大學物理實驗微課建模的探討

舒 崢，鄭榮煒，李佳隆，柴志方

(華東師范大學 物理與材料科學學院，上海 200241)

大學物理實驗微課建模的探討

舒 崢，鄭榮煒，李佳隆，柴志方

(華東師范大學 物理與材料科學學院，上海 200241)

針對目前高等院校大學物理實驗教學的現狀與困境，提供了以微課制作的形式，進行實驗建模教學的方案，并以RLC幅頻特性的實驗研究為例對微課制作的流程、實驗建模教學的設計進行了詳細的闡述.

微課；大學物理實驗教學；物理建模;RLC

目前普遍認為影響大學物理實驗教學質量的主要問題有：課前預習不夠充分；課堂時間分配難以調和；課后復習條件不足[1]. 另外理論課與實驗課不同步的情況導致學生在課堂上更多扮演的是“操作工”而不是“研究者”的角色.

實驗微課建模教學是將科學建模教學理論與實驗微課教學相結合，以教學視頻為載體，圍繞某一實驗進行教學設計并開展的教學活動，是將物理實驗、建模教學以微課的形式呈現出來的一種新型教學模式.

鑒于上述大學物理實驗教學的不足以及實驗微課建模教學的特點，本論文提出了大學物理實驗微課建模的教學模式，并以RLC幅頻特性的實驗研究為例詳細闡述微課教學的設計過程，旨在通過實驗微課建模的教學研究提高大學物理實驗教學的質量.

1 大學物理實驗微課與建模教學相結合的可行性分析

大學物理實驗以微課的形式呈現，不僅可以改善學生預習效果，于有限的課時內提高學生的綜合素質、創新能力、實驗能力以及故障解釋及排查的能力[2]，而且可以幫助教師完成實驗教學任務，提高課堂教學的有效性.

物理模型作為理論和實驗的中介，被視為是對真實世界的表征[3]，而傳統的大學物理實驗教學中學生缺乏模型建構、分析與解釋等意識且對模型的本質和功能認識不足，這導致學生難以利用已知知識去解決實際問題. 而微課建模教學則能夠彌補這方面的不足，其能引導學生先建模后實驗，有效地避免學生只動手不動腦、機械而盲目地做實驗等現象的發生.

因此，鑒于對上述大學物理實驗建模教學的必要性以及微課教學的有效性等特點的分析，將大學物理實驗微課與建模教學相結合具有一定的可行性以及研究價值. 在微課教學的過程中，引導學生經歷建模學習的過程，體驗科學家的思考活動，幫助學生建立科學模型；在模型檢驗環節可以直接通過大學物理實驗器材進行驗證；模型修正環節可以通過學生不斷地“嘗試錯誤”，從而進行故障分析和現象解釋；模型拓展環節的設置通過講解知識的實際來源，從而幫助學生進行知識的遷移，并學會解決實際生活中的問題.

2 基于建模教學的微課制作過程

微課制作是一項系統的工程，其前期準備的工作量與難度要遠遠大于錄制過程. 流程如圖1所示，具體為[4]：

1)前期分析，確定適宜做建模微課的實驗內容，并對學生學情進行分析.

2)腳本設計，思考教學內容如何呈現、教學過程如何組織以及如何解決實驗重點難點等問題[5].

3)素材準備，根據腳本尋找或者制作符合實驗教學的視頻和PPT等.

4)軟件編輯、視頻編輯的軟件可以有多種選擇，屏幕錄制微課工具Camtasia Studio 8.4、聲音編輯工具Adobe Audition CC、字幕制作工具Time Machine等. 這里需要注意腳本、課件以及視頻的協調性，微課屏幕顯示畫面與解說聲音要同步，特寫鏡頭要標出變焦倍數.

5)測試評價，對使用建模實驗微課的學生進行跟蹤調查和深度訪談.

圖1 微課實施流程

腳本的設計環節很大程度上決定了本次研究的成功與否. 故本文著重從腳本的教學設計角度進行具體介紹.

3 RLC串聯幅頻特性實驗的實驗建模微課教學的設計

實驗建模的微課教學主要圍繞模型展開，具體做法如圖2所示，在Halloun建模的基礎上，結合大學物理電學實驗特點，從5個方面展開實驗微課的建模教學，分別是模型假設—參量選擇—模型建構—實驗驗證與模型檢驗—模型拓展. 需要說明的是，這些建模過程并非線性推進的過程，模型是可以不斷修正的，所以實際建模過程中可能需要多次反復，甚至要回到起點重新開始[3].

圖2 實驗微課建模設計過程

3.1 模型假設

電路理論并不是對實際生活中的真實電路進行的模擬，而是根據抓住主要因素、忽略次要因素的研究方法，將實際電路抽象成具體模型之后進行研究. 本視頻第一個環節描述了同一線圈在直流、交流的不同情況下需要采取不同的電學元件模型進行建模：在直流情況下，線圈在電路中僅反映為導線內電流引起的能量消耗，此時線圈相當于電阻元件；在電流變化的情況下，線圈電流產生的磁場會引起感應電壓，此時電路模型可看成是電阻元件和電感元件的串聯；當電流變化甚快時，包括高頻交流，還應考慮線圈導體表面的電荷作用，即電容效應，故此模型中還應包括電容元件. 由此，首先提出模型假設：忽略實際RLC串聯電路中的復雜情形，假設各個原器件都是由理想元件組成的電路模型.

