微課在牛頓環實驗教學中的應用研究

伍麗莎 陳華君 齊 云 姚 勇

(1西南石油大學理學院，四川 成都 610500； 2安順學院數理學院，貴州 安順 561000)

當今社會是一個信息社會，計算機和智能手機的應用已經普及到我們生活的各個方面，快節奏、高效率的生活，要求我們的教學模式也要簡明扼要。“簡明”就要求少而精，“微課”作為一種與互聯網緊密聯系的教學模式因而應時而生。微課不同于傳統課堂教學，其主要特征表現為“主題突出，指向明確；資源多樣，情景真實；短小精悍，使用方便；半結構化，易于擴充”[1]。大學物理實驗是高等理工科院校對學生進行科學實驗基礎訓練的一門獨立的、必修的基礎實驗課程，它主要對學生進行全面而系統的實驗方法和實驗技能的基礎訓練，從而培養學生動手能力、思維能力和科學創新能力[2]。我校在過去的大學物理實驗教學中，學生首先需要預約實驗并預習，課堂上通過老師的講授讓學生理解和掌握實驗內容。隨后，學生逐步進行實驗儀器的組裝，測量實驗數據，驗證實驗現象及處理實驗結果。這種傳統的實驗教學始終存在著諸多問題，如由于上課前不了解實驗儀器造成課前預習不充分，課堂時間有限而無法滿足學生的個性化要求，課后復習沒有實驗條件等等。為解決這些問題，我校實驗中心積極探索混合式教學模式，將微課引入課程教學中，提高了教學效率，效果顯著。下面以“牛頓環干涉實驗”為例，探討微課的制作以及研究微課應用的創新模式。

1 牛頓環實驗微課的制作

牛頓環實驗是大學物理實驗中的一個基礎實驗，在這個實驗中，學生可以了解光的干涉現象，驗證光的波動性，并利用牛頓環干涉實驗測量平凸透鏡的曲率半徑。通過移測顯微鏡，可以觀察到牛頓環干涉現象，牛頓環是一組明暗相間的同心圓環，這些圓環隨著離接觸點為中心點的距離增加而變密，變窄，呈現出內環疏而寬、外環密而窄的圖形[3]。

我們主要采用Aviutl視頻編輯軟件[4]制作牛頓環實驗微課。“牛頓環干涉實驗”微課包括以下5個部分：背景知識介紹、實驗原理、實驗儀器、實驗步驟和數據處理。現對每個部分做簡要說明。

(1) 背景知識介紹

在“牛頓環干涉實驗”微課視頻中我們通過介紹牛頓在光學的3大貢獻來引入課程，利用物理學史和物理學家的知識介紹，擴展學生知識面，提高學生的興趣，激發好奇心和探究欲。

(2) 實驗原理

圖1 牛頓環實驗原理

(3) 實驗儀器

對讀數顯微鏡的結構以及讀數裝置的介紹主要通過教師對實物的介紹來展開。為了更真實全面地展示儀器的結構，采用了正視圖和側視圖，同時進行講解。當講解到較小的部件時，如目鏡、物鏡、反射鏡等，單獨將該部件示意圖放大進行顯示。由于牛頓環干涉實驗存在回程誤差，在儀器介紹完畢后，添加了回程誤差的講解，通過動畫的展示，使學生可以更形象地了解絲桿結構以及產生誤差的原因，對只能沿一個方向進行測量的步驟加深了理解，如圖2所示。

圖2 實驗儀器介紹

(4) 實驗步驟

接下來，教師按照實驗規范進行實驗步驟演示，使學生掌握實驗操作的基本過程。在牛頓環干涉實驗中，將顯微鏡觀察到的牛頓環測量過程利用CCD圖像傳感器顯示到電腦屏幕，因此可以把屏幕錄制和實驗過程錄制同步進行。在視頻后期制作過程中，將牛頓環放置在屏幕的一角，使學生對于如何利用牛頓環測量曲率半徑，以及避免回程誤差對測量結果的影響等問題，有更深一步的認識，如圖3所示。

圖3 實驗步驟

(5) 數據處理

視頻中通過舉例來說明數據處理過程，將所測的左端坐標與對應環的右端坐標相減，獲取11，12，…，20的環徑。然后將環徑平方差代入公式，其中鈉光波長λ為5893?。最后計算出透鏡曲率半徑大小。

2 微課在牛頓環實驗教學中的應用

微課和傳統的視頻教學不同，如果只是將教學過程進行錄像，沒有任何視頻制作和教學設計的話，那只是舊瓶裝新酒，換了教學形式而沒有換教學內容。視頻制作很重要，但好的教學設計才能增強課程吸引力，激發學生的學習動機。

