混合式實驗教學在大學物理教學中的應用探討

倪靜 徐秀蓮

[摘 要] 大學物理實驗混合式教學采用線下宅家實驗和線上虛擬仿真實驗相結合的形式。宅家實驗是利用智能手機的多種傳感器和Phyphox軟件相配合，居家完成物理實驗;仿真實驗利用虛擬仿真系統線上完成實驗。作為一種新的教學模式，目前在大學物理實驗教學中的應用越來越廣泛。同時，針對實驗教學中存在的問題以及應對措施進行系統總結，為進一步將混合式實驗教學列入正常教學計劃奠定基礎。實踐證明，開發虛實結合的物理實驗，對激發學生興趣、提高教學質量有顯著效果。

[關鍵詞] 大學物理實驗;混合式教學;教學方案;宅家實驗;仿真實驗

[基金項目] 2014—2016年青年科學基金項目“基于復雜網絡方法研究蛋白質分子體系功能運動的別構機制”（11305139）

[作者簡介] 倪 靜（1974—），女，江蘇揚州人，學士，揚州大學物理科學與技術學院實驗員，主要從事大學物理實驗管理和教學研究;徐秀蓮（1978—），女，江蘇姜堰人，博士，揚州大學物理科學與技術學院副教授，主要從事復雜網絡方面的研究。

[中圖分類號] G642.41? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）20-0153-04? ?[收稿日期] 2021-02-08

新冠疫情爆發后，教育部于2020年2月4日印發了《關于疫情防控期間做好普通高等學校在線教學組織與管理工作的指導意見》，決定在全國高校實施在線教學，其中既包括理論課，也包括實驗課。指導意見發布后，各地高校快速響應，按照“停課不停教、停課不停學”的要求，制訂在線教學方案。

一、教學方案

面對疫情，特別是實驗課程，脫離了實驗室能不能進行在線教學？怎樣進行在線教學？在線教學效果如何？這些問題對全體實驗指導教師而言都是一次全新的探索和挑戰。大學物理實驗是一門實踐性課程，不等同于理論課教學，其教學的核心任務是通過對儀器設備的具體操作，達到鍛煉學生動手能力、培養學生實驗素養的目的。作為省級教學示范中心，物理學院實驗教學中心面向全校理、工、農、醫、廣陵學院近30個專業開設大學物理實驗課程。

在實驗課程停擺的四周里，大學物理實驗教學團隊迅速行動起來，通過開展線上線下教學研討，借鑒學習全國高校優秀經驗，統一思想，最終制訂了線上實驗和線下實驗相結合的混合式教學方案，采用網絡錄播+宅家實驗+虛擬仿真+釘釘群答疑的教學模式[1-4]。網絡錄播用于緒論課，講授數據處理的方法、實驗理論及操作的講解、實驗結束后的問題總結，全方位助力學生理解實驗原理、完成實驗操作、解決實驗中出現的問題。宅家實驗主要采用智能手機+Phyphox軟件，由學生準備少量的實驗器材，自主搭建實驗裝置，宅家完成實驗的各個環節，通過對數據的分析，進一步深入理解實驗原理。虛擬仿真實驗使用了“科大奧銳虛擬仿真實驗平臺”，在計算機上用虛擬仿真技術模擬實驗現實效果，學生不離家即可完成實驗。課程團隊教師除了每天在評論區點評互動之外，還利用釘釘群隨時解答學生實驗過程中出現的問題，加強與學生的互動交流。

二、實驗內容

（一）宅家實驗簡介

特殊時期，學生離校在家，無法利用學校的實驗設備完成實驗。在這種情況下，我們需要轉變思路，充分利用身邊的設備完成物理實驗。智能手機的普及為我們開展宅家實驗提供了條件。現在的智能手機除了常用的麥克風、揚聲器、相機、GPS定位系統，還自帶多種傳感器，如壓力、光強、加速度、濕度、磁力、距離、重力、溫度傳感器等，配合一款基于智能手機的軟件——Phyphox，就可以直接訪問手機的傳感器，并將原始數據和結果一起導出并進行分析，也可用電腦控制手機采集實驗數據，通過Phyphox網站的網頁編輯器建立實驗視圖。同學們可以根據不同傳感器的功能完成不同的實驗。相關傳感器原理及應用見表1。

依據教學大綱要求，共開設了7個宅家實驗，分別是：用手機屏幕光柵衍射測激光波長、影響光照度的可能因素探究、單絲衍射、用單擺測量重力加速度、透鏡焦距的測量、多普勒效應的研究、節拍現象研究。下面以多普勒效應實驗為例，介紹宅家實驗。Phyphox軟件包含“音頻發生器”，它可以發出0～20000Hz單一頻率、連續可調、無雜音的聲音;還包括“音頻自相關”，可以顯示聲音的波形與頻率，作為測量聲音頻率的儀器。利用家里的椅子、棉線、兩部智能手機，就可以完成多普勒效應實驗。兩部手機實現相對運動：一部手機作為聲源（3000Hz）固定不動;另一部手機作為接收裝置，靠近聲源或遠離聲源時，接收到的波形和頻率都會發生變化，實驗效果非常明顯，驗證了多普勒效應。所測頻率如圖2、3所示。

實驗前，將講義上傳至群文件，包括實驗原理、實驗內容及詳細的操作步驟，方便學生提前預習，避免實驗過程中出現誤操作的現象。實驗過程中出現問題，學生通過釘釘群隨時提問，師生互動討論解決問題，確保每位學生完成實驗的所有環節。

（二）仿真實驗簡介

仿真實驗不需要普通意義上的實驗器材，僅利用仿真技術，建立虛擬實驗環境，學生可以在這個環境中自行設計實驗方案、擬定實驗參數、操作儀器，模擬真實的實驗過程，營造了自主學習的環境。仿真實驗不受時間和地域的限制，隨時可以完成線上實驗。

本中心引進了“科大奧銳虛擬仿真系統”。該系統是國內第一套虛擬現實型的教學軟件，目前已推出多個版本。它分為力學、熱學、光學、電學、電磁學和近代物理六大類共計59個實驗。

本次選擇了7個與現用物理實驗教材[5]內容一致的虛擬仿真實驗，分別是：落球法測定液體的黏度、三線擺法測剛體的轉動慣量、基本電學參數測量、邁克耳孫干涉儀、示波器實驗、聲速的測量、用拉伸法測楊氏模量。各專業的學生先通過軟件熟悉實驗原理、實驗內容、實驗儀器、實驗步驟，然后點擊開始實驗，通過拖動鼠標連接儀器、設定參數、調節儀器、觀察實驗現象以及記錄實驗結果，實驗過程如圖4所示。