64學(xué)時(shí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)方案及其設(shè)計(jì)思路

張?jiān)雒?/p>

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026)

疫情防控期間如何作好“停課不停教、停課不停學(xué)”，關(guān)鍵在教師的線上教學(xué)組織、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的技術(shù)保障、遠(yuǎn)端學(xué)生的接受和互動(dòng)參與。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在人才培養(yǎng)過程中具有重要的地位，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)不同于理論課程教學(xué)，更強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動(dòng)手操作。如何將線上教學(xué)輔導(dǎo)與線下的動(dòng)手結(jié)合起來，提升疫情防控期間線上物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，關(guān)鍵要考慮以下四個(gè)問題。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖1 Phyphox APP界面

圖2 基于視頻軌跡追蹤的大角度單擺的非線性研究

實(shí)驗(yàn)離不開具體的設(shè)備、材料。學(xué)生離校在家，不可能利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，需轉(zhuǎn)變思路，利用身邊的設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)。完成實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是測(cè)量所需的儀器，各類傳感器可以提供測(cè)量數(shù)據(jù)。目前的智能手機(jī)中配置有大量的傳感器，如：加速度、壓力、時(shí)間、磁力計(jì)、光強(qiáng)、GPS、陀螺儀等，利用這些傳感器可以實(shí)現(xiàn)力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量[1-6]。下載手機(jī)應(yīng)用軟件就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的傳感器功能，圖1為Phyphox的應(yīng)用界面。利用手機(jī)的攝像功能結(jié)合視頻圖像處理軟件的數(shù)據(jù)分析，可以實(shí)現(xiàn)以前實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中難以完成的一些實(shí)驗(yàn)，如兩維碰撞分析、單擺的非線性分析。圖2為利用視頻追蹤軟件對(duì)大角度單擺的軌跡的非線性擬合。此外，實(shí)驗(yàn)器材可以就地取材，如利用蒸盤完成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相關(guān)實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(內(nèi)蒙古科技大學(xué)李永治老師供圖)

高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)配置的儀器、材料，目標(biāo)是確保教學(xué)大綱實(shí)驗(yàn)?zāi)茼樌瓿桑粚W(xué)生根據(jù)手邊的材料，可以自主發(fā)揮，居家完成不同的實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，了解影響實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。教員線上指導(dǎo)，師生間、同學(xué)間的互動(dòng)討論，都可以將實(shí)驗(yàn)完善得更好。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

特殊時(shí)期，線上物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)應(yīng)以有指導(dǎo)可互動(dòng)的自主DIY實(shí)驗(yàn)為主。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不能固守教學(xué)大綱指定的那些實(shí)驗(yàn)，需要以學(xué)生能力培養(yǎng)為目標(biāo)，盡可能拓展豐富實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，通過不同于大綱的靈活實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)相同的能力培養(yǎng)。為提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，可以開展一些自主實(shí)驗(yàn)，充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。如利用GPS數(shù)據(jù)，測(cè)量地球的半徑；水的爆沸認(rèn)識(shí)；樂音實(shí)驗(yàn)等。此外，引入一些探究性實(shí)驗(yàn)，可以進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)難度，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識(shí)解決問題的能力。

3 實(shí)驗(yàn)資源

現(xiàn)有的網(wǎng)上資源很多，比如：虛擬仿真(www.ilab-x.com)：2019年申報(bào)國(guó)家級(jí)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目53項(xiàng)，從普通物理實(shí)驗(yàn)到近代物理實(shí)驗(yàn)、再到前沿科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)；這些資源解決了很多高危、高成本、極端條件下的無法開展的實(shí)驗(yàn)。愛課程(www.icourses.cn)：30門《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》資源共享課及MOOC；這些線上資源主要以實(shí)驗(yàn)仿真為主，個(gè)別實(shí)驗(yàn)可以完成遠(yuǎn)程操作獲取數(shù)據(jù)，但也要依賴實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)的設(shè)備。雖然這些網(wǎng)上資源，對(duì)正常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)給予了很大的補(bǔ)充及輔導(dǎo)，但動(dòng)手能力的鍛煉嚴(yán)重缺乏。因此需要擴(kuò)大、補(bǔ)充居家可完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。目前部分高校師生已經(jīng)完成了一些居家可完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，師生反饋效果很好，收獲很大，極大地推進(jìn)了線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。我們鼓勵(lì)各校開展研究性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以從歷年的CUPT開放性賽題選擇合適的題目，各省開展的物理創(chuàng)新大賽賽題及自己關(guān)注的生活中物理現(xiàn)象探究，這些資源共同組合，可以很好地完成物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)。

