啟發式的多層次居家物理實驗設計探索

王 槿，朱 江，李文華，惠王偉，文小青，張春玲，劉麗颯，李 強，劉東奇，牛紫平，錢 鈞，姚江宏，孔勇發，孫 騫

(南開大學 a.物理科學學院；b.基礎物理國家級實驗教學示范中心，天津 300071)

2020年的春季學期，疫情阻斷了學生回校的腳步. 響應教育部“停課不停學、停課不停教”的號召，各高校正在交出自己的答卷. 特殊的實驗教學也面臨新的情況. 物理實驗強調在實踐中探索自然規律，是理工科和部分文科院系必修的課程，在特殊時期如何應對，是全新的命題. 虛擬仿真教學提供了非常好的學習模式，與此同時，居家實驗也因其可設計性和可操作性，為物理實驗教學帶來新的應對措施. 本文旨在探討特殊時期的啟發式的多層次居家物理實驗設計，發揮課程育人的功能，并探討其對實驗師資、實驗室和課程建設等提出的有效啟示.

1 設計概要

1.1 啟發式的居家實驗命題

啟發式的實驗命題在國外實驗教材多有體現，例如A. M. 波蒂斯等的《伯克利物理實驗》[1]，可以設定為對基本量和基本定律的驗證，也可以參考國際青年物理學家錦標賽(International Young Physicists’ Tournament，IYPT)形式的對生活現象的研究[2]. 復旦大學今年的力學實驗設計方案中，確定水瓶的重心位置、研究定量測量淀粉溶液形成的非牛頓流體的性質等都是非常好的命題.

教師在居家實驗教學中可以將重點集中在探討各種方法的準確性和誤差，對居家實驗做出宏觀設計. 摒棄傳統的代替學生擬數據表格和設定實驗步驟的課堂實驗，提升學生設計實驗的主觀能動性. 例如測量冰的熔解熱實驗，如果學生沒有記錄冰融化后的質量數據，勢必導致實驗失敗. 但這些失敗都是對學生自主設計實驗的鍛煉，該過程可以加深學生對實驗原理的理解.

教師在指導居家實驗的過程中，因勢利導引入物理實驗中的分析方法(例如數量級估計和量綱分析)，并且將基本測量方法進行融會貫通[3]. 引導學生將生活中常見的物品或用品的參量數量級化，譬如圓珠筆尖的孔徑、頭發的直徑，屏幕的分辨率、羽毛的條紋間距、電動牙刷的振動頻率等，用數量級的思想指導實驗設計. 另外在數據處理方面，集成了各種傳感器的智能手機提供了很好的檢測手段. 對某一些物理量，引導學生查詢傳感器參量，從傳感器原理和工業制造精度等方面分析比較不同傳感器的測量精度，開闊學生的知識面和視野.

1.2 面向對象的設計理念

實驗教學的細化是實驗教學水平提升的關鍵因素之一. 南開大學2020年春季學期的教學計劃中，針對醫學、化學、電子信息與光學工程學和數學專業開設不同的實驗課程. 對醫學院的學生，開設諸如液體的黏滯流動、表面張力系數測量、心電信號測量等相關實驗，或者通過簡單實驗改造，例如將折射率測量中的待測液體換為脫氧血紅蛋白，更貼合學生的專業背景. 對化學專業的學生，開設熒光光譜、測量分子吸收光譜、超聲光柵測量液體聲速、測量溶液的折射率等實驗. 對于電子信息與光學工程的學生，開展利用NI Multisim軟件進行仿真，利用鎖相放大器進行微小阻抗測量、電阻熱噪聲測量以及二極管結電容測量等實驗. 數學系的學生有較強的運算能力，對實驗中的數據處理應該要求更高，例如雜散數據處理可以要求用濾波算法等實現. 在居家實驗設計過程中也要注重實驗題目的選擇，與學生的專業和興趣點相結合.

除了專業，居家實驗設計要結合學生的基礎進行分析，針對不同學生建立多層次實驗設計. 南開大學2020年春季學期的學生分布如表1所示，分為2個校區進行教學. 對于物理系大一和大二學生的能力進行區別對待. 對于進行預備實驗的大一物理系學生，由于大部分學生都參與IYPT實驗，對其在實驗設計上要求更高，對實驗中的反常現象也要求建模分析. 例如轉動慣量的測量中，三線擺實驗中的大角度釋放問題，單擺實驗中的大角度釋放問題. 同時，對一些基本知識，譬如作圖、數據處理應考核得更仔細. 在大二等高年級實驗題目設計上遴選對建模、數據處理與分析要求更高的題目.

