將大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽題目引入互聯(lián)網(wǎng)教育模式下 選修課程的實(shí)踐與思考

郭亮 沈璐 申芳芳 張晶瑩 段學(xué)智

摘? 要：為充分發(fā)揮大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的作用，實(shí)踐了以吉林省大學(xué)物理競(jìng)賽“物理微小形變量的測(cè)量”題目為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)選修課程。在2個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐中，課程分為三個(gè)部分進(jìn)行，網(wǎng)上教學(xué)是將課程的相關(guān)知識(shí)及視頻放在學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上，學(xué)生根據(jù)自己的情況自主學(xué)習(xí);課堂實(shí)驗(yàn)是根據(jù)學(xué)生不同的興趣點(diǎn)，教師因材施教，分組獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，測(cè)量和誤差分析等;報(bào)告交流是學(xué)生根據(jù)自身實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，誤差處理等方面進(jìn)行相互的交流學(xué)習(xí)。課程不僅充分發(fā)揮大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽的作用，擴(kuò)展大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的廣度和深度，還培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)的習(xí)慣和思維方式，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽;大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);選修課

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）25-0067-04

Abstract： In order to improve the students' practical and innovation ability， the elective course of physics experiments have been practiced with the subject of "measurement of small physical variables" of the undergraduate physics experiment Jilin province competition. In the two semesters of teaching practice， the course consists of three parts. Online teaching is to put relevant knowledge and videos of the course on the school's online teaching platform， and students learn independently according to their own circumstances; the teacher's experimental teaching is based on the different interests of the students. Students complete experimental design， measurement and error analysis in group. Communication is an exchange between students based on their own experimental design and error analysis. The courses not only play an important role in college physics experiment competition to expand the breadth and depth of university physics experiment courses， but also cultivate students' scientific habit and thinking mode， and have achieved good teaching effect.

Keywords： undergraduate physics experiment competition; college physics experiment; elective courses

大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽本著激發(fā)大學(xué)生對(duì)物理學(xué)和物理實(shí)驗(yàn)的興趣，培養(yǎng)大學(xué)生知識(shí)綜合運(yùn)用能力和實(shí)踐能力，提高大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)目的，對(duì)發(fā)掘大學(xué)生潛能，促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革起著不可替代的作用[1]。然而參加省級(jí)比賽和國(guó)家級(jí)比賽的學(xué)生都是少數(shù)。這樣就出現(xiàn)2個(gè)問(wèn)題：

一是在全校范圍內(nèi)參與競(jìng)賽的學(xué)生人數(shù)少，一些對(duì)物理和物理實(shí)驗(yàn)有興趣的同學(xué)參與度不高[2]。故只通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽的平臺(tái)很難達(dá)到培養(yǎng)大學(xué)生的目的。

二是對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的促進(jìn)作用有待提高。大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽的競(jìng)賽題目具有很好的知識(shí)性，創(chuàng)新性，綜合性等[3-4]。然而，題目一經(jīng)采用，下次無(wú)法繼續(xù)使用。同時(shí)，由于教學(xué)大綱的要求，也無(wú)法進(jìn)入常規(guī)課程體系中，對(duì)競(jìng)賽題目來(lái)說(shuō)是浪費(fèi)資源。由于沒(méi)有具體的實(shí)踐教學(xué)，對(duì)教學(xué)改革的促進(jìn)有限。

目前，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課時(shí)在教學(xué)改革中一直在縮減，很難兼顧課程在廣度和深度方面的要求。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)選修課程不僅可以增加對(duì)物理實(shí)驗(yàn)有興趣同學(xué)的課程，對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了很好的補(bǔ)充，還增加課程難度、拓展課程深度，切實(shí)提高課程教學(xué)質(zhì)量。貫徹了2018年9月教育部下發(fā)了《教育部關(guān)于狠抓新時(shí)代

全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議精神落實(shí)的通知》的加強(qiáng)學(xué)習(xí)過(guò)程管理的精神。在選修課程中利用互聯(lián)網(wǎng)模式等教學(xué)手段，不但可以減少傳統(tǒng)教育模式大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)選修課程對(duì)師資資源的要求和提高成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)管理。故將大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽題目引入互聯(lián)網(wǎng)教育模式下選修課程是將大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽題目的資源與互聯(lián)網(wǎng)模式教學(xué)的有機(jī)結(jié)合。本文對(duì)該課程在實(shí)踐過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析和對(duì)培養(yǎng)學(xué)生和教學(xué)改革方面進(jìn)行了思考。

