体健康，教育部发出通知，要求2020年春季学期延期开学，通知指出原则上“疫情没有得到基本控制前不开学，学校基本防控条件不具备不开学，师生和校园公共卫生安全得不到切实保障不开学。”要进一步做好在线教育教学，既要明确当前线上教学“教什么”和“怎么教”，又要不断探索开学后课堂教学与线上教育的有机结合。为积极响应“停课不停学”的国家政策，所有高校的大多数课程已经有条不紊地开展了网络线上教学模式［1-5］，但是大学物理实验由于其课程的专业性及实践受限性一直未能得到有效开展。因此，明确大学物理实验教学特性及重点，有效利用现有资源［6］，开展、完善大学物理实验课程，达到实践教学效果、制定适合的效果评价体系是疫情防控下线上大学物理实验教学亟须解决的问题［7-12］。

为此，提出了居家大学物理实验教学模式。依据大学物理实验教学大纲及本科生实践教学培养计划，以实践创新能力培养为重点，适当选择居家能够完成的大学物理实验教学项目，分层次、递进式地在线上开展教学，利用课前自主预习、课中直播讲授、课后报告实训的全过程在线课程设计，满足、提升大学物理实验的教学质量，充分发挥在线教学的优势，让学生有效利用延期开学的宝贵时间。居家线上大学物理实验教学模式的构架如图1所示。

图1 居家线上大学物理实验教学模式构架图

1 以基础、综合性实验为主，开展分层次、递进式线上教学

基础、综合性实验是大学物理实验教学大纲要求的必做实验，是让学生掌握基本实验知识、技能、方法及在实验数据处理方法基础上，通过综合性实验训练，使学生综合解决问题的实践能力进一步提升，为设计性实验和创新性实验奠定基础。

该部分课程设置多个经典的物理实验项目供学生选择学习，课程将采用QQ、微信直播、钉钉等软件在线直播授课方式进行。

课前，教师将实验项目电子版指导教材、教师课件及相关仪器使用说明书上传给学生预习使用。除此之外，每一个实验项目教师都会布置相应的预习任务，推送知识点，例如数字示波器实验的预习内容为数字示波器在科研、电子技术、工业生产方面的应用，学生就此问题以预习报告形式提交相关论述，教师可根据报告内容予以学生预习确认。

课中，主要以主讲教师与辅助教师配合线上直播授课，内容由3部分组成：实验项目基本原理介绍及实验操作演示、相关实验项目数据处理及误差分析方法、在线实时答疑。首先实验项目基本原理及实验操作演示部分，主讲教师以PPT课件讲述，将着重介绍基本物理原理及其前沿发展状况或动态，结合物理原理阐述实验方案设计思路，主讲教师根据每个实验项目的特点，直播实验仪器及结构，仪器调试方法，测试内容、测试精度，演示实验数据的采集等。例如霍尔效应实验，在实验操作部分将重点介绍实验设备及其实验设计思路，实验操作过程将演示仪器如何调试、物理参数如何设置、数据如何采集，因霍尔效应实验会伴随一系列负效应产生，影响实验结果的准确性，教师也会在演示实验进程中，随时提出问题，学生抢答，如工作电流和励磁电流不变的情况下，其电流的方向改变，所产生的电压会变化，是哪种负效应所引起的等。而针对迈克尔逊干涉仪这类光学实验，实验教师将会重点介绍实验光路的设计思路，详细介绍几种干涉图样的调节方法，并且以展示图片的形式教会学生迈克尔逊干涉仪的读数方法。线上实验操作演示之后，主讲教师将讲授每个实验项目的数据处理及误差分析方法，并且为学生提供相应实验的数据库，学生从数据库中随机抽取实验数据，课后进行数据处理及误差分析，简述课后思考题，并在期限内提交相应的电子版实验数据处理报告。在线上教学的课中除了1名直播的主讲教师外，还会配备1名辅助在线教师，由于主讲教师主要精力都放在原理讲授与实验演示，所以难以关注学生在课程直播进程中所提出的问题，在线辅助教师的主要任务则是实时QQ群在线答疑，解答学生随时提出的问题，确保在线实验课程的教学效果和质量。

课后，主讲教师与辅助教师每天将会在固定时间段针对学生的问题进行线上答疑，并且会介绍一些例如Origin、Matlab、Tracker等数据处理软件的使用方法，完备学生实验数据的处理能力。与此同时，如电学类实验连线问题，教师可将电学器件组合照片发给学生，学生可利用课后时间在照片上画图连线，来满足电学实验实训的要求，提交连线后照片，教师会进行审阅批改。

2 以设计性实验实训，完善、提升学生综合实践能力

设计性实验是基础、综合性实验的进阶实验，本部分实验内容主要以学生自主设计实验方案、搭制实验装置为重点，培养学生的综合实践能力，弥补基础、综合性实验动手操作不足的问题。