表1 南開大學2020年春季學期的學生分布表

1.3 建立居家實驗庫

整理居家實驗設計，并建立合集. 在此基礎上，擬建立居家實驗庫. 居家實驗庫的特點為教師在家中和學生在宿舍中可以重復做實驗,并經過定量計算和誤差分析. 面向物理學院教師和本科生征集實驗題目.

開發步驟：

1)教師或學生自由探究實驗方法的可行性(從器材、原理、誤差等方面)；

2)處理數據+誤差分析，對細節進行評估；

3)課程組發布指南，探討主題式的實驗設計；

4)課程組從合集中抽選部分題目，結合課程實際和學生專業層次，發布面向對象(不同年級和專業)的居家實驗設計任務；

5)征集教師、廣大學生意見，動態對實驗報告反饋討論，通過居家實驗報告反饋，不斷完善修訂合集中的內容，存檔；

6)開放給全校本科生.

居家實驗庫有若干個非常好的來源渠道，其中包括：

1)教師進行的頭腦風暴式的居家實驗設計；

2)南開大學孫騫老師的光學課的宿舍實驗設計;

3)來源于IYPT等競賽的賽題(33年來IYPT一共有561道題目)，2008年以來參與競賽的經驗提供了非常豐富的來源于生活現象的素材和資源;

4)征集資源，主要面向校內本科生征集；

5)線上交流，教育部高等學校大學物理課程教學指導委員會的網站[4]和《物理實驗》雜志網站[5]上動態地對全國各個高校的居家實驗進行匯總，是目前最廣泛和直接的學習資源.

以2019年秋季學期光學課為例，如表2所示，包括9部分內容. 對其居家實驗指數進行初步評估，并將可行部分收錄到居家實驗庫中.

表3，4和5給出了南開大學2020年春季學期物理居家實驗合集1(2020-03-14發布)、合集2(2020-03-22發布)和合集3(2020-04-02發布). 居家實驗庫的內容通過智慧樹SPOC平臺和微信群向全校本科生開放，增加學生的閱讀量，開闊視野. 在平臺上，除共享通用的測量工具譬如米尺及游標尺的制作、質量的稱量等內容，對學生進行數據處理時的操作采用學生錄屏的方式，上傳小視頻供全校學生觀看.

表2 光學課的宿舍實驗設計方案

表3 南開大學2020年春季學期物理居家實驗合集1內容

表4 南開大學2020年春季學期物理居家實驗合集2內容

表5 南開大學2020年春季學期物理居家實驗合集3內容

在合集2中，設計了IYPT中的表面張力現象小專題，涵蓋了“Bubble crystal”(泡泡晶體)、“Light rings”(光環)、“Soap membrane filter”(肥皂膜過濾器)、“Pulling glasses apart”(拉開玻璃)以及海倫噴泉的題目. 設置該專題是為了貼合托里拆利定律的驗證. 在合集2的實驗設計中，將托里拆利定律的驗證和IYPT中的表面張力現象研究結合，形成一個主題，讓學生從中選擇. 在托里拆利定律驗證實驗中，傳統方法通常采用測量接液池的上升液面確定水流出射速度，但對于居家實驗，學生比較難獲得大體積容器，借助于激光筆形成的激光水柱，在家中也可以觀察到非常好的水流的流線，使得利用小體積容器譬如礦泉水瓶和飯盒也可以進行實驗設計. 鼓勵學生利用圖像處理的方式進行數據讀取和處理，并對實驗定律進行驗證.

動態的居家實驗庫有以下特點：

1)從學生的角度，方便各個專業的學生了解題庫的構成及形成過程，在整個教學過程配合教師，多角度地思考問題，而不是僅僅受限于所做的題目;

2)從教師的角度，不斷地學習新的資源，并且通過親自實踐來提高教學水平；

3)從教學方面，課程組的教師通過不同的方式實現同一居家實驗方案，可以更好地交流. 在居家實驗的中后期，居家實驗庫的建設將集中在助教和學生居家實驗報告的分析與總結，將現階段的工作用于以后的教學改革.

