新冠疫情常態化背景下大學物理實驗教學實踐

苗永平，于 陽，李忠麗，孫二平，馬寒露，劉維慧

(山東科技大學 電子信息工程學院，山東 青島 266590)

大學物理實驗具有豐富的實驗思想、方法和手段，在培養學生嚴謹的治學態度、活躍的創新意識、理論聯系實際和適應科技發展的綜合應用能力等方面具有其他實踐類課程不可替代的作用[1-3]。2020年春節一場突如其來的新冠疫情打亂了常規教學部署。為了實現“停課不停教、停課不停學”[4]，全國高校和物理實驗教學協會單位積極開展研究和探索，提出居家實驗、虛擬仿真實驗和MOOC線上教學等多種方式相結合的創新教學模式[5-10]，各高校依據自身資源相繼設計了各具特色的實驗課程并進行了實踐，基本保證了物理實驗教學正常開展。目前，新冠病毒已經呈現“傳染性增強、毒性減弱、無癥狀多”等特征，全球第二波疫情也已來臨，未來相當長一段時間內疫情防控形勢仍較為嚴峻。在此背景下，如何開展大學物理實驗以保證教學質量、達成課程目標，成為各高校共同面對的問題。山東科技大學物理實驗中心結合自身條件，提出“相近整合、線上線下結合”方案，減少線下課堂接觸以降低病毒傳染機會，并以傅立葉級數實驗和數字示波器實驗為案例進行了教學實踐。

1 物理實驗教學總體狀況和解決方案

山東科技大學省級工科物理實驗教學示范中心為全校理工科專業開設30個實驗項目(不含數據處理與誤差理論)，覆蓋力學、電磁學、光學、聲學、熱學等物理知識領域。每一年級分兩個學期完成實驗教學任務，以主流的物理實驗B為例，上半年主要以數字示波器等基礎性實驗和部分綜合性實驗為主，下半年以部分綜合性實驗和設計性實驗為主。

眾所周知，傳染性病毒防護的基本方針是預防為主。根據已經掌握的新冠病毒信息，在高校中開展新冠疫情防控的工作重心是切斷傳播途徑。在今年物理實驗課堂教學中，已經普遍實施了單人單桌、單入單出、控制距離、佩戴口罩、衛生消毒等常規防護手段。為應對疫情突發造成的全年物理實驗教學不均衡問題，并深入研究探討后續常態化防控背景下物理實驗課程的開展模式，課程課題組經過充分研究和討論，提出“相近整合、線上線下結合”的方案，根據實驗內容相近程度整合實驗項目，并將實驗準備和實踐部分分別通過線上教學和線下課堂實驗實施。

具體思路舉例，數字示波器是基礎的公共的工具類項目，依賴于實踐訓練，應用于多個電磁學實驗中，可以考慮將數字示波器融入其應用關聯度較高的實驗項目中；惠斯登電橋是最基本最簡單的測量電路，應用性非常廣泛，可以將其和溫度傳感器實驗內容整合；理論知識相關度較高的實驗，可以將理論知識加以提煉，以線上學習的方式完成，實踐部分整合到一堂實驗課完成，如以光的干涉、衍射等理論為實驗原理的實驗項目，光電效應和金屬電子逸出功實驗等。凡此種種，需要實驗教師根據實際情況深入研究實踐，在此不一一列舉。

2 新傅立葉級數實驗教學方案設計

2.1 整合可行性分析

在常規教學方案中，數字示波器實驗是包括傅立葉級數實驗在內的多個電學實驗的前置內容，目標是培養學生使用現代工具的能力。數字示波器在傅立葉實驗中用做工具測量各種波形的幅度和頻率。幅度和頻率的測量方法有多種，且這兩種操作覆蓋了示波器探頭連接、衰減系數設定、垂直控制、水平控制、時基設定、信號耦合等多項內容以及絕大部分操作按鈕。因此，如果能夠統籌考慮，合理安排這兩個實驗的內容，則兩者整合是完全可行的。

2.2 明確課程目標

現代教育中，教學所要實現的不僅僅是知識的傳授，更有人格的完善、智力的發展和能力的培養[11]。課程目標是實驗課所要實現的具體目的和意圖，用于指導課程設計和實施教學方案。