3.2 參量選擇

鑒于電路實驗獨特的多參量調節過程，需要從很多參量中選擇有效參量進行研究，故本模型在原有基礎上增設了參量選擇這一步驟. 因大學物理實驗和大學物理是2門獨立的課程，大學物理實驗需要大學物理的基礎理論，故在講解實驗電路之前，本視頻首先通過復習舊知識，使學生回憶起RLC串聯諧振的條件，并根據控制變量法的理念要求選擇出RLC電路的3個變量參量，同時分析出實現電路諧振的方法.

3.3 模型建構

根據實驗建模的教學步驟，在引出物理實驗目標模型后，學生可能無法立刻獨自建立起各變量的相互影響. 本視頻借助LabVIEW軟件對RLC電路運行仿真，隨后從電路阻抗、電流和電壓3個不同角度觀察仿真的結果圖像，思考電路諧振的特點. 知道電路發生諧振時：輸入阻抗為純電阻，阻抗模最小；電流達到最大值；電阻R上的電壓達到最大，電容和電感上的電壓都遠遠大于電源電壓，并且是電源的Q倍，這個倍數稱為 品質因數. 學生在視頻引導的過程中，可以建立并完善RLC串聯實驗電路模型，并能夠利用此模型定性描述各變量之間的相互關系，還在此基礎上發展數學表征來定量分析數值問題.

3.4 實驗驗證與模型檢驗

學生建立RLC串聯電路模型后，需要對此模型進行驗證和分析，確定此模型是否需要進一步修改、解釋等. 本視頻通過接線和故障分析2部分幫助學生檢驗模型的內在一致性. 按照電路圖接線部分使學生進一步理解RLC串聯實驗電路的整體構架，之后通過分析A同學的實驗操作，思考看似正確的實驗接線為什么導致實驗現象與理論分析有較大出入，讓學生進行批判性思考，最后通過對交流電壓表自身的結構分析，修改實驗接線模型，解決接地的故障，從而矯正或強化RLC實驗電路模型. 實驗驗證與模型檢驗部分腳本如表1所示.

表1 實驗驗證與模型檢驗部分腳本(3 min)

3.5 模型拓展

一旦學生建立起RLC串聯電路模型及各理想元件間的關系，便可根據相應的分析，理解現實生活的實際情境. 例如，本視頻此時引入收音機調頻問題，假設上海廣播電臺發射的3種不同頻率電臺信號都是十分微弱的，新聞、經濟和交通頻道電臺信號的接收端頻率分別是990 kHz,855 kHz和648 kHz，它們的感應電壓均為15 μV，電路中R=33 Ω，L=330 μH. 讓學生通過諧振特性，利用調節電容篩選和放大所感興趣的電臺信號. 例如為了能夠聽到990 kHz的電臺節目，根據RLC串聯諧振公式得C=78.3 pF,此時計算出3個電臺在電容C兩端的電壓分別是26.2 μV, 58.9 μV,933 μV,即990 kHz的信號放大為原來的62倍，即使另外2個頻率的信號也放大了，但是其幅值也遠遠小于990 kHz的信號幅值，故只能聽到990 kHz的電臺信號，完成了信號的篩選. 在這一建模微課的過程中充分應用了模型的描述、解釋和預測的功能，學生能夠更深刻體會到RLC串聯電路模型的本質.

4 結束語

實驗微課建模是集討論式、開放式、探究式于一體的教學方式，將實驗微課建模的教學模式應用于大學物理實驗的教學中具有一定的必要性、可行性與實用性. 實驗微課建模不僅可以改善學生預習效果，在有限的課時內找到重難點，完成實驗教學任務，且學生在實驗中遇到與結果不符的狀況時，建模教學能夠幫助其建立整體意識，從而進行故障分析和錯誤排查. 此外，微課還通過啟發性問題和模型拓展部分給學生課后討論提供一定的思路，從而提高了實驗教學的有效性. 大學物理實驗微課建模正在華東師范大學2015級普通物理實驗班進行準實驗研究.

[1] 唐艷妮,徐軍,羅積軍，等. 微課在大學物理實驗教學中的應用探索[J]. 物理與工程，2014,(S2):57-58.

[2] 教育部高等學校物理基礎課程教學指導分委員會. 理工科類大學物理實驗課程教學基本要求[M]. 北京:高等教育出版社,2010.

[3] 張靜,郭玉英. 物理建模教學的理論與實踐簡介[J]. 大學物理，2013，32(2):25-30.

[4] 孟祥增,劉瑞梅,王廣新. 微課設計與制作的理論與實踐[J]. 遠程教育雜志，2014,(6):24-32.

[5] 宋金璠，郭新峰，王生釗，等. 微課在大學物理實驗教學中的應用[J]. 物理實驗，2015,35(2):12-17.

[責任編輯：郭 偉]

Discussion of college physics experiment micro lecture

SHU Zheng, ZHENG Rong-wei, LI Jia-long, CHAI Zhi-fang

(School of Physic and Material Science, East China Normal University, Shanghai 200241, China)

To overcome the present dilemma in physics experiment teaching in universities, an experiment teaching model based on micro lecture was provided. Taking theRLCamplitude frequency characteristics experiment as an example, the process of making modeling and designing experiment teaching were expounded in detail.

micro teaching mode; university physics experiment teaching; physical modeling;RLC

2017-06-19

高等學校物理實驗課程教學研究項目(No.01-201601-24)

舒 崢(1990-)，女，河南南陽人，華東師范大學物理與材料科學學院2015級碩士研究生，研究方向為物理課程與教學論．

柴志方(1977-)，男，河北邢臺人，華東師范大學物理與材料科學學院副教授，博士，從事物理實驗的教學與研究工作．

G642.423

B

1005-4642(2017)08-0044-04