信息化技術與物理實驗教學的深度融合

吳 平 張師平 李 莉 陳 森

(北京科技大學 1數理學院； 2物理實驗中心，北京 100083)

信息化技術與物理實驗教學的深度融合

吳 平1張師平1李 莉1陳 森2

(北京科技大學1數理學院；2物理實驗中心，北京 100083)

北京科技大學通過3年的系統研究，對比了傳統實驗報告撰寫方式和信息化融合后的報告系統撰寫方式對培養學生實驗、科研能力的影響.探索了使用計算機智能評判技術提高學生實驗報告撰寫質量的可行性及方法，將信息化技術應用于物理實驗教學過程中.在2015年年底的對比試驗研究中，可以看到我們建立的物理實驗報告智能評閱系統，通過網絡撰寫、智能評判既保持了傳統手寫報告訓練的優勢，又大大促進了學生實驗數據處理和實驗分析能力的培養，在保證報告評閱過程中的全面、公正與公平性的同時，還極大地減輕了教師批改實驗報告的工作量.

信息化技術；物理實驗；實驗報告智能評閱系統

大學物理實驗課程是理工科大學生的一門必修實驗課程.如何運用現代信息技術促進課程教學質量的提高一直是各高校都十分關注的問題.目前，很多高校主要在實驗預約、成績管理、仿真實驗、MOOCs視頻教學等方面應用信息化技術.但如何在實驗報告方面恰當地應用信息化技術的研究還尚顯不足.

物理實驗課程覆蓋面廣，具有豐富的實驗思想、方法和手段，同時能提供綜合性很強的基本實驗技能訓練，是培養學生科學實驗能力、提高科學素養的重要基礎課程[1-3].物理實驗課程在對學生進行科學實驗能力培養時有以下幾點基本要求[4]：(1)培養學生獨立的學習能力；(2)培養學生獨立的實驗操作能力；(3)培養學生實驗數據處理能力；(4)培養學生實驗分析與研究能力；(5)培養學生書面表達能力；(6)培養學生理論聯系實際的能力；(7)培養學生創新與實驗設計能力.其中，實驗預習可以鍛煉學生的獨立學習能力，撰寫實驗報告可以鍛煉學生的實驗數據處理、實驗分析與研究以及書面表達能力.近年來，我們對信息化技術在物理實驗教學過程中的實際應用進行了大量的探索與實踐，涵蓋了實驗預習、實驗報告、實驗考試等方面，本文重點闡述信息化技術在物理實驗報告中的應用探索.

1 實驗報告評判中存在的問題

對于大多數理工科高校來說，大學物理實驗課程每年需要承擔培養的學生數量眾多.以北京科技大學為例，大學物理實驗課程每年需要培養約3000人，每節實驗課面向的學生不超過16名，這樣需要大量的來自不同課題組的授課教師，同時還有幾十名研究生協助參與授課，實驗教學師資隊伍的實驗教學專業水平出現較大差別.這樣，實驗報告的評判隨意性很大，缺乏規范的評判標準，造成不同教師所帶學生的課程成績差異較大，評定不客觀不科學.另一方面，學生人數多，實驗報告批改量大，授課教師很難為每一位學生計算實驗數據，進行細致的評判，特別是實驗數據處理和誤差估算.因此，時常出現很多教學要求不能確切落實，影響教學效果和質量的現象.

影響實驗教學質量的主要問題有：(1)學生僅僅靠課堂無法完全消化實驗教學的內容，物理實驗課程具有內容豐富、實驗條件復雜、綜合性強等特點，學生在短短的一節實驗課上很難在完成實驗任務的同時消化所有的教學內容；(2)實驗教學質量的評估沒有客觀與規范的標準，實驗課程的考核包括平時實驗、實驗報告、期末實驗操作與筆試多個環節，不能通過統一的一份試卷來考核全體學生對實驗課程的掌握情況，但平時成績、實驗報告、考核成績都有很大的隨意性，各個實驗班之間、不同的老師之間評價標準不一致；(3)實驗報告是反映學生掌握實驗課程內容情況以及實驗能力的重要教學環節，但實驗報告批改量大，完全靠人工批改，難以做到細致、全面.從實驗報告評判的整體情況來看，評判質量差別較大，許多需要學生改正的問題沒有指出，沒有給學生充分的反饋信息，影響了學生扎實地掌握教學內容，使得大面積的實驗教學質量難以控制和提高.

