大学物理实验课程教学策略和模式创新案例——拉脱法测量液体表面张力系数

李慧丽 赵 炯

（华北理工大学轻工学院 河北 唐山 064000）

大学物理实验课程是理工科院校专业重要基础课程之一，是培养学生实践能力、创新能力和用实验方法观察研究物理现象规律能力的开端。就现实而言，学生在中学阶段动手实验甚至接触仪器的情况很是少，加之实验内容通常与大学物理相联系，理论知识较复杂。这就造成了学生不知教师所云，出现想糊弄应付、“坐大车”的现象[1]。为了提高课堂效率，我们打破传统带班模式，采用自主选课的形式，走出了一条特色道路。

大学物理实验课程教学实现了学生网上自主选课，自主选择实验项目和实验时间的开放式教学模式[2]。这种教学模式真正体现了以学生为主体，激发了学生学习的主动性，培养了学生对物理实验的兴趣和独立思考、主动学习的精神，加强了学生创新意识、创新思维能力锻炼，提升了学生动手操作能力。以拉脱法测量液体表面张力系数实验课程为例，实验课程教学策略和模式创新体现在以下四个方面。

1.确定三个教学目标

1.1 知识目标

通过理论课程的学习和实验操作，学生能够熟悉液体表面张力产生原因；了解影响液体表面张力系数的因素；掌握拉脱法测液体表面张力的物理过程和物理现象，并用物理学基本概念和定律进行分析和研究，加深对物理规律的理解。

1.2 能力目标

1.2.1 分析问题能力：教师以水的表面张力为课程主线，引导学生思考并寻找答案，从被动学习变为主动学习，提升分析问题、解决问题的能力。

1.2.2 科研创新能力：教师介绍最新相关科研成果，使学生了解最新发展动态，培养其科研思维和创新思维。通过线下理论-实践课程，分析水的表面张力产生机制，掌握砝码定标的方法，通过理论推导得到实验结果。培养了学生主动学习、探索知识的能力；实践与课程创新能力。

1.3 素质目标

1.3.1 提升学生的认知、实践能力：理论与实践相结合，通过课前预习、课中教师讲解、学生实践、课后教师批改报告等形式，融入“团结、协作、质疑、友善、诚信、公正”等核心价值观[3]。

1.3.2 极大引发学生基础课程学习的关注度，使学生对物理实验课程产生浓厚的学习兴趣。表现在学生亲自动手实践，在理论知识学习的基础上，加深对所学知识的理解，提高了自身对课程学习的专注度，使主动探索问题的能力得到提高。

1.3.3 将物理学与人文完美融合，实现“寓教于享、寓教于乐”[4]。通过《琵琶行》中“嘈嘈切切错杂弹，大珠小珠落玉盘”引出由于液体表面张力存在产生的自然现象，以文学为主导融入多种艺术形式等多样化的教学策略，将物理学与人文融合一起，使枯燥的物理实验课程实现了人文化，预期达到寓教于享、寓教于乐的情感目标。同时课程思政也融入教学，使学生认识到表面张力既可以成为人类游泳的阻力，也可以成为昆虫的生存秘籍，使学生辩证的看待困难，变压力为动力。

上述三个教学目标的实现要把握好学生课前的学情。其中有利学情包括：（1）课前学生已经掌握了物体受力分析方法和分子运动学理论内容，对用拉脱法测量液体表面张力系数课程学习有一定的理论基础。（2）课前学生完成了预习实验报告，对本次课程有了一定的了解。（3）课前学生已经掌握了逐差法处理数据的方法，对于实验数据的处理有很大的帮助。不利学情包括：（1）学生早期未接触液体表面张力知识，存在知识缺陷，导致理解有困难，增加学生物理实验的难度。（2）砝码定标的方法求转换系数，极大增加了学生处理实验数据的难度系数，对教师授课提出巨大挑战。（3）学生在拉脱法测量液体表面张力过程中寻找向上拉环最大拉力位置很难控制，增大了实验误差，对实验数据产生质疑。教师通过课前学情的把握，能够了解学生的知识基础，便于安排实验课程内容。

2.教师教学三部曲

2.1 课前教师准备工作

课前教师完成网上选课平台的搭建及设置和实验仪器的检修、调试及摆放工作，并且告知学生物理实验课程的上课流程及安排。教师具体工作包括：（1）录制微课视频。（2）完善虚拟仿真实验平台中本实验相关内容。（3）准备课中教学活动及拓展内容。（4）完成课堂所需实验装置及教具的调试。而学生首先要自主学习，观看教师录制的微课视频，对本次课程的核心知识点有初步认识和了解；其次，学生认真完成液体表面张力系数测量的预习报告；最后，学生在网络平台上进行模拟仿真实验操作。

