基于網絡平臺的大學物理實驗教學設計
——以動態法測量楊氏模量實驗為例

雷玉璽，魏同利，楊 翠

（北方民族大學電氣信息工程學院，寧夏 銀川 750021）

0 引言

大學物理實驗課是理工科一門重要的基礎實驗課程，在我校定位為理工科各非物理專業的學科基礎課。物理實驗反映了科學實驗的共性和普遍性，對培養學生嚴謹認真的工作態度，訓練科學實驗基本方法，提高理論聯系實際、解決問題的能力等有著不可替代的作用[1]。

近年來，我校由于招生規模擴大和新建院系，大學物理實驗課教學工作量逐年增加。目前，每學年有10個學院28個專業近2500名本預科生上大學物理實驗課。由于物理實驗課采用分項目教學的授課方式，每學期教學任務的具體安排工作量巨大。各高校物理實驗中心都開發了自己的網絡平臺，通過系統安排實驗教學任務，同時擴展功能，實現實驗預習、仿真實驗、電子實驗報告及評判、考核及成績核定等。這些功能的開發和完善，能有效緩解實驗教學安排的工作量，對提高實驗教學質量也有很大幫助。因此，以網絡平臺為媒介的基礎實驗課教學模式被普遍采用[2]。

物理實驗教學使用的網絡平臺主要有實驗中心門戶網站，排選課系統，虛擬仿真實驗系統和在線課程[3]。我中心自2012年設計并使用了簡易的網絡選課平臺，通過平臺發布每學期開設的各類課程所包含的實驗項目及時間段，學生根據對應的課程及專業進行選課。對于基礎性實驗項目，打通學院分組進行，對于分學院開設的實驗項目，打通各專業分組進行。教師每組指導20人，所有實驗項目實行單人單組。按照這種方式能有效解決實驗場地和上課時間的沖突問題，同時也給教師安排上課時間、學生上實驗課提供了較大空間。在此基礎上，我們又建設了實驗教學的信息化資源，在超星學習通建設了在線課程。目前已有較為成熟的排選課系統、虛擬仿真實驗系統，形成了基于網絡平臺的教學模式。

下面以動態法測量楊氏模量實驗為例，說明實驗教學的具體開展情況。

1 教學任務的安排

由于實驗課時縮減，使得開出的實驗項目數受限，因此要精心選取實驗項目，既要滿足物理實驗分層次教學的要求，也要涵蓋各種測量方法、實驗方法以及物理學原理。楊氏模量實驗是物理實驗的一個經典項目，常開的有靜態拉伸法。該實驗全面體現了物理實驗教學目標中測量的基本方法、測量工具的選擇、測量結果的不確定度評定等要點。相對于靜態法，用動態共振法測量圓棒狀樣品的楊氏模量實驗同樣是一個很好的綜合性實驗，結合了轉換測量和共振測量法的應用，同時也可作為示波器應用的拓展實驗。因此，在我們12學時的《大學物理實驗Ⅰ（下）》中安排該實驗項目為一個綜合性實驗，主要面向電信和機電兩個學院開設。實驗中涉及的原理也能和理論課此時段所學的“振動波動”內容相呼應。

2 通過教學平臺線上自主學習實驗

我校與超星泛雅合作建設了MOOC教學平臺，供校內在線課程使用。大學物理實驗課程章節中每一節為一個實驗項目，展開后有該項目的講義、課件、視頻等資源。除了章節外，平臺還設置有“通知”“活動”“作業”“班級”“資料”等模塊。通過平臺教師可以發布課程任務，學生端可以收到推送的通知，瀏覽課程資源進行在線學習，同時也可以參與活動，提交作業，與老師私發消息。

在動態法測量楊氏模量實驗項目的教學中，運用已建成的項目資源，如圖1（P206）所示。在學生做實驗之前，布置任務讓學生自主學習、預習實驗，完成預習報告的書寫和練習題。通過這種方式，學生已經基本了解該實驗的目的；要用到的動態楊氏模量測試儀、示波器、信號源、測試圓棒等實驗器材；細棒的橫振動、共振測量法等實驗的原理和方案；要測量細棒的質量、長度、直徑等待測量和注意事項等，為線下實驗充分做好準備。