一、大學(xué)物理競(jìng)賽與選修課程相結(jié)合

將大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽引入互聯(lián)網(wǎng)教育模式下的大學(xué)物理選修課程，針對(duì)競(jìng)賽培養(yǎng)學(xué)生和促進(jìn)教學(xué)兩方面的問(wèn)題，提出了很好的解決方案。首先選擇引入選修課程，這既不影響教育部對(duì)理工科學(xué)生關(guān)于正常的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)要求，也滿足了一些同學(xué)渴望學(xué)習(xí)物理和物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)的要求。同時(shí)，也使得擁有更多時(shí)間和空間空閑的物理實(shí)驗(yàn)室得到更加充分的利用。其次，選擇互聯(lián)網(wǎng)教育模式，是為了充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)教育優(yōu)質(zhì)教育資源的共享利用，使學(xué)習(xí)活動(dòng)與互聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合[5]。互聯(lián)網(wǎng)教育模式不但可以減少傳統(tǒng)教育模式下大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)師資資源的要求，還可以針對(duì)不同的同學(xué)進(jìn)行有的放矢的學(xué)習(xí)，真正做到因材施教。將實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽題目的實(shí)驗(yàn)背景介紹，實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)，實(shí)驗(yàn)操作注意事項(xiàng)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)視頻放在網(wǎng)上教學(xué)。根據(jù)學(xué)生提出的問(wèn)題進(jìn)行解答，針對(duì)學(xué)生興趣點(diǎn)的不同，設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)側(cè)重點(diǎn)。再次，在線下課堂完成實(shí)驗(yàn)組隊(duì)，同一實(shí)驗(yàn)針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)小組，可以在實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性，實(shí)驗(yàn)誤差處理等方面分別進(jìn)行研究。而在實(shí)現(xiàn)小組內(nèi)部，針對(duì)每一位同學(xué)分配不同的任務(wù)，提倡團(tuán)隊(duì)合作精神，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，測(cè)量和誤差分析等。課程的考核方式采用PPT現(xiàn)場(chǎng)報(bào)告和文字報(bào)告相結(jié)合的方式完成，讓不同組的同學(xué)進(jìn)行相互的展示和交流。這種開(kāi)放性的選修課既擴(kuò)展大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的深度，也起到了因材施教效果，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)能力和實(shí)踐能力，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，起到了很好的教學(xué)效果。

具體物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽選修課程分成三個(gè)主要部分具體實(shí)施：

1. 課程基礎(chǔ)知識(shí)體系的介紹、相關(guān)原理的展開(kāi)以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)視頻。（互聯(lián)網(wǎng)模式）

2. 提出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)想，實(shí)踐實(shí)驗(yàn)裝置的制作，完成測(cè)試與分析。（團(tuán)隊(duì)實(shí)踐合作模式）

3. 實(shí)驗(yàn)總結(jié)，實(shí)驗(yàn)的交流和展示，完成PPT報(bào)告。（展示交流模式）

二、以物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽題目為選修課的實(shí)踐

以吉林建筑大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)選修課程中“物體微小形變的測(cè)量”的課程為例說(shuō)明。題目“物體微小形變的測(cè)量”選自第二屆吉林省大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽題目，目

前選修課已完成2018-2019學(xué)年2個(gè)學(xué)期的課程。課程一共16學(xué)時(shí)，1個(gè)學(xué)分。共計(jì)64人完成了該選修課的學(xué)習(xí)。整個(gè)課程過(guò)程貫徹“因材施教、注重實(shí)效”的授課原則，以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，采用互聯(lián)網(wǎng)教育模式與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合的教學(xué)模式，拓展《大學(xué)物理》《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程知識(shí)廣度和深度，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力以及積極主動(dòng)的探索精神。

（一）互聯(lián)網(wǎng)模式下課程基礎(chǔ)知識(shí)體系

對(duì)物體微小形變量測(cè)量的原理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，從物體微小形變的概念開(kāi)始，物體微小形變是指物體受力、熱等影響發(fā)生無(wú)法直接測(cè)量的微小形變。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的基本條件對(duì)物體微小形變的測(cè)量可利用光杠桿原理放大法，電阻應(yīng)變片測(cè)量法，邁克爾遜干涉法等。接下來(lái)對(duì)光杠桿原理放大法以及電阻應(yīng)變片法進(jìn)行詳細(xì)介紹、說(shuō)明以及相關(guān)的視頻演示。具體有實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作及注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、線上作業(yè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和討論的問(wèn)題等。這些讓不同專業(yè)和不同物理基礎(chǔ)的學(xué)生都能夠?qū)镜膶?shí)驗(yàn)原理進(jìn)行掌握和了解。對(duì)在網(wǎng)上設(shè)置相關(guān)作業(yè)和討論內(nèi)容，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況有一定的了解和掌握。

