基于智能手机“物理光学实验”教学模式的探索

丁双红，王中训，晋 刚

（烟台大学 物理与电子信息学院，山东 烟台 264005）

信息技术的迅猛发展，特别是进入智能手机和移动互联网时代，学习者在智能手机卓越的软硬件环境和高速移动网络的支持下，为大学教学改革提供了广阔的空间［1］。智能手机具备无线接入互联网以及多媒体应用等功能，既方便随身携带，又为软件运行和信息交流提供了广阔的平台。微信是应用广泛的移动社交平台，拥有广阔的流量入口，具有更强的互动性、娱乐性和便捷性，也是学生使用广泛的手机应用App。微信、微信公众号和微信小程序更加符合学生的信息获取和交流习惯，微信平台在教学中的应用可以调动学生学习兴趣，所以被越来越多地用于教学［2］。

随着技术的发展，智能手机普遍配有多种传感器，例如加速度传感器、声传感器、光传感器等，同时众多的App利用这些传感器实现相应物理量的测量，例如Physic Stool Box、SensorKinetics、Phyphox等。智能手机除了实现通信功能之外，也成为普及率极高且功能强大的测量设备，近年来被越来越多地应用于辅助教学和科研工作［3］。手机相机采用CMOS传感器，目前常用的像素为1200万。CMOS可以实现亮度、白平衡、边缘增强等自动处理，可以说如今有些手机的拍照功能完全不亚于一台专业的数码照相机。手机相机的高性能亦被应用于教学及科研，取得良好的效果［4］。

物理光学实验教学目标是训练学生的光学实验操作与技能，加深对理论概念和理论的理解，同时培养学生分析问题、解决问题的能力，以及严谨认真的科学态度。受限于经费投入，实验教学设备台套数少，设备配套不完整。同时，学生对实验教学不重视，缺乏学习兴趣和学习主动性。本文运用移动互联网提供的信息传输及交互功能，利用智能手机在传感、信息采集等方面的功能，探索基于移动互联网与智能手机的“物理光学实验”教学模式。该教学模式在实验教学的各个阶段，充分利用移动互联网和智能手机的信息化功能，提高实验课程的管理效率，辅助实验的测量和记录，激发学生学习的积极性、主动性。该教学模式在教学实践中有效地提高了实验的教学质量和效果，同时引导和启发学生将信息技术更多地运用于获得知识，提高认知水平和提升创新能力上。

一、物理光学新教学模式的设计

经过探索和实践，建立的基于移动互联网与智能手机的“物理光学实验”课教学模式如图1所示。“物理光学实验”教学过程总体分为三个阶段：实验课前期准备、实验教学过程和实验课总结改进，以形成独立完整的实验课程教学体系，可以根据教学需要、学生需求及信息化技术发展等条件，实现持续迭代优化。每个实验项目的教学采用“实验预习—实验操作—实验报告”的过程管理模式。该教学模式在实验教学的各个环节，充分利用移动互联网和智能手机的信息化功能，提高实验课程的管理效率，补充实验设备的不足，引导学生将移动网络和智能手机作为学习的重要手段和工具，训练学生利用信息技术获得知识的能力，提高认知水平，提升创新能力。

图1 基于移动互联网与智能手机的“物理光学实验”课教学模式

二、教学模式的构建与实施

（一）实验课前期准备

光学实验有其特殊性，学生走进实验室之前，需要学习相关的预备知识，以保证教学效果，同时保障人员及设备的安全。学生实验课前期预备阶段需要了解的知识有：（1）实验安全教育，包括实验室安全及光学实验安全教育；（2）光学实验基础知识，包括基本光路调节方法、常用光源等；（3）实验数据及处理，包括有效数字、误差分析、数据处理等；（4）实验课程要求，包括实验教学过程管理方法、实验课评分标准等；（5）手机辅助教学功能，了解微信平台、微信公众平台及小程序用于实验教学。了解智能手机普遍配有多种传感器，利用相关App可实现相应物理量的测量，辅助实验测量和记录；了解智能手机相机性能及拍摄模式，可用于实验教学。

在本阶段，教师收集相关材料，利用手机拍照及拍摄视频，制作实验指导材料。智能手机的多媒体功能可以把文本、图片、图像、动画和声音等形式的信息结合在一起，通过微信公众号“光学Lab”上传教学资料，大大方便了信息的发布与传递。建立课程微信群，进行实验教学安排和通知。通过微信群与学生进行在线交流和答疑。学生通过微信公众号学习相关资料，通过手机端随时随地学习，通过多媒体资源（包括视频、文本、图片等）学习，提高学生预习效果。通过课程微信群预约实验时间。通过微信群交流答疑等。

（二）实验教学过程

实验课程是一门实操课程，在考查学生理论知识掌握情况的同时，也更加重视学生动手能力的培养，实验后的总结及数据处理也是重要的考查环节。因而每个实验项目采用“实验预习—实验操作—实验报告”的过程管理模式，注重过程考核，分阶段考查学生的完成情况，各阶段成绩占比为20%、40%、40%［5］。

1.课前预习。此阶段，教师收集实验相关材料，利用手机拍照及拍摄视频，制作实验指导材料，包括实验目的、实验原理、实验装置、实验内容及要求等。通过微信公众号“光学Lab”上传各实验项目资料：迈克尔逊干涉实验、法布里—珀罗干涉实验、偏振光的检测与干涉实验及晶体电光调制实验。通过课程微信群，进行实验教学安排和通知，与学生在线交流和答疑。学生利用微信公众号线上预习，了解实验目的、实验原理、实验装置、实验内容及要求等，书写实验预习报告。通过课程微信群预约实验时间及接收课程通知。通过微信群交流答疑等。