經過研究，刪除了原有的“提高電路連接能力”、增加了“引導學生自主研究和探索”。新的實驗目標包括：掌握數字示波器原理并能夠熟練測量和分析電信號、通過實踐掌握傅立葉級數實驗的設計思想、通過實驗數據處理培養總結判斷能力和分析能力、培養實事求是的態度和嚴謹的作風、培養學生自主研究和探索能力。

2.3 課程內容設計

根據上述實驗目標，以傅立葉級數分解與合成理論和學以致用思想為綱，對原有兩個實驗的內容進行整合。新實驗包括三項內容：1)示波器基本原理和功能學習、基本操作訓練；2)傅立葉級數分析實驗原理學習及1 kHz方波合成實驗；3)FFT快速分析1 kHz方波。

2.3.1 取消原數字示波器實驗中的RC充放電模塊和信號發生器，用傅立葉分解合成儀替代

原數字示波器實驗中的信號發生器用于提供各種信號供學生練習示波器的基本操作，RC充放電模塊為學生提供實戰應用場景，培養學生應用示波器進行實際電路測量和分析的能力。

傅立葉分解合成儀有正弦波、方波、三角波等各種信號輸出接口，可以替代信號發生器。傅立葉分解合成儀面板如圖1所示，虛線框①區域為方波和三角波信號輸出區域，虛線框②區域為正弦波信號輸出區域。傅立葉級數實驗本身需要使用數字示波器測試分解信號和合成信號，可以替代RC充放電模塊承擔訓練學生實際電路測量能力的功能。

圖1 傅立葉分解合成儀面板圖

2.3.2 引入FFT分析方波成分

實驗所用數字示波器帶有FFT(fast Fourier transform，快速傅立葉變換)功能，可以將周期性信號進行傅立葉分析，分解出構成周期性信號的各種頻率成分并顯示其曲線。

新實驗引入FFT功能，并用其分解1 kHz方波信號，顯示界面如圖2所示。不但能夠讓學生對傅立葉級數原理產生直觀而感性的認識，還可以對各種頻率成分的頻率和幅度進行測量，通過數據測量和計算驗證傅立葉級數原理，加深理論理解和認知，與方波合成實驗相呼應。同時，還可以讓學生進一步掌握數字示波器的更多功能，提高其深度探索的興趣。

圖2 1 kHz方波的FFT分析圖

2.4 教學方法

2.4.1 引導式教學

我國著名教育家葉圣陶先生曾講：“教師之為教，不在全盤授予，而在相機誘導。必令學生運其才智，勤其練習，領悟之源廣開，純熟之功彌深，乃為善教者也”[11]。根據此教育思想，本實驗課在教學方法上做了幾處嘗試。

比如，數字示波器有關圖像垂直區域控制操作方法講授完成后，水平區域控制則交給學生獨立學習，通過學習遷移培養學生自學能力。

再比如，學生在使用實際測試所得四種頻率正弦波幅度計算其比值時，若結果與理論有偏差，這時不簡單地告知學生原因，而是引導學生從理論上分析可能的原因并鼓勵學生嘗試改進。

2.4.2 賞識教育，激發學生動力，活躍課堂氣氛

賞識教育，是世界著名的六種教育方法之一，適度的賞識教育，能夠有效激發學生內在動力，提高學習意愿和學習效果[12]。比如，對于第一個調試出合格波形的、課堂上積極與老師互動的同學等，及時給予表揚，形式可以是語言上的，也可以集體掌聲鼓勵。實踐證明，這種方法非常有效[13]。

2.4.3 在課程中融入創新元素

思考是創新的關鍵，應用是創新的目的。只有獨立思考，才能有創新、有發展。只有以應用為目標的創新，才是有生命力的創新。

新實驗課有兩處設計引導學生創新。一處是講授實驗原理時引導學生思考如何將傅立葉級數應用到生活和工作中。有學生提出可以開發一種用于實驗教學的音頻分析儀，將歌星和普通學生的聲音利用傅立葉級數原理進行頻率分析，研究兩者嗓音在頻譜構成方面的區別；還有學生提出在新年晚會上利用傅立葉級數原理猜謎，提高活動的科技含量。另外一處是讓學生圍繞頻率、幅度和相位三個參量，借鑒老師的合成波形方案提出新的實驗方案。

3 教學實施

借鑒疫情期間開展實驗教學的經驗，充分利用網絡技術實現線上教學。實驗教師精心備課，通過網絡直播方式授課，讓學生掌握實驗原理、方法等知識類內容。將授課實驗內容錄制視頻，并連同講義、課件等在超星平臺共享。組建班級QQ群，及時解答學生疑問。

