新冠肺炎疫情下美國物理實驗教學及中美情況對比

樂永康

(復旦大學物理學系,上海 200433)

1 新冠肺炎疫情下美國物理實驗教學(基于郵件群的信息)

哈佛大學在3月10日前后開始“關閉校園”，隨后，美國其他高校紛紛跟進，也都開始“網絡教學”。3月12日，筆者所在的“美國物理實驗教師群”里就收到Wisconsin大學La Crosse校區的物理系主任Taviare L.Hawkins教授發出來的郵件：詢問對實驗在線教學有什么計劃和思路。

圖1 Advlabs-I郵件群里有關疫情下的物理實驗教學的第一個郵件

圖2 Advlabs-I郵件群里討論疫情下的物理實驗教學的部分郵件列表

一點補充說明：美國有不少學校的物理系很小，系主任往往直接負責教學，參加教學研討會。筆者在美國參加多次物理實驗教學研討會期間，經常遇到不同學校來的物理系系主任。

截至3月24日晚上24點，筆者在此群里共收到41個相關的郵件(圖1、圖2為郵件示例)。其中有五個郵件是討論電子線路相關的實驗課程的教學(美國部分學校的物理系為物理專業的學生開設電子線路方面的理論課和實驗課)，其他內容都是交流各自的實驗教學設想、具體實施，以及對實驗課在線教學的觀點。當然，我們還得注意一個具體差別：美國高校的春季學期基本都是在4月底前后結束，本學期的教學活動大都已進行一半左右了。

另外，就新冠肺炎疫情下的物理實驗教學，筆者還單獨和IWU的Spalding教授、UIUC的Selen教授有個人郵件往來(UIUC有非常好的學生居家實驗平臺IOLab，售價150美元，但他們沒有據此開展實驗教學)。

基于上述郵件群內容的初步統計，美國高校計劃采取的物理實驗課程在線教學主要有以下五方面內容。

(1) 觀看實驗教學視頻+數據處理：老師錄制實驗操作過程的視頻；把采集的實驗數據發給學生，讓學生做數據處理；主要的視頻共享平臺是youtube；在線交流平臺是Zoom；也有老師上傳自己的實驗記錄，讓學生基于實驗記錄寫報告；還有基于“誤差分析”教材，讓學生學習、實踐誤差分析相關內容的；

(2) 讓學生做仿真模擬；主要的仿真工具(平臺)Phylets、PhET(這兩個是免費的平臺)；https://www.pivotinteractives.com/ (這個是私人公司，收費使用)；

(3) 基于智能手機的實驗，主要工具Phyphox(國內高校也已普遍使用)；以及Physics Toolbox apps https://www.vieyrasoftware.net(這是一個類似于Phyphox的手機傳感器應用工具包)；

(4) 讓學生在家做探索課題：這個部分現在是美國物理實驗教學圈里在努力收集資源，接下來會往外推廣的內容，很可能會通過PhysPort和Compadre這兩個共享平臺；自選課題的具體內容在下一段再展開；

(5) 利用已有的遠程實驗，如課題組的Remote AFM，通過分享屏幕等方式開展教學；(郵件群里，就只有這一個個案)。

對于高年級學生，不少老師是希望能夠開設居家課題，有幾位物理實驗圈里非常活躍的教師提出了一些建議。丹佛大學的Randall Tagg教授提出“居家十項全能”的建議，具體內容在圖3中

圖3 Randall Tagg教授提出“居家十項全能”建議的內容

University of Wisconsin, River Falls大學的Lowell McCann教授計劃讓同學在家做馬呂斯定律驗證、LED反向特性曲線測量等內容。

居家實驗課題能否順利開展，在很大程度上取決于學生是否能得到一些必須的小器材，以及遠程指導(如電路查錯)的有效性。對此，不少教師考慮直接為學生提供小型、低價的器材套裝，如Lowell McCann教授計劃給學生提供器材包括，“3.2V 650nm diode laser module (from aixiz) as the light source (along with LEDS, resistors, polarizers, thermistor, etc.) and a DMM to make measurements. Lots of other data acquisition devices could work, of course.”