2.实验课上。教师通过微信小程序组织学生签到，采用问卷方式检查学生的预习情况，作为评价预习成绩的依据。实验前讲解实验原理、实验装置及操作、实验内容及要求、手机辅助实验记录和测量的方法等。课堂上通过微信群发送照片或视频，进行相应的实验演示，可以使每个学生都能实时看到实验操作过程。实验过程中，手机录制视频和拍照，记录学生实验情况，作为评价实验过程成绩的依据。查看课程微信群或公众号里学生分享的实验视频及照片，及时发现问题，进行讲解和交流。学生通过手机查阅与本实验相关的一些问题，从而拓展知识面。实验过程中，学生利用智能手机的视频录制和拍照功能进行实验过程的记录。在课程微信群或公众号里，学生分享实验视频及照片，进行探讨和交流。利用智能手机上运行Excel及科学计算器等数据处理软件，将采集到的数据进行简单的处理，通过数据分析，自行判断操作过程的正误，培养学生发现、解决问题的实践能力。智能手机具有光传感器、压力传感器、温度传感器和湿度传感器等功能，利用相关软件可以直接测量光强、压力、温度及湿度，辅助实验测量和观察。

3.实验课后。教师课程微信群或公众号里，学生上传的实验过程中拍摄的实验视频及照片，作为影像资料进行考核备案，并选取实验过程记录及实验结果优秀的手机视频和照片发布在网上供学生观摩学习；整理制作实验报告写作规范、数据处理范例、实验报告优秀范例等，上传微信公众号“光学Lab”；收取及批改实验报告，再结合预习及实验过程情况给出成绩，通过微信群线上答疑等。学生学习公众号相关资料，查阅网络相关资料，对实验数据进行分析处理，对实验视频和照片进行处理，对实验进行分析总结，书写完整的实验报告，提交实验报告，通过微信群交流答疑等。

（三）实验课总结改进

在教学实践过程中，不断总结经验，分析问题，接收学生的反馈意见，结合信息技术的发展，对实验课程进行改进，包括实验内容充实、实验流程优化、教学管理环节优化及手机及移动互联网辅助教学的功能开发，完善公众号课程资料，开发实验课小程序。学生通过微信交流和反馈实验课程学习感受，就手机及移动互联网辅助教学提出建议，开发小程序及手机实验。

三、教学实践效果与思考

经过近三年的探索和实践，形成了较为系统可行的基于移动互联网与智能手机的“物理光学实验”教学模式，取得了良好的效果。同时，该教学模式仍有多方面的不足，需要进一步改进提升。

（一）弥补实验设备的不足

目前开设了迈克尔逊干涉仪、法布里—珀罗干涉实验、偏振光检测及干涉实验、晶体电光效应实验等。采用智能手机辅助实验的测量和观测，解决了实验设备台套数少、实验设备配套不足等问题，很好地完成了实验教学任务，取得了良好的效果。例如，实验室没有F-P干涉仪实验设备，利用迈克尔逊干涉仪进行改装。实验室没有配套的观察F-P干涉图像的望远镜，眼睛直接观察，虽然可以观察到干涉图，但观察困难，难以完成钠光双线波长差的测量任务。实验中，采用手机相机代替望远镜，可以清晰便捷地观察干涉图样，实现了波长差较高精度的测量。偏振光检测及干涉实验中，利用手机光敏传感器及陀螺仪，基于布儒斯特角测量原理进行了三棱镜折射率的测量，实验中测量了手机屏发光的偏振态等。手机相机观察和记录了偏振干涉及迈克尔逊干涉的干涉图样，手机软件实现干涉条纹的自动计数等。

（二）提升教学管理效率

采用微信、微信公众号、小程序等，教师随时更新教学资料，及时发布课程通知，与学生及时交流。新的教学模式提升了教学管理效率，解决了实验人员不足的问题。

（三）激发学生的学习兴趣

新的教学模式极大地激发了学生的学习兴趣和创新热情。特别是采用智能手机辅助实验的测量和观测，学生纷纷学习自己手机中相机及探测器的性能；查阅相机的性能参数，探索用于实验记录的最优拍摄模式；广泛查阅手机具有的传感器性能参数，了解各类手机测量及数据处理App开发的基于手机传感器的实验；尝试开发实验专用App及小程序等。

（四）进一步建设展望

“物理光学实验”新的教学模式取得了良好的效果，同时该教学模式仍有多方面的不足，需要进一步改进提升。实验教学资料有待进一步充实和完善，更多地采用微课的形式，更多以视频的方式进行学习资料的展示。根据学生的学习习惯和学习心理，设计思维导图，组织实验教学的学习资料，提升学生自主学习的兴趣和意愿。

本文基于微信社交平台的优势开发的实验教学模式，利用微信公众号构建教学平台，利用课程微信群进行交流，课堂签到、提问等需要采用不同的微信第三方小程序，切换频繁。计划未来开发课程专用小程序，可以实现数据分析、干涉条纹计数、课堂签到、提问等功能，最终实现微信公众号+微信小程序的实验教学模式，进一步提升学生的学习感受和教学效果。

结语

本文利用移动互联网提供的信息传输及交互功能，开发利用手机的传感、信息采集、信息处理等功能，探索基于移动互联网与智能手机的“物理光学实验”新的教学模式。该教学模式能充分利用移动互联网和移动端的信息化功能，补充实验设备的不足，提高教学管理效率，激发学生学习的积极性、主动性。教学实践表明，该教学模式可以有效地提高“物理光学实验”的教学质量和效果。