《大學物理》課堂演示實驗的效果分析

蒲賢潔 王 銳 何光宏 韓 忠

(重慶大學物理學院，重慶 401331)

《大學物理》課堂演示實驗的效果分析

蒲賢潔 王 銳 何光宏 韓 忠

(重慶大學物理學院，重慶 401331)

在同一學期同一教學班的大學物理課程教學中，開展演示實驗和無演示實驗教學效果的對比研究。采用李克特七點量表形式設計調查問卷，考察學生對有演示和無演示課次內容的記憶、理解程度。統計結果表明，有演示實驗的課次印象較無演示實驗的課次深刻，二者均值存在極顯著差異(p=0.000)；有演示實驗的課次量表選項總平均分值較無演示實驗的課次高，二者存在顯著性差異(p=0.030)。

大學物理課程；演示實驗；問卷調查；差異性分析

物理學是一門探求物質結構和物質運動機制的學科，物理學中每個概念的建立、每個定律的發現，都有其堅實的實驗基礎[1]。大學物理課程總是與大學物理實驗課程相生相伴，然而實際操作中，由于全校性公共基礎課涉及學生人數眾多，排課上存在相當的難度，學生在開展實驗課時可能對理論知識尚未了解，又可能上理論課時，缺乏實驗操作的基礎，在理解新知識時常常感到抽象費解。為了彌補大學物理和大學物理實驗課程間緊密聯系的缺失，課堂演示實驗能與課堂講授密切配合，既可以提高學生學習知識的興趣，又是科學理論的導學系統，已逐漸成為物理教學的一個重要手段和有機組成部分[1-3]。

圖1 演示實驗走進大學物理課堂(a) “受迫振動”課次實驗演示，采用“大橋共振”實驗儀和交流信號源； (b) “光柵衍射”課次實驗演示，實驗器材為光柵和激光筆； (c) “駐波”課次實驗演示，采用“弦駐波”演示儀和交流信號源

我校大學物理和大學物理實驗教學組經常開展聯合教研活動，互相交流參觀學習。大學物理實驗國家級實驗教學示范中心建立了“物理科技走廊”和“物理探索科技館”，引進了大量演示儀器，為課堂演示實驗的合理開展提供了穩定的教學平臺和可靠的設備保障。圖1所示為將“物理探索科技館”儲備的部分實驗演示儀搬進《大學物理》教學課堂進行現場演示，目的是使學生獲得直觀的感性認識，更好地理解物理概念和規律，掌握物理研究方法。

為了衡量課堂演示實驗對大學物理的教學過程是否產生了實際的積極作用，本文采用問卷調查形式[4]，開展了演示實驗和無演示實驗教學效果的對比研究，所設計問卷主要考察學生對有演示實驗和無演示實驗的課次內容的印象和理解程度。通過對問卷結果進行統計分析(均值、標準差、配對t檢驗)，得出了課堂演示實驗有利于《大學物理》教學的結論

1 調查方法

1.1 調查對象與程序

為了控制影響因素(例如教學用語、演示實驗的標準性[5]和統一性等)，以重慶大學2016—2017學年第一學期隨機抽選的一個大學物理教學班的全體學生為研究對象，按照正常課次順序安排教學，選取“受迫振動”、“駐波”、“光柵衍射”等課次開展隨堂演示實驗，其它課次按照傳統理論教學內容進行組織。學期末，統一發放調查問卷，由該教學班學生自行填寫，填寫完畢立即回收，發放問卷55份，回收55份。回收數據利用Matlab和SPSS[6]進行統計分析。

1.2 問卷設計

問卷采用李克特七點量表[7]形式編制，編制時將有演示實驗和無演示實驗的課次內容進行穿插等間距排版(3道題為1個組，即1次課的主題)，如圖2所示，其中淺藍背景為有演示實驗的課次，淺黃背景為無演示實驗的課次(注：背景色均為便于說明后期加注，原問卷中并未提示)。李克特量表是一種心理反應量表，常在問卷中使用，是目前調查研究中使用最廣泛的量表[7]。該量表由一組陳述組成，每一陳述有“非常同意”、“同意”、“一般”、“不同意”、“非常不同意”五種回答，分別記為5、4、3、2、1，當受測者回答此類問卷的項目時，他們具體地指出自己對該項陳述的認同程度。七點量表是將五點量表更細化，分為“非常同意”、“同意”、“比較同意”、“一般”、“比較不同意”、“不同意”、“非常不同意”七個選項，分別記為7、6、5、4、3、2、1，使問卷的信度和效度較五點量表更高。問卷完成后，每一個選項可以進行獨立分析，成組題目的選項也可進行加總(或求均值)。