圖1 互聯(lián)網(wǎng)模式的物體微小形變量的測(cè)量課程

圖1所示為互聯(lián)網(wǎng)模式的物體微小形變量的測(cè)量課程，該網(wǎng)上課程也在2個(gè)學(xué)期的教學(xué)中，根據(jù)學(xué)生反饋的情況不斷完善。增加了相關(guān)的文獻(xiàn)，數(shù)據(jù)處理要點(diǎn)等知識(shí)點(diǎn)。然后再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)之前要完成實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)生活中物體微小形變量進(jìn)行設(shè)計(jì)并測(cè)量。學(xué)生自行分組把設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)方案和所要研究的內(nèi)容對(duì)老師進(jìn)行一個(gè)匯報(bào)。并在老師的指導(dǎo)下進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，明確實(shí)驗(yàn)的目的。實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)是學(xué)生自行在網(wǎng)上完成，老師講解和指導(dǎo)部分，占用4個(gè)學(xué)時(shí)。

（二）自主實(shí)踐模式下的實(shí)驗(yàn)操作、測(cè)量與誤差分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，學(xué)生的設(shè)計(jì)主要有對(duì)不同材料微小形變量的測(cè)量等。例如利用擠壓可使得瓶子產(chǎn)生微小形變，但是由于實(shí)驗(yàn)室無(wú)法對(duì)擠壓的力和具體的形變量進(jìn)行測(cè)量而沒(méi)有進(jìn)行。對(duì)不同材料，不同直徑金屬線進(jìn)行測(cè)量，對(duì)不同光杠桿放大倍數(shù)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)行誤差分析，使得學(xué)生對(duì)測(cè)量誤差的理解更加直觀，更加深刻。本文中主要以二維片狀材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)舉例分析。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量日常生活中常見(jiàn)的不銹鋼板材料的微小形變。在不銹鋼板的一端通過(guò)改變施加的砝碼質(zhì)量，使得不銹鋼板發(fā)生微小形變。通過(guò)不同質(zhì)量的砝碼力定量對(duì)不銹鋼板的形變進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量分為兩個(gè)過(guò)程，一方面利用光杠桿原理放大法來(lái)測(cè)量鋼板的形變量;另一方面，利用電阻應(yīng)變片法對(duì)微小形變進(jìn)行測(cè)量。

圖2 不銹鋼板微小形變量實(shí)驗(yàn)裝置圖

不銹鋼板微小形變量實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，在實(shí)驗(yàn)裝置制作過(guò)程中，研究克服了多種的困難：1. 力的施加，采用不損害實(shí)驗(yàn)材料的方法對(duì)不銹鋼板進(jìn)行固定，具體操作是在鋼板的邊緣分別用卡扣固定，達(dá)到了固定鋼板的效果（如圖2中放大圖）。2. 光杠桿法部分，為防止光杠桿前端的滑動(dòng)，在不銹鋼板上粘貼刻有凹槽的透明膠，使得光杠桿前端固定，達(dá)到了良好的實(shí)驗(yàn)效果。3. 電阻應(yīng)變片法部分，電阻應(yīng)變片的粘貼，試用了多種粘貼方法，最后達(dá)到了較好的實(shí)驗(yàn)效果。

在實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，不同的實(shí)驗(yàn)小組針對(duì)不同厚度的不銹鋼板進(jìn)行了微小形變量的測(cè)量。對(duì)于薄，中等，厚的不銹鋼板，分別以20g，100g，500g砝碼為遞進(jìn)增加。電阻應(yīng)變片法測(cè)量（如圖2中電路圖）所用的電阻應(yīng)變片型號(hào)都是120-3AA。由于不銹鋼板形變變化很小，電阻應(yīng)變片的阻值變化也很小，故將電橋裝置中電橋臂的比例調(diào)整為100倍。在調(diào)整好的實(shí)驗(yàn)體統(tǒng)中，團(tuán)隊(duì)合作，同時(shí)光學(xué)和電學(xué)的數(shù)據(jù)。以上部分理論要求8學(xué)時(shí)完成。