4 教學(xué)方案

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在不同高校、同一所高校不同學(xué)科間的教學(xué)水平不同，需考慮各校的師生、學(xué)科差異，合理設(shè)計(jì)，系統(tǒng)全面，以提升教學(xué)效果。在教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)專項(xiàng)工作委員會(huì)及國(guó)家級(jí)示范中心聯(lián)席會(huì)物理學(xué)科組的共同努力下，設(shè)計(jì)了64學(xué)時(shí)的線上物理實(shí)驗(yàn)方案，詳見表1。該方案由緒論、DIY實(shí)驗(yàn)、探究性實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、自定趣味性實(shí)驗(yàn)幾部分組成。由于各校教學(xué)目標(biāo)不同，建議各校根據(jù)自己的實(shí)際情況，優(yōu)化組合方案，完成本校的疫情防控期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

表1 64學(xué)時(shí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)方案

64學(xué)時(shí)的線上物理實(shí)驗(yàn)方案還在豐富、改進(jìn)、完善和不斷的實(shí)踐當(dāng)中。我們期待全國(guó)教員積極參與、合力共建，讓更多的教員、學(xué)生受益，促進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的提高，同時(shí)探索新的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、南開大學(xué)、東北大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、中南大學(xué)、內(nèi)蒙古科技大學(xué)、華中科技大學(xué)、東北師范大學(xué)、河南大學(xué)等高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)一線老師的大力支持，期待更多高校同行積極參與，不斷豐富、改進(jìn)、完善該方案，讓更多的老師和同學(xué)受益，努力提升疫情期間的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

共享資源：

? 大學(xué)物理課程教指委網(wǎng)站：http://www.dwjzw.cn

? 《物理與工程》網(wǎng)站：http://www.gkwl.cbpt.cnki.net

? 《物理實(shí)驗(yàn)》網(wǎng)站：http://www.wlsyzz.com/doku.php?id=hy:hy

附錄： 單擺

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由基礎(chǔ)、提升、進(jìn)階及高級(jí)幾個(gè)部分組成，充分體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本能力培養(yǎng)、學(xué)生創(chuàng)新能力及高階內(nèi)容的高要求。學(xué)生不僅可以居家完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)的基本要求，還可以通過視頻處理，探究實(shí)驗(yàn)的高階內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模河脝螖[測(cè)定當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?/p>

實(shí)驗(yàn)儀器：長(zhǎng)約1m的細(xì)線一根，毫米刻度尺，小球，手機(jī)(裝有phyphox軟件)

實(shí)驗(yàn)步驟：

1) 傳統(tǒng)單擺實(shí)驗(yàn)

測(cè)重力加速度使用金屬小球，同一個(gè)單擺進(jìn)行多次測(cè)量取平均值：

測(cè)量次數(shù)球直徑/mm線長(zhǎng)/mm50T/s123

2) 手機(jī)擺實(shí)驗(yàn)

(1) 將細(xì)繩一端固定在豎直墻面上，另一端固定在手機(jī)上，讓手機(jī)面與墻面平行，做成一個(gè)擺。

(2) 打開軟件，下拉菜單找到mechanics下的Pendulum，讓手機(jī)偏離平衡位置一個(gè)小角度，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，放手后，軟件會(huì)根據(jù)陀螺儀測(cè)量的數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄單擺的周期和頻率。

(3) 軟件設(shè)置了幾個(gè)功能：

? Results欄目可以反饋單擺的周期和頻率；

? G欄目中可以輸入擺長(zhǎng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算重力加速度g；

? Length欄目中，默認(rèn)g值為9.81m/s2，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算擺長(zhǎng)。

(4) 注意：測(cè)量擺長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)從懸點(diǎn)的位置測(cè)量到手機(jī)的中心，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)易裝置圖和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見附圖1。

附圖1 單擺實(shí)驗(yàn)圖(a)小球擺； (b) 手機(jī)擺; (c) 手機(jī)擺結(jié)果

3) 視頻軌跡追蹤實(shí)驗(yàn)

利用手機(jī)拍攝小球單擺的擺動(dòng)視頻，利用視頻追蹤軟件提取小球的運(yùn)動(dòng)軌跡，研究小角度下的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)及大角度下的非線性運(yùn)動(dòng)(附圖2和附圖3)。

附圖2 視頻追蹤小角度單擺軌跡

附圖3 視頻追蹤大角度單擺軌跡