1.4 居家實驗設計——以光學為例

從居家實驗庫到形成學生居家實驗題目，必須經過課程組的遴選. 非常重要的一點是教師通過自己做居家實驗對其可行性進行判斷，形成課程組合議的居家實驗指數.

根據學生的專業以及基礎等特點，現階段擬定的2020年春季學期光學實驗居家實驗題目如表6所示.

表6 現階段光學居家實驗題目

教師集思廣益，設計了表6中的光學居家實驗題目，目前涵蓋了幾何光學、光的衍射、干涉、光譜學、重要的干涉儀器、幾何形貌測量等，實驗內容還在進一步豐富中.

幾何光學部分實驗，充分利用居家現有條件，層層深入、不斷擴展. 實驗1利用手機膜做視差法測量虛像. 實驗2利用幾何光學以及現有居家條件測量液體折射率. 實驗3利用紙板自制扇形物屏，手機手電筒作為光源，通過自準直法和二次成像法測量凸透鏡焦距. 結合現有居家條件，充分發揮學生的想象力，利用礦泉水瓶、藥片包裝泡罩、水滴、冰塊、白涼粉等生活中的物品自制透鏡. 實驗4利用保鮮膜、一次性紙杯自制小焦距和大焦距水透鏡，自組顯微鏡. 實驗5利用2個焦距不同的自制的凸透鏡或家中現有放大鏡，自組望遠鏡,并估測顯微鏡和望遠鏡的視角放大率. 實驗6利用居家條件做簡易的疊柵條紋現象觀察實驗，人眼(手機攝像頭)隔著紗窗觀察形狀變化平緩的物體(球狀或柱狀，如蘋果或用白紙卷的圓筒、圓錐)表面，會看到特定的條紋.

設計了一系列激光筆作為光源的衍射和干涉實驗. 學生可根據身邊條件自制衍射和干涉元件. 利用2條不透明膠布平行制作出單縫，利用頭發絲觀察單絲衍射；利用圓規在硬紙板上扎孔，觀察圓孔衍射；還可利用光盤、羽毛觀察光柵衍射. 不僅僅停留在實驗現象的觀察，還要測量單縫的縫寬、發絲和圓孔的直徑、光盤和羽毛的光柵常量.

實驗12利用光盤和紙盒自組光柵光譜儀，觀察生活中各種光源的光譜. 實驗13利用激光筆做光源、手機膜作為半透半反鏡自組常見的干涉儀器，包括邁克耳孫干涉儀、三角干涉儀、馬赫-曾德爾干涉儀等. 實驗14利用2片3D眼鏡片，觀察光的偏振現象，利用手機光強計APP驗證馬呂斯定律.

以上實驗不僅結合學生當前生活中現有的實驗條件，充分發揮學生的想象力和創造力，還與大學基礎物理實驗課程內容緊密聯系，擴展了實驗教學內容.

這里需要說明的是由于2019年秋季光學課為每位學生配備了激光筆，進行過相關安全培訓，學生掌握其安全操作方法.

2 居家實驗設計的有效啟示

居家實驗的開展對于實驗教師師資建設、實驗室建設和課程建設等提出有效啟示.

2.1 師資建設

師資方面，要更加注重實驗與理論的結合. 要加強實驗教師的理論培訓，不能“一葉障目不見泰山”. 在考核等方面，本著育人的原則，將實驗室服務等工作納入到評價機制中，提高實驗教師的服務意識，激發積極性，形成師生共同體. 增加實驗室課程助教和實驗室開放平臺助教崗位，將實驗教師從重復的實驗室授課轉變為實驗室管理和實驗技術創新. 這些都會成為實驗室建設的軟儲備.

2.2 實驗室建設

實驗室建設方面，建立規范的實驗室安全考核制度和開放制度. 將開放實驗室的建設列入到與其他實驗室同等重要的地位，提供更多的開放實驗室經費，進行通用測量儀器、通用工具和耗材的補給，做好實驗室建設的硬儲備.

2.3課程建設

課程建設方面，將基礎物理實驗室的開放同諸多的公共課、專業課和通識課結合起來，包括大學物理、力學、熱學、電磁學、演示實驗、計算物理、非線性物理理論等課程，吸納更多的智力支持來彌補目前的理論空缺，為全校各個專業學生提供更廣闊的實驗空間. 通過居家實驗庫的建設，建立同理論課教師的溝通機制，將實驗課和理論課更為緊密地結合.