2 信息化技術在實驗報告評閱中應用的設想

傳統實驗報告撰寫方式的優勢在于，學生可以通過親自手寫實驗報告的方式記住并掌握所做實驗的原理和步驟，通過親自繪制實驗曲線掌握實驗曲線繪圖的要點，通過寫下數據處理的過程切實掌握數據處理方法.但是，在使用傳統實驗報告的撰寫方式時，由于教師無法評閱所有學生實驗報告的數據處理部分的正確性，容易造成學生在數據處理過程中的錯誤概念無法糾正，而且由于傳統實驗報告的撰寫方式無法明確分析與討論部分的要求，在實際教學中學生往往不能認真完成實驗的分析與討論.在實驗報告評閱應用信息化的過程中，既不能拋棄傳統實驗報告撰寫方式的優勢，又要發揮信息化融合后的報告系統撰寫方式在實驗數據處理以及實驗報告結構要求上的優勢.

2.1 實驗報告智能評閱系統的設計與思考

在實驗報告智能評閱系統的設計中，為鍛煉學生的各項能力，我們重點思考并實踐了以下幾個設計細節.

(1) 實驗原理與實驗操作部分的考慮

為了讓學生掌握實驗科學的思想與方法，采取了學生自己總結、凝練與撰寫實驗原理和實驗操作的方式，每部分不超過400字，并要求學生手繪實驗原理圖.以往，在物理實驗信息化的應用中學生的思考過程往往容易被丟掉.在我們的設計中要求學生自己總結實驗原理與操作并上傳手繪的實驗原理圖，可以使學生有一個獨立思考和加深理解的過程，促使學生進行獨立思考，提高概括總結的能力，加深對實驗思想、方法與手段的理解，同時避免出現學生直接照搬教科書的內容而不進一步思考的現象.

(2) 數據處理方面的考慮

大學物理實驗課程具有內容豐富、覆蓋面全的特點，在選題上涵蓋了力學、熱學、電磁學、光學和近代物理實驗，既包含訓練學生基礎物理實驗思想、物理實驗方法和物理實驗技能的經典實驗，又包含與現代物理技術相結合的課題型綜合性實驗.物理實驗的數據處理方法包含“直接測量量誤差處理方法”“間接測量量誤差處理方法”“逐差法”“最小二乘法”等，而每個實驗項目在數據處理過程中使用這些方法時也存在較大的差異.在信息化的過程中，我們以目前科研領域和測量技術領域的最新實驗數據處理與測量結果表示規范為基準，對每個具體實驗項目制定相應的評判計算方法，采用直接測量量誤差處理方法、間接測量量誤差處理方法、逐差法、最小二乘法等對數據進行處理，評估每個實驗項目中各個不同計算步驟的分數，并合理分布給分點.系統會根據學生輸入的原始數據計算出標準答案，并與學生輸入的答案相比較進行智能評閱，給出學生所得分數.在我們的設計中要求學生上傳其手寫的實驗數據處理及不確定度計算過程，以確保在信息化的過程中，沒有丟掉傳統實驗報告中的優點.

(3) 對測量正確性的限制

對于某些客觀的物理量，如鈉黃燈的波長、三棱鏡的頂角等，要求報告系統將學生的計算結果與客觀的標準值進行比較，差別超過一定范圍則判斷學生測量錯誤.報告系統驗證學生實驗數據與計算結果是否自洽的同時，也可以判斷學生的實驗操作是否有誤.

比如，在“分光儀的調節及三棱鏡折射率的測量”實驗中，系統會根據學生輸入的實驗測量數據計算出三棱鏡的頂角，與此同時系統也會與三棱鏡的標準值(60°0′)進行比較，如果學生自己的計算結果與系統根據學生輸入的實驗測量數據計算出的結果相比較差別較大，系統將提示學生此處計算錯誤；如果學生自己的計算結果與三棱鏡的標準值相比較差別較大，則系統將提示學生此處測量錯誤.

(4) 設備量程的判斷

報告系統通過學生的實驗數據判斷學生的電表等設備的量程選擇是否正確，如果不正確，系統將提示學生此處實驗操作有錯誤.