2 結果統計與分析

將每份問卷每道題目的選項錄入計算機(列：題號、行：問卷編號)，在Matlab中分別計算每道題目的平均分值和標準差，如圖3(a)所示。由圖3(a)可知，關于課次印象，有演示實驗的課次較無演示實驗的課次平均分值高(深紅圈——有演示實驗課次印象，淺紅圈——無演示實驗課次印象)，表明有演示實驗的課次較無演示實驗的課次印象深刻。在SPSS里關于課次印象對有演示和無演示課次的平均分值進一步進行配對t檢驗，結果表明(表1所示)，有演示實驗的課次印象與無演示實驗的課次印象均值存在極顯著差異(p=0.000)；關于課次內具體的知識點掌握(每組第2，3題，藍圈——有演示實驗課次，黃圈——無演示實驗課次)，除第一組有演示實驗的課次平均分值偏低，另外兩組有演示實驗的課次平均分值基本上高于無演示實驗的課次。分析第一組對知識點掌握的評估分值較低的原因，一方面可能與知識點本身難易程度有關，另一方面也可能是因為安排在第一組，思維還未進入狀態所致。

表1 課次印象、課次總平均分值有演示和無演示配對t檢驗

圖2 問卷采用李克特七點量表設計，用于考察學生對有演示和無演示課次內容的記憶和理解程度的自我評估

圖3(b)所示為按課次內容(每組3道題為一課次內容)統計包括課次印象和知識點掌握的綜合平均分值和標準差。由圖3(b)可知，除第一組平均分值由于前述可能因素而較低，有演示實驗的課次(淺藍背景)綜合平均分值均較無演示實驗的課次(淺黃背景)高。

圖3 問卷統計結果(a) 按問卷題目統計平均分值和標準差； (b) 按課次內容統計平均分值和標準差； (c) 按有演示課次和無演示課次統計總平均分值和標準差

圖3(c)將3組有演示實驗的課次題目(淺藍背景)和3組無演示實驗的課次題目(淺黃背景)分別加總求均值和標準差，由圖可知，總體上，有演示實驗課次學生自我評估總平均分值較無演示實驗課次高，進一步的配對t檢驗顯示(表1所示)，二者存在顯著性差異(p=0.030)。

兩點說明：

(1) 對于問卷中“簡諧振動的合成”這組題目的特別說明：這堂課中采用了一段Matlab程序對“同方向簡諧振動合成”和“垂直方向簡諧振動合成”分別進行了動畫模擬(圖4所示)，因此正如圖3(a)中最后一組課次印象分值所示，給學生的印象是比較深刻的。但是考慮到是將實物演示實驗和無演示實驗進行對比，因此仍然將這組劃分到無演示實驗組。不過，在實物演示存在困難的情況下，采用動畫或者仿真也不失為一種實用的教學方法，相關的研究期待在今后開展。

(2) 對于問卷最后補充題目的說明： 補充題目考察學生通過前面18道題的測量是否識別本問卷的調查關注點。55份問卷中，10份問卷回答識別出問卷關注點為演示實驗相關。由于補充問題設置在最后，并不會對測評產生干擾。18%的識別率，具有兩面性，一方面說明一定程度上識別了問卷關注點的學生可能會揣摩并迎合測試希望的結果(社會贊許偏差)，為了避免這種情況造成的干擾致使測量結果失真，調出這些識別出關注點的問卷，觀察評分的具體情況，發現并沒有明顯迎合演示實驗有利的跡象，因此，基本可以排除這項干擾。另一方面，10 位學生通過回答所有問題，識別出問卷關注點是與演示實驗相關，恰好說明演示實驗給這部分學生留下了清晰而深刻的印象，才能從間隔設計的有演示與無演示各課次題目組中識別出問卷關注點是課堂演示實驗的效果。