美國高校“校園封閉”的執行情況也有一些特例，如Stony Brook校園里還有少數學生，在繼續開展教學(對身處校外的學生，安排教學視頻+數據分析)。

實驗教學中，還有一些老師提到用FPGA(更偏向電子工程專業)或者Arduino(更通用)開展居家課題的。

還有老師認為，居家實驗不易于開展的時候，可以讓學生進行科學寫作訓練、或者分配任務進行同學間的小組討論。

也有建議讓學生做實際新冠肺炎疫情數據分析，看看是否能看出“病例倍增周期”，是否可以看出某個具體的控制措施是否起效等。但也有老師提醒，很可能學生家人或者親戚在疫情中去世，這個內容不適合。(I thought about something like this, but I am having second thoughts about assigning coronavirus-related projects as it is HIGHLY likely that our students are going to start losing family members (maybe even somebody in their house) to the disease in the next couple of weeks.)

2 中美應對方案的比較

基于筆者對中美現階段物理實驗教學“應對方案”并不很全面的了解(國內情況的介紹，可以參考“物理與工程”期刊公眾號上的最新推送：關于新冠肺炎疫情防控期間物理類課程線上教學的調查報告)，我們依然可以大致概括以下幾點。

(1) “中國方案”有“先發優勢”和“整體優勢”，內容更豐富。這里的先發優勢一方面體現在國內高校教師在寒假里就開始準備了；另一方面，我們之前的精品開放在線課、虛擬仿真實驗建設，發揮了很大的作用；而“整體優勢”則體現在：①教育部高等學校大學物理課程教委員會學指導及其下屬機構很早就開始比較全面地規劃、積極地組織“線上實驗網絡研討會”“64課時實驗教學方案”“在線課程師生問卷調研”等全局性的計劃安排； ②全國各地的高校，都在推出有自己特色的實驗教學在線方案(不少方案的亮點突出，如內蒙古科技大學的居家測金屬絲楊氏模量實驗)，大家群策群力的結果是，教學內容越來越豐富。物理類教學期刊《物理與工程》《物理實驗》等利用公眾號快速廣泛傳播的特點，面向全國高校推送實驗教學應對方案，起到了非常好的宣傳和推廣作用。

(2) 信息化時代，中美實驗教學在某些方面的差別在縮小。如國外制作的Tracker、Phyphox等應用，在國內也已普遍使用；基于網絡技術的仿真實驗，中美教師都在使用等。

(3) 基礎儀器/元器件供應商、網購普及等因素，使得國內高校開展居家實驗，有更大的可行性，美國教師在郵件里推薦的“低價實驗教學設備”，在國內的網購平臺幾乎都有，而且大多數是國內生產的；當然，我們在進一步推廣居家實驗的時候，也得考慮學生的地域差異及經濟實力。

3 一點思考

新冠肺炎疫情下的實驗教學，受到非常大的挑戰，但卻也可能是我們解決學生實驗綜合能力不足(譬如不會實驗設計，不善于交流討論等)的好機會，而不僅僅是為了去應付“完成教學任務”。國內部分高校也已經開展非常好的實踐，也在努力研討、研究。基于很多老師的自發投入，也基于更多的有效合作，實驗教學在這次在線教學嘗試中得到很多啟發，值得在今后的教學改革中借鑒。中美交流，對于我們一起應對新冠肺炎疫情，減少對教學、對人才培養的影響，是必要且有益的，而這樣的“交流”需要在平常打下更好的基礎，有更多的積累。

可能也正是因為大多數美國高校中物理實驗專職教師隊伍人數很少，物理實驗教師圈一直就非常重視信息共享和協作。這方面，美國物理教師協會和美國科學基金會提供不少相應的支持，物理教育資源共享平臺Compadre(https://www.compadre.org/)就是這類協作的一個成果；美國科學基金會每年都提供一定數量的與科學研究資助差不多強度的教學/教育研究項目，使得在線教學資源和教學研究工具等有“百花齊放”的特點，這些值得我們國內教學圈的同行們借鑒和參考。