以教育部高等學校大學物理課程教學指導委員會的網站[4]上4月2日的數據為基礎，分析了目前各高校已開展居家物理實驗內容，涵蓋力學、熱學、聲學、光學、電磁學等物理實驗各個學科，實驗內容分布如圖1所示.

圖1 目前各高校居家物理實驗分布圖

從圖1可以看出，現已開展的居家實驗中，力學和光學實驗所占比重達到64%，電磁學實驗項目最少. 這是因為在居家條件下，光學實驗和力學實驗裝置比較容易找到，結合智能手機傳感器和相關軟件可以完成相應實驗. 由于缺乏所需的信號源和測量工具，并且受到實驗安全等因素影響，電磁學實驗所能開設的題目比較少. 目前智能手機一般配備了磁力計，開展的居家實驗主要為磁場測量方面的實驗. 建議將萬用表的制作納入常規實驗，使學生能夠保留常用測量工具.

3 居家實驗設計的反思

在居家實驗的過程中，發現很多大學生需要經過調整期. “興趣是最好的導師”，不同教育經歷的學生在參與居家實驗時產生了明顯差異. 有的學生和教師每天都要做實驗，等待新的實驗題目發布. 有的學生還在踟躕不前，遇到很多困難. 此時，大學教師和廣大的小學、中學和高中科學教師(包括物理老師)需要站在一起，從學生的興趣出發，進行居家物理實驗設計，實現教育的層次化，真正做到“潤物細無聲”的教學.

圖2中給出了CNKI數據庫中以“IYPT/CUPT/物理學術競賽”為主題的中文論文的時間線分布圖，樣本數為103，對比發現近5年內論文數量呈現明顯上升趨勢.

圖2 CNKI數據庫中以“IYPT/CUPT/物理學術競賽”為主題的中文論文數量

進一步從地域等角度分析，學術競賽題目及現象引起了國內高中教師、高校物理一線教師和教育研究者的廣泛關注. 在2007年IYPT進入中國之前，南京大學周進、王思慧等老師[6-7]已經進行了衣架上的轉動慣量和重力加速度、鉛筆復擺的實驗. 磁針的轉動慣量測量更是將力學和電磁學結合的經典案例，用于第3屆全國大學生物理實驗競賽[8].

不管是居家實驗、宿舍實驗，還是伯克利大學F. S.克勞福德等[9]倡導的理論課后的課外實驗，以及Jerry Silver的125個物理實驗[10]，都遵循了研究和探討自然規律的自然過程，即通過實踐認知物理世界. 在這方面，別萊利曼的科普系列叢書，如《趣味物理實驗》等[11]，國內苑立波等倡導的原理展示[12]，為非物理專業的學生提供了非常好的建議.

得益于計算機技術的普及和測量技術的發展，一些演示實驗也具有了定量測量的可能性. 伴隨著科技進步，勢必還會產生更大的提升空間. 這些都值得教師學習和思考，基礎教育改革的嘗試從未停滯，居家實驗的教學模式和設計在本土化與國際化的歷史進程中成長.

4 結束語

啟發式的居家實驗命題設計貫穿于全實驗過程，從命題、選材、實驗設計，到數據處理方式和實驗優化. 居家實驗設計對教師來說并不輕松，在教學過程中發現，當學生們能夠熟練地進行各種數據處理時，教師有時還停留在用手動刪點的方式. 借助于各種平臺提供的便利交流和學習模式，特殊時期的居家實驗教學模式為課程育人和實驗技術的進步提供了更多的渠道. 南開大學基礎物理實驗教學目前采用SPOC上的視頻學習和預習題、微信、騰訊會議等形式，居家實驗的資源通過SPOC方式發布和運行. 隨著眾多高校的加入，群策群力，特殊時期的啟發式多層次居家實驗必然能夠給物理實驗教學帶來新的發展和促進.

致謝：特別感謝孫騫老師!光學課程中每年500多份的宿舍實驗報告，提供了非常豐富的實驗設計題目和題庫，見識了學生在宿舍光學實驗中的種種奇思妙想，為居家光學實驗帶來新的啟示. 感謝各個線上教學交流會所有專家老師、線上交流群和網站等提供的有益思考!感謝2016級本科生畢業設計的馮超超、王廷振和林子艦同學提供的數據分析和有益討論!