3 結論

本文以同一學期隨機抽選的一個大學物理教學班的全體學生為研究對象，在傳統理論教學內容基礎上設置適當課次的課堂演示實驗，采用自編的李克特七點量表形式的大學物理課程問卷，調查分析學生對有演示實驗和無演示實驗課次內容記憶、理解的自我評價程度。由統計結果得出兩點主要結論：有演示實驗的課次印象較無演示實驗的課次深刻，且存在極顯著差異(p=0.000)；有演示實驗的課次學生自我評估總平均分值較無演示實驗的課次高，且存在顯著性差異(p=0.030)。以上結果為促進理論教學和實驗演示緊密結合提供了研究依據。此次研究是將心理學量表設計和大學物理教學研究結合的初步探索，僅在有限的范圍內開展，若能在控制影響因素的條件下擴大樣本量和題目設置數，以及和考試成績分析[8]對照結合，必將得出更加豐富多維的研究結論，在教學改革和發展中發揮應有的作用。

[1] 盧榮德. 大學物理演示實驗[M]. 合肥：中國科學技術大學出版社，2014．

[2] 周風帆，王浩程. 大學物理演示實驗的價值重構[J]. 大學物理，2011，30(8): 46-50. Zhou Fengfan, Wang Haocheng. The value reconstruction of university physics demonstration experiments[J]. College Physics, 2011, 30(8): 46-50. (in Chinese)

[3] 路峻嶺，陳信義，王延吉. 強化演示實驗，開展大學物理研究型教學[J]. 大學物理，2008，27(5): 44-45. Lu Junling, Chen Xinyi, Wang Yanji. Emphasis of demonstrative experiments for research teaching of college physics[J]. College Physics, 2008, 27(5): 44-45. (in Chinese)

[4] 易偉松，羅賢清，丁孺牛，等. 大學物理課程學生問卷調查研究[J]. 物理與工程，2010，20(6): 46-50. Yi Weisong, Luo Xianqing, Ding Runiu, et al. A study on the students questionnaire of College Physics[J]. Physics and Engineering, 2010, 20(6): 46-50. (in Chinese)

[5] 盧榮德，程福臻.《大學物理演示實驗》的編寫思路[J]. 大學物理，2016，35(5): 57-60. Lu Rongde, Cheng Fuzhen. The thought of compiling 《University Physics Demonstration Experiment》[J]. College Physics, 2016, 35(5): 57-60. (in Chinese)

[6] Hilbe J M. A review of current SPSS products[J]. American Statistician, 2012, 57(4): 310-315.

[7] Jamieson S. Likert scales: How to (ab) use them[J]. Medical Education, 2004, 38(12): 1217-1218.

[8] 張睿，王祖源，徐小鳳. SPOC模式大學物理混合型教學的學習效果研究[J]. 大學物理, 2016, 35(8): 52-54. Zhang Rui, Wang Zuyuan, Xu Xiaofeng. Research on effectiveness of blended learning with SPOC model in university physics[J]. College Physics, 2016, 35(8): 52-54. (in Chinese)

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ANALYSIS ON THE EFFECT OF DEMONSTRATION EXPERIMENT IN COLLEGE PHYSICS CLASS

Pu Xianjie Wang Rui He Guanghong Han Zhong

(College of Physics, Chongqing University, Chongqing 401331)

In order to investigate whether the classroom demonstration experiment can produce positive effect on teaching, a contrastive study focusing on the effect of demonstration experiment to non-demonstration in teaching was researched on the students of Chongqing University in one College Physics teaching class at the first semester in 2016—2017 school year. The questionnaire was designed based on seven point Likert scale to investigate the students’ memory and understanding on the content of the lessons with or without demonstration experiment. Statistical results show that the students were rather more impressed by the lessons with demonstration experiment than without it, and there was greatly significant difference between two groups (p=0.000); Also, the total average score of the lessons with demonstration experiment was significant higher (p=0.030) than the lessons without demonstration experiment. The above results provide a basis for the study of the combination of theoretical teaching and experimental demonstration.

college physics course; demonstration experiment; questionnaires; difference analysis

圖4 Matlab動畫模擬“簡諧振動的合成”(a) 同方向簡諧振動合成； (b) 垂直簡諧振動合成

2017-05-28

重慶市重大教改項目(1201033)；重慶市重點教改項目(162006)；重慶大學物理學院院級教改項目。

蒲賢潔，女，工程師，主要從事大學物理實驗教學工作，xjpu@cqu.edu.cn。

蒲賢潔，王銳，何光宏，等. 《大學物理》課堂演示實驗的效果分析[J]. 物理與工程，2017，27(5)：91-94.