(5) 有效數字位數的評判和最終結果的表示

在數據處理過程中，要求學生正確保留有效數字位數，完整表達實驗測量結果.系統會智能評閱學生的有效數字位數保留和結果表達是否正確.如果不正確，系統將提示學生此處有效數字位數保留不正確，或結果表達不正確.

(6) 實驗報告中實驗曲線的考慮

對于實驗報告中的曲線、原理圖，系統采取了學生上傳手繪曲線(或圖片)，并請教師進行主觀評閱的方式.這樣，可以全面地訓練學生正確且完整地繪制實驗曲線，不忽略如曲線標注、坐標名稱、坐標軸刻度等細節信息.

2.2 實驗報告的結構體系

圖1 實驗報告智能評閱系統的結構示例

恰當的計算機客觀評判與教師的主觀評判相結合，同時評判學生實驗報告中出現的計算問題和學生在實驗報告中所體現出的創造性思維，是《北京科技大學物理實驗報告智能評閱系統》的設計初衷.為此，系統保留了具有北京科技大學特色的實驗報告結構，如圖1所示，即：一、實驗目的與實驗儀器(0.5分)，二、實驗原理(提示：限400字)(1分)，三、實驗步驟(提示：限400字)(1分)，四、數據處理(1.5分)，五、分析討論與結論(1分)，六、原始數據與數據處理過程.

同時，系統具備主客觀相結合的評閱模式：網絡報告智能評閱系統中第一、二、三、五以及第六部分要求學生自主輸入相應文字或圖片，尤其是原理部分要求學生手繪實驗原理圖并上傳至報告系統中，這些部分由教師進行評閱附分，即主觀評閱部分；“四、數據處理(1.5分)”部分為系統智能評閱的部分，即客觀評閱部分.在“四、數據處理(1.5分)”部分中，如果遇到實驗曲線描繪，系統會要求學生使用坐標紙或計算機繪圖，轉成圖片后再上傳至報告系統，并由教師評判附分，這部分也是主觀評閱部分.

3 實際教學實踐對比試驗

我們將《北京科技大學物理實驗報告智能評閱系統》投入到實際教學實踐中，并進行了對比試驗研究，分析了物理實驗教學實踐中信息化技術應用對學生“實驗數據處理能力”“創新與實驗設計能力”“獨立學習能力”“分析與研究能力”“實驗操作能力”“文獻閱讀能力”等各項能力的影響.采用逐項對比的方式，將8個班級共240名學生分為2組(每個組各4個班120名學生)，即：

傳統報告組：采取傳統的手寫實驗報告和人工評判的“傳統實驗報告撰寫方式”；

報告系統組：采取使用實驗報告智能評閱系統撰寫實驗報告，主客觀結合智能評判的 “報告系統撰寫方式”.

3.1 對比試驗考試題目設計

2015年年底，參與對比試驗的240名學生在完成物理實驗課程后進行了統一考試.考試依據物理實驗課程培養任務特別設計了考試題目，類型如表1所示.

表1 對比試驗考試題目類型

3.2 對比實驗結果

我們匯總了報告系統組與傳統報告組的考試結果，并對每組每一道題的成績進行了統計，計算了得分率：

得分率

圖2 不同實驗報告撰寫方式在實驗原理、實驗操作、曲線繪制與文獻閱讀方面的影響

在圖2中給出了不同的實驗報告撰寫方式對學生能力培養的影響.可以發現，在實驗原理、實驗操作、曲線繪制與文獻閱讀4個方面，采取不同形式的實驗報告撰寫方式的最終考試得分率相差無幾，甚至于采取傳統實驗報告撰寫方式的傳統報告組得分率還略高于報告系統組.這表明，傳統的實驗報告撰寫方式有利于訓練學生對實驗數據繪圖的能力，增強學生對于實驗原理以及實驗操作的理解，同時也方便學生將查閱文獻后得到的信息寫在實驗報告中.而采取報告系統撰寫方式的報告系統組雖然在得分率上與傳統報告組相比略有不足，但可以看出信息化后報告系統也沒有丟掉傳統報告撰寫方式的優勢.