课前教学策略的目的主要包含四个方面：（1）物理实验中心虚拟实验平台能够展现真实实验状态，为学生仪器操作奠定一定的基础。通过液体表面张力系数测量的虚拟仿真实验操作，学生能够对仪器操作有一定了解。（2）学生经过对实验的初步自学，简单总结实验目的、原理和操作，并完成预习报告，能够对实验课程理论有一个深刻的认识，并且带着问题去学习。这就改变了以往填鸭式的授课方式，激发了学生学习的积极性[5]。（3）视频播放的目的是为了提炼液体表面张力实验重点，为学生初步展现实验内容。（4）撰写预习报告，有助于提升学生自主学习、总结提炼的能力。

2.2 教师课上讲解实验内容

教师以液体表面张力的发现、解释、提出理论和验证的纵向逻辑思维为思路，穿插与表面张力有关的自然现象，最终引出本实验目的——测量计算出自来水表面张力系数。

实验授课过程包含以下三个环节：

（1）引课-介绍表面张力相关的自然现象。以现象-本质为线，穿插以科学实验方法进行授课。物理实验课程是学生“看得见、摸得着”一门课程，能够形象地展示自然现象，加深学生对表面张力概念和产生的记忆和理解。实验课程实施具体策略：首先，教师提到自然界关于表面张力的现象；其次，对现象进行解释；最后举出表面张力在实际生产生活中的应用有哪些？这样的课程设计主要是以介绍不同自然现象的方式引入液体表面张力，激发学生学习兴趣。同时，教师能够把课堂内容和思政融合到一起。通过观察引入不同现象，培养学生分析问题、解决问题的能力以及求真务实的态度。

（2）教师讲解实验原理。教师以大学物理力学知识为依托，分析实验中向上拉动的铝环最大拉力，建立等式。由于拉动铝环的拉力实验无法测量，需要寻求另外一个物理量去代替拉力。为了满足实验测量要求，表面张力实验提供了测量的物理量为电压。这就要求学生在实验中找到力与电压的转换系数才能够计算出自来水液体表面张力系数。实验讲解过程要强调实验的重点是用标准砝码对测量仪进行定标；难点是拉脱法测定自来水的表面张力系数时的受力分析。这种授课策略以液体表面张力为主线，在理论课程讲解同时穿插实验演示，引导学生认识液体表面张力产生机制，掌握砝码定标的方法，进而能够利用逐差法处理实验数据，得到实验结果。

（3）课上学生实验操作。学生单人单组独立完成实验，进而达到提升动手操作和实验能力；教师能够单个辅导学生，针对具体问题及时处理，保证学生实验的顺利完成；学生进行实验时，教师观察学生操作状况，汇集学生产生的问题，针对不同问题统一或单独指导。

2.3 课后教师批改报告

课后教师根据课前预习占10%、课堂表现占45%、数据处理占45%对每个学生进行打分。实验报告能够反应学生课上理论学习和实验操作情况。教师针对报告中的问题给与批示。学生根据实验报告中的错误能够进行分析和总结，加深对表面张力实验的理解。一方面，学生经历实验设计、修正、完成及报告撰写，提升了自身的科学严谨性和完整性，培养了科学实验能力及思维。另一方面，教师课后能在网上提供相关实验的课外材料，拓宽了学生知识的广度。同时，教师能够在网上及时获得学生反馈意见，进而不断改进提升自身的教学质量。

3.教师教学策略

3.1 教学理论和实验仪器相结合。通过实验仪器的操作加深学生感官认识，形象生动地理解液体表面张力概念，更加深入掌握实验原理。

3.2 板书的运用：通过板书将铝环受力分析和逐差法呈现于黑板，使学生能够充分地理解表面张力产生的根本原因。

3.3 媒体应用：利用教学视频展示水蜘蛛在水面轻盈地行走和夏天荷叶上的水珠。引出实验课程研究的问题—液体表面张力。学生有感性认识上升到理性认识，透过自然现象看到液体表面张力的本质。

3.4 实验器材的应用：能生动再现液体表面张力实验过程，便于学生理解液体表面张力。

3.5 实验独立操作：学生能够探索液体表面张力实验存在的未知问题，加深对表面张力概念的理解，培养学生实事求是的科学态度。

3.6 设置问题：在授课过程中穿插提问、设问等形式，引导学生建立独立思考的能力，激发学生探索未知世界的兴趣。

3.7 课堂交流：学生通过实验操作获得实验数据，发现问题相互之间进行讨论，培养学生善于发现问题和解决问题的能力。

4.教学特色

拉脱法测液体表面张力系数实验课程采用了互动式教学模式，充分调动学生的积极性、主动性。主要体现在：（1）预习互动：学生课前从网上预习，包括每个实验设计到的实验设备、原理、仿真调节等，写出预习报告，实验前教师当面检查预习程度。（2）实验互动：单人单组运行，教师通过巡视、观察，了解每个学生的实验进程，适时指导，体现学生为主体、教师为主导的互动教学。（3）课后互动：实验报告批改后，在下一次实验前返还学生，教师适时将实验报告中的问题当面说清或在报告中批注，学生有问题到办公室或网上提问。

总之，对拉脱法测量液体表面张力系数实验教学策略和模式的创新能够最大限度激发学生学习的主动性；能够培养学生分析问题、解决问题的能力以及求真务实的态度；能够提升学生创新意识，培养学生爱国情怀。