在近一年的教學實踐中，我們充分利用微課這一教學模式來提高物理實驗課程的教學效率，并總結出在教學中需要注意的幾個問題： (1)重點突出。以牛頓環為例，測量的重點就在避免回程誤差。為了說明回程誤差，采用動畫的形式展現絲桿結構中齒輪嚙合傳動過程。由于齒廓間隙的存在，只有在測量過程中始終保持一個方向進行測量。(2)強調難點。在牛頓環測量平凸透鏡實驗過程中，由于大多數同學使用顯微鏡會習慣將反光鏡對準鈉光燈來增強亮度，而造成牛頓環不清晰，無法讀數。在微課中為了強調光路是通過45°反射鏡發射到牛頓環，在實驗步驟部分，專門繪出光路圖，來說明牛頓環的干涉條紋是鈉光從45°反射鏡入射到牛頓環儀產生干涉現象。在課堂講解時，可以暫停視頻，對于這點進行反復的強調。在隨后學生單獨實驗過程中，基本上沒有同學再犯這種錯誤了。(3)添加字幕。微課中添加字幕，可以避免由于臺詞音量較小，教師語速過快或者普通話不夠標準，使學生無法聽清楚，而有礙于對課程內容的理解。而且字幕在畫面的構圖中，可以增強視覺效果，使視頻易讀。(4)強化誤差分析。在牛頓環測量平凸透鏡曲率半徑中，有很多誤差來源，在視頻中主要說明了兩種誤差：①中央暗斑會影響到測量的準確性，如何避免？②每級暗環都有一定的寬度，不同的環徑測量方式對測量結果的影響。

3 實踐成效

以西南石油大學2016年秋季(微課教學實施前)和2017年春季(微課教學實施后)的牛頓環測量平凸透鏡曲率半徑實驗的學生操作考試成績(表1)為例，可以看出微課這種混合式教學模式使學生的成績有了大幅度的提高，高分數段比例增大，學生的平均成績提高了15.91分，合格率也提高了28.5%。根據標準差s和差異系數Cv計算公式:

得到兩學期的標準差分別是25.47和15.4，差異系數分別為39.20%和19.09%，從這兩組數據可以看出2017年春季學期學生成績較2016年春季學期的成績離散度低，分布更加合理。在2017年春季操作考試過程中，我們還發現通過微課教學的2017年春季學生比傳統教學模式的2016年秋季學生更容易理解實驗原理，更加熟悉實驗儀器和實驗步驟，實驗操作過程也更熟練。學生成績和能力的提高，得益于微課教學的開展。這增強了我們的信心，促使我們在今后的物理實驗教學中，充分利用微課這種新型教學模式，不斷探索，提高物理實驗的課堂教學效果。

表1 2016年秋季學期與2017年春季學期操作考試成績對比表

4 體會和展望

物理實驗是邏輯性很強的實證科學課程；假如有某個地方學生沒有聽懂，就可能一直卡在那里，無法完成后續的內容，導致整個實驗失敗。大學物理實驗微課革新傳統的教學模式，實現數字化學習的擴展，讓學生可以隨時隨地自由地學習，是混合式教學模式的一種形式。實驗微課的內容涉及大學物理實驗的各個核心實驗項目，學生在物理實驗的學習過程中突破時間和空間的局限，彌補傳統實驗課程主要通過掛圖，PPT教學模式的不足。把微課引入到教學中，學生在課堂上通過手機觀看視頻，對照儀器進行實驗。對于光學實驗，如果按照傳統的課堂講授和演示，由于實驗步驟中需要通過顯微鏡觀察，在教師演示時，很多同學是觀察不到演示時顯微鏡中出現的干涉條紋的，只能通過老師描述，印象不深刻；但是通過微課，學生可以看見顯微鏡顯示的圖像，對實驗的理解也就更加深刻。物理實驗最重要的內容是實驗步驟，通過微課，學生可以對一些步驟較為繁瑣的

實驗項目講解通過暫停、回放等方式，來加深對實驗的操作過程的理解。

物理實驗微課程改變了傳統的教師實驗室授課模式，實現了優質教學資源共享，建立了混合式教學新模式，使遠程學習、電子學習、移動學習與課堂面授多種學習方式充分融合，激發學生學習積極性，實現了以學生為中心的學習模式，為構建學習型社會打下基礎。

[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):61-63. TANG Yanni, XU jun, LUO jijun, et al. Application of micro class in university physics experiment teaching[J]. Physics and Engineering, 2014(S2):61-63. (in Chinese)

[2] 張懷作.大學物理實驗[M]. 北京：科學出版社,2011.

[3] 溫健平.胡廣平.牛頓環實驗的研究[J].綿陽師范學院學報,2008,27(11)：30-33. WEN Jianping, HU Guangping. Studying of Newton’s rings experiment[J]. Journal of Mianyang Normal University, 2008, 27(11): 30-33. (in Chinese)

[4] AviUtl version0.92. http://spring-fragrancemints.ne.jp/aviutl/