圖3中給出了不同的實驗報告撰寫方式對培養學生實驗數據處理能力、實驗分析能力的影響.從柱狀圖可以看出，在傳統的實驗教學方式下的傳統報告組中，學生的誤差分析能力(數據處理能力)和實驗分析能力的考核得分率均低于使用實驗報告智能評閱系統的報告系統組.報告系統要求學生逐步分項完成實驗數據處理過程，其中不確定度的計算、有效位數的保留、完整表達式的形式等要求均為智能評判的重點考查內容.學生也可以在每份實驗報告評判結束后得到系統給出的錯誤提示，這樣更有利于學生對數據處理過程的學習.學生在獨立、詳盡的完成數據處理過程中，可以充分了解實驗數據的處理方法，建立誤差與不確定度的概念，顯著提高學生的數據處理能力，并培養認真嚴謹的科學態度.

圖3 不同實驗報告撰寫方式在不確定度計算、實驗分析等方面的影響

根據規范化的評判標準，報告系統自動智能評閱學生的實驗報告，給出學生實際報告得分與數據計算錯誤原因，減輕了教師因學生眾多而產生的報告評閱負擔，保證了報告評閱的細致、全面、公正與公平.并且，在數據處理過程中，學生深入了解各個實驗參量與實驗結果數據之間的聯系，更易于融合實驗原理、實驗方法及相關理論知識對實驗結果進行分析、判斷、歸納與總結.

同時，報告系統可以明確提示學生在實驗報告中需要進行充分的實驗討論和分析，且根據主客觀相結合的評閱方式，實驗討論與分析部分是由老師進行評閱.這使得學生在主觀上對每個實驗的討論和分析更加重視，通過一個學期的10個左右的實驗報告的鍛煉，使學生學會了對科學問題的分析與討論.

整體而言，采用報告系統撰寫方式完成實驗報告，學生的實驗數據處理能力與實驗分析能力均能在經過充分的培養與鍛煉后得到顯著的提高.

4 結語

我校通過3年系統的對比性研究，建立了以計算機智能評判為基礎的信息化實驗報告智能評判平臺.240名學生參與的對比性試驗表明，這種物理實驗報告網絡撰寫、智能評判的手段，既保持了傳統實驗報告撰寫方式的優勢，又大大促進了學生實驗數據處理和實驗分析能力培養.在保證報告評閱過程中的全面、公正與公平性的同時，還極大地減輕了教師批改實驗報告的工作量.

[1] 吳平，邱宏，孫旭貴，等.將科學研究的思維方式引進普通物理實驗教學[J].實驗技術與管理，2003，20(1):73-75.

[2] 吳平，陳森，張師平.“現代物理實驗”課程研究型教學探索與實踐[J].物理與工程，2014，24(3):14-17.

[3] 陳森，張師平，吳平.基于課題型的研究性實驗教學模式探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2013，32(7):171-174.

[4] 吳平.大學物理實驗教程[M].2版.北京：機械工業出版社，2015.

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THE DEEPER INTEGRATION OF INFORMATION TECHNOLOGY AND PHYSICS EXPERIMENT COURSE

Wu Ping1Zhang Shiping1Li Li1Chen Sen2

(1School of Mathematics and Physics，2Experimental Physics Center, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083)

On the basis of three years of research, we compared with the effects of the traditional writing method of experimental report and the intelligence adjudication method integrated deeply with information technology on the cultivation of students’ experimental comprehensive ability and scientific research ability. By using the intelligent adjudication technology of the computer, the feasibility and method of improving the writing quality of experiment report were explored. Information technology was applied to the teaching process of physics experiment, and the intelligence adjudication system of experimental report was built. Experiment reports were written online, and judged intellectually by this system. The results of tests between two writing methods carried out at the end of 2015, implied that the advantage of the traditional writing method are retained by using the intelligence adjudication system, and the ability of students’ experimental data processing and analysis are greatly promoted. Comprehensive, justice and fairness are guaranteed in the judging process. The burden of teachers who judge the experiment report is reduced.

information technology; physical experiment; intelligence adjudication system of experimental report

2016-06-08

2014年度教育部高等學校大學物理課程教學指導委員會教學研究立項項目(DWJZW201407hb)；2014年度北京高等學校教育教學改革立項項目(2014-ms029)；北京科技大學2014年度教育教學改革于研究重點項目(JG2014Z03).

吳平，女，北京科技大學數理學院教授，主要從事功能材料、軟物質方面研究以及物理實驗教學與研究方面的工作.pingwu@sas.ustb.edu.cn

吳平，張師平，李莉，等. 信息化技術與物理實驗教學的深度融合[J]. 物理與工程，2016，26(5)：22-26.