為了提高線上學習效果，要求學生撰寫預習實驗報告并在超星平臺上提交，另在平臺上設計預習測試，將預習報告和預習測試納入實驗成績考核。線下教學按照嚴格的疫情防控標準實施。

4 教學效果展示

新實驗方案確定后即投入實驗教學，為及時掌握實施效果，設計了課程調查問卷并隨堂采集信息。問卷采用李克特量表(Likert scale)(1分表示完全不符合，5分表示完全符合)形式。

4.1 調查問卷設計

調查問卷設置有8個題目，問卷的內容如表1所示。

表1 調查問卷設計

第1、4題采集實驗課前學生對數字示波器的熟悉程度和傅立葉級數原理的掌握狀況，用于本課程實施效果對比和后續課程設計參考。

第2、5題采集實驗課后學生對數字示波器和傅立葉級數原理、實驗設計思路的掌握情況，用于實驗課程質量評價。

第3、6題用于了解在實驗老師的引導下，學生自主研究和探索能力以及知識遷移和創新能力的進步。

第7題用于了解學生對教師課程設計方面工作質量的評價。

第8題用于了解學生對實驗目標的了解情況以及目標達成度的自我評價狀況。

4.2 調查問卷結果

隨堂采集了394份有效問卷，調查結果展示如下。

圖3展示了實驗課前和課后學生對數字示波器基本操作的掌握情況。從圖3可以看出，實驗課前(系列1)和課后(系列2)較好掌握(分值為4和5累加)數字示波器基本操作的比例分別是3%和97.5%，表明絕大部分學生在實驗課前基本沒有接觸過示波器，進一步肯定了開設數字示波器實驗課的必要性，也表明本節實驗課達成了讓學生熟練使用數字示波器進行電信號測量的課程目標。

圖3 學生掌握數字示波器的調查結果

圖4展示了實驗課前(系列1)和課后(系列2)學生對傅立葉級數原理、實驗設計思路的掌握情況。從圖4可以看出，實驗課前和課后掌握情況較好(分值為4和5累加)的比例分別是21.9%和93.6%。該結果表明本節實驗課達成了讓學生掌握傅立葉級數原理、實驗設計思路的課程目標。

圖4 學生掌握傅立葉級數的調查結果

圖5和圖6展示了在實驗教師引導下，學生自主研究和探索能力以及知識遷移和創新能力的進步。

圖5 學生對課后獨立研究學習示波器能力的自我評價

圖6 學生對課后設計實驗方案能力的自我評價

數據顯示，超過95%(分值為4和5累加)的學生認為自己有能力獨立研究并學會示波器的其他功能，而且能夠根據本節課的實驗思路設計出不同的實驗方案。該結果一方面表明了教師的工作在課堂教學中的主導作用，另一方面也說明較好地達成了本項課程目標。

圖7展示了學生對教師課程設計方面工作質量的評價。數據顯示，93.2%(分值為4和5累加)的學生認為實驗教師的課程設計合理且能夠幫助學生達成課程目標，這說明將兩個實驗整合為一個新實驗的思路和具體實施方案得到了學生認可。

圖7 學生對教師課程設計工作的評價

圖8展示了學生個人對實驗目標的認識以及課堂表現的自我評價。

圖8 學生對課程目標及達成度的自我評價

數據顯示，91.7%(分值為4和5累加)的學生清楚本節實驗課的目標，并且很滿意自己的課堂表現。該數據從課堂教學的另一個主體-學生的角度對本實驗課程效果給予了評價。更重要的，說明學生在達成課程目標的同時也收獲了信心。

以上結果表明，新實驗設計方案能夠滿足實驗教學要求，較好地達成課程目標，并得到絕大多數同學認可。

5 結 語

新冠疫情防控已從突發應急進入常態化模式，根據我校大學物理實驗課程的總體情況，提出“相近整合、線上線下結合”的實驗教學方案，并以數字示波器實驗和傅立葉級數實驗為例開展實驗教學。實踐過程中還引入引導式教學和賞識教育，融入創新元素，以保證課程效果。通過發布調查問卷、采集信息并分析可知，在滿足常態化疫情防控盡可能較少課堂接觸的同時，新的教學方案在實驗課程系統性、課程目標達成和學生滿意度等方面都有較好的效果，具有較高的可推廣性和借鑒價值。