（三）PPT報(bào)告交流，實(shí)驗(yàn)展示

學(xué)生很多時(shí)候?qū)嶒?yàn)完成很好，但是并不能把自己做的事情表達(dá)清楚，所以選修課的最后環(huán)節(jié)是PPT報(bào)告。報(bào)告要把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容很好的表達(dá)出來(lái)，以小組形式完成對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路及改進(jìn)的整理，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)處理過(guò)程中遇到的困難和問(wèn)題的解決，最后對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行總結(jié)。在傳統(tǒng)課堂上往往總結(jié)交流過(guò)程總是欠缺的，選修課在這方面進(jìn)行了很好的補(bǔ)充。以上部分要求4學(xué)時(shí)完成。

三、以物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽題目為選修課的思考

以物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽題目為選修課經(jīng)過(guò)2個(gè)學(xué)期的實(shí)踐，因材施教，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和潛能，取得了良好的教學(xué)效果，為學(xué)生提供了一個(gè)創(chuàng)新實(shí)踐的平臺(tái)，對(duì)學(xué)校參加各類競(jìng)賽起到了很大的積極作用。課程同時(shí)對(duì)學(xué)生培養(yǎng)和促進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到積極的作用[6]。

（一）學(xué)生選修以物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽題目為選修課的意義

學(xué)生在課程過(guò)程中學(xué)習(xí)到了科學(xué)的思維方式，提升了實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，找到了物理實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的轉(zhuǎn)變，變被動(dòng)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，不只是為了學(xué)分，成績(jī)學(xué)習(xí)，傳統(tǒng)課堂中學(xué)生對(duì)一些只需要按照老師布置的內(nèi)容參考教科書(shū)上的步驟，進(jìn)行機(jī)械化的實(shí)驗(yàn)操作不是很感興趣。學(xué)生對(duì)一些物理實(shí)驗(yàn)課是枯燥無(wú)趣、簡(jiǎn)單驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，也大多都是應(yīng)付了事。而當(dāng)真正需要學(xué)生動(dòng)腦、動(dòng)手去完成或者構(gòu)想一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生往往是茫然不知所措的。而選修課激發(fā)了學(xué)生的興趣，這點(diǎn)可以從課程中學(xué)生想要完成實(shí)驗(yàn)，測(cè)好數(shù)據(jù)，自主的小組討論，晚上還加班加點(diǎn)測(cè)試中看得出來(lái)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中找到了樂(lè)趣，挖掘了學(xué)生的潛能。學(xué)生真正做到了“教一學(xué)二考三”的要求。

（二）以物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽題目為選修課對(duì)教學(xué)改革的意義

以物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽題目選修課為契機(jī)，為學(xué)生提供了一個(gè)創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，同時(shí)在常規(guī)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中促進(jìn)一些原有的教學(xué)思維的改善，讓學(xué)生被動(dòng)的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)方式，盡量減少老師講解和演示，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，再獨(dú)立完成進(jìn)行操作，提高教學(xué)效果。充分利用互聯(lián)網(wǎng)教育模式的特點(diǎn)，將基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)視頻，一些擴(kuò)展的文獻(xiàn)整理到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上，通過(guò)網(wǎng)上測(cè)試和實(shí)踐操作相結(jié)合的方式對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)進(jìn)行掌握。另一方面，課程對(duì)實(shí)驗(yàn)教師有了更高的要求，老師既要熟悉基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)測(cè)量知識(shí)，又要更加全面的了解實(shí)驗(yàn)前沿，要求老師不斷學(xué)習(xí)。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文實(shí)踐研究并思考了將大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽題目作為選修課，采用互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的課程模式。充分利用物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽題目的知識(shí)性、趣味性和可實(shí)踐性的特點(diǎn)，激發(fā)廣大學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)興趣的作用，讓更多的學(xué)生參與到物理實(shí)驗(yàn)中來(lái)，為學(xué)生搭建能夠充分發(fā)揮創(chuàng)新和實(shí)踐能力的平臺(tái)。以學(xué)生主體、教師引導(dǎo)，因材施教，學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的方式，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)課程廣度和深度的教學(xué)也是一個(gè)很好的補(bǔ)充。這種以實(shí)驗(yàn)為主的選修課在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、解決問(wèn)題的能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等方面發(fā)揮了重要作用。課程在實(shí)踐摸索中不斷完善，對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)也有很大的促進(jìn)作用，具有很好的推廣性。

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