圖1 教學平臺《動態法測楊氏模量》的課程資源截圖

3 線下實驗中利用教學平臺進行實驗演示

實驗教學最終要落實到儀器設備上，學生要進行實物的動手操作，實現對物理量的測量，從而得到實驗結果。由于課時受限，為了能夠讓學生多做幾個實驗，我們給每個實驗項目安排了2課時。這就要求我們在有限的時間里完成實驗全部內容。通常，教師在實驗授課時，在講授完實驗原理等理論后，接著給學生集中進行演示，學生圍在老師周圍觀看。這種演示方式使得外圍的學生觀看效果不佳，甚至有的學生看不到或者干脆不看。因此，在授課時不建議用這種方式，而是在實驗過程中結合實際操作，利用教學平臺讓同學自己參考視頻演示，獨立完成實驗。

由于此前學生已進行了充分的預習，線下授課時，只需要將實驗的背景、器材、目的等作一概述，將實驗原理進行梳理，重點說明實驗方案后，即可開始實驗。在動態法測量楊氏模量實驗中，通過介紹細棒橫振動的動力學原理和振動模式后，給出待測量的表達式：。接著說明實驗方案，指出實驗的基本問題歸結為對基頻共振頻率的測量，具體的測量方案是在測出不同支撐點的共振頻率后推算節點處的。學生在實驗過程中，對于線路的連接、測試樣品的支撐點（懸掛點）的選取，可隨時通過手機端查閱教學平臺上的課程PPT，如圖2所示；對振幅極大法的調節方法也可以通過視頻演示反復觀看。這樣既方便了教學，也提高了實驗演示的效率。

圖2 教學平臺上《動態法測楊氏模量》課件截圖

通過這種形式開展實驗教學，使學生能夠獨立實驗的能力更多地鍛煉，特別是對于學習能力較強的同學，基本能夠獨立完成實驗。對于個別基礎薄弱同學，教師可騰出時間單獨指導其完成實驗。

4 通過教學平臺提交實驗報告

學生課堂完成實驗后，采集到了實驗數據，課后需要對實驗數據認真處理。處理數據時，可通過教學平臺查閱老師提供的數據處理參考格式，按要求完成后，認真撰寫實驗報告。實驗報告采用規定報告紙手寫，寫完后及時上交。通常實驗報告提交紙質版，投遞到教師的信箱，教師抽時間取回后批閱。批閱時，對于未按要求完成或問題比較嚴重的實驗報告不方便與學生反饋交流。因此，我們設置任務讓學生通過教學平臺提交，這樣，對于問題實驗報告，教師可以指出問題所在打回讓學生重寫，再次提交。在設置實驗報告提交方式時，一方面我們是要求手寫拍照提交，不允許直接用電子文檔；另一方面，我們把實驗報告拆分幾個模塊：原始數據、實驗原理、數據處理及結果三個頁面，分別放置在教學平臺“作業”任務的三個題目中，如圖3所示。由此，既細化了教師批閱實驗報告的內容，也便于實驗成績的統計，還可用于工程認證專業中達成度的核定。同時，將紙質版報告留底備查。

圖3 教學平臺上《動態法測楊氏模量》實驗報告任務設置及報告格式截圖

5 通過虛擬仿真實驗平臺進行實驗拓展

受實驗場地和條件、特別是課時等因素的制約，學生在課內完成的實驗項目非常有限，一些實驗項目無法向學生開設。利用虛擬仿真實驗平臺，可以讓學生了解更多的實驗項目。動態法測量楊氏模量是共振測量法和示波器應用的一個典型實驗，此外，聲速的測定也是這個單元的一個經典實驗。利用了虛擬仿真實驗系統，學生可以做此實驗，進一步了解共振測量的應用，深刻理解振動波動之間的關系。讓學有余力的同學可以在課外了解和學習某個實驗方法的系列實驗，以及一些近代物理實驗，從而拓展學生的實驗視野[4]。

隨著信息化、網絡化及在線教學的不斷發展[5]，我們設計了基于網絡平臺的大學物理實驗課程教學模式，通過排選課系統安排教學任務，有效實施了分項目分組教學；利用網絡教學平臺擺脫時間空間限制，實現學生自主學習預習實驗、教學時的實驗演示、交互式實驗報告的提交批閱；通過虛擬仿真實驗系統進行實驗拓展。在學時有限、實驗人員緊缺的情況下有效開展大學物理實驗教學，從而提升了實驗教學的質量。