课前，教师会提供给学生相应的设计性实验题目供学生选择，并根据题目提出实验内容及要求，学生选择后教师会以邮寄方式将实验仪表、附件、耗材包发放到学生手中，学生依据耗材包内的材料，自主设计实验方案提交报告。课中，实验教师依然直播讲解实验原理，纠正学生实验设计中的典型错误，并列举一些入门实验测量解决方案。课后，学生根据自己的设计方案搭制实验装置，动手实践测量，依据测量的数据进行数据处理及误差分析，并提交电子版实验报告。若有更佳实验装置，因条件所限，无法制作，可提交电子版模型。实验中，会在QQ群提供相应的讨论窗口，学生可以小组形式根据设计性实验题目发挥创造性，继续进行延伸实物制作、探讨及研究。例如太阳能电池特性研究和无线输电技术特性研究与无线充电设备设计实验，学生完成基本实验要求后，可制作太阳能驱动的模型车、DIY手机无线充电设备等，所用耗材依然可以邮寄提供给学生。在学生返校后，实验下发的数字万用表、模型车等用具交回实验室。

3 以全国大学生物理学术竞赛（CUPT）实验拓展学生的创新实践能力

全国大学生物理学术竞赛每年都会更新一些生活中常见的物理现象为研究对象的开放性研究题目，并且每道题目都蕴含一定解决实际问题的物理原理。教师将从历年CUPT竞赛中选取一些居家配合手机传感器即可完成的实验题目供学生选择，学生将完全自行准备实验材料，调整实验环境，利用手机测量数据，并运用数据处理软件进行数据处理，根据实验现象及实验数据建立数学模型，做出相应的物理解释。由于该部分实验难度较高，学生将以团队形式合作完成实验任务。

课前，教师会将题目公布给学生，学生根据兴趣、专业选择题目，根据题目描述的现象，查阅相关文献，进行初步理论分析，并提交实验设计方案及文献报告。

课中，教师会在线上直播讲解每个题目涉及的物理原理，为学生指引实验设计及理论分析思路。

课后，教师依然每天线上答疑，学生完成实验目标后将以团队为单位提交研究报告，并进行直播讲解及研究答辩。教师可根据每个团队的研究深度及答辩效果予以成绩评定。

例如2019年全国大学生物理学术竞赛题目中，填充的瓶子（题目内容：当垂直水流射入瓶子时，可能产生声音，当瓶子装满时，声音的特性可能会改变。研究该系统的相关参数，如射流的速度和横截面、瓶子的大小和形状或水温等对声音的影响。）与莫尔条纹织物密度镜的设计（题目内容：当紧密间隔的非交叉线的图案被覆盖在一块机织物上时，可以观察到特征的莫尔条纹。设计一个可以测量机织物的经纬密度的覆盖物，确定测量简单织物的精确性，并调查该方法是否对更复杂的织物是可靠的。）两个题目完全可以居家完成实验。

填充的瓶子实验可在家中随意挑选不同容积、形状的瓶子进行实验，可通过调节水龙头开关调节水流量大小，可利用智能手机中的Phyphox软件测量水流注入瓶子声音的频率、响度及波形数据（见图2），而注入瓶内的水量可通过手机录制视频然后运用Tracker软件进行时间分辨的对应跟踪。两种数据采集的结合即可完成该实验。

图2 Phyphox手机软件测量声音数据图

莫尔条纹织物密度镜设计实验则可在家中随意挑选适当的布料，而覆盖的粗光栅制作就更加开放，如图3所示实验现象，即为在透明胶带上等间隔的平行贴上铅笔芯覆盖在亚麻布上的莫尔条纹图样。通过改变铅笔芯的直径（市场可买到标准直径为0.5 mm、0.7 mm、1.0 mm等的铅笔芯）与相邻铅笔芯的间隔即可改变粗光栅的光栅常数。不同光栅常数的粗光栅放在不同的布料上现象也会不同，学生可根据实验现象总结相应规律，并通过数据处理及误差分析设计一个最优的莫尔条纹织物密度镜。

4 以虚拟仿真实验，完善实验教学体系构架

虚拟仿真实验为扩展性实验，主要为拓宽学生视野，让学生了解更多经典且复杂的实验项目。本部分实验主要依托国家虚拟仿真实验教学项目共享平台（网址：http：／／www.ilab-x.com／）进行，平台物理虚拟仿真实验包含声学、应用物理、核物理等学科的丰富物理实验项目供学生在线使用。学生可根据兴趣选择实验进行在线模拟，实验教师会随时在理论、操作等方面进行答疑。

图3 莫尔条纹实验现象图

5 结 语

经过基础、综合性实验、设计性实验、大学生物理学术竞赛题目实验、虚拟仿真实验的居家实验方案设计，在满足大学物理实验教学大纲和本科生实践教学培养计划的前提下，最大限度地利用现有资源，实现分层次、递进式教学；进行多方位实验内容拓展与实验层次提升；实施了课前、课中、课后全过程的线上授课方案，保障了大学物理实验线上教学质量，充分发挥了在线教学的优势，高质量地做到“停课不停学”，贯彻了国家防疫政策。