對大學物理實驗在線教學的探索

齊紅霞

摘要：新冠肺炎疫情給課堂教學造成了很大沖擊，在疫情嚴重時期，學校實施停課不停學的教學方式，理論課程均轉為線上教學。大學物理實驗課程固有的學科實踐特性，由于無法開展線上教學而停滯。該文探討在疫情等特殊時期，大學物理實驗線上教學的可行性，在教學方法、效果評價等方面提出思路，利用現代信息技術，爭取實現實驗課程與理論課程同步線上教學，深化學生對物理理論的學習。

關鍵詞：大學物理實驗??在線教學??信息技術??效果評價

中圖分類號：G434;O4-4???文獻標識碼：A???文章編號：1672-3791（2022）07（b）-0000-00

Study?on?Online?Teaching?of?College?Physics?Experiment

QI?Hongxia

（School?of?Physics?and?Electronic?Engineering，?Jiangsu?Normal?University，?Xuzhou，?Jiangsu?Province，?221116?China）

Abstract：?Classroom?teaching?was?impacted?severely?by?the?COVID-19.?In?the?serious?epidemic?period，?classes?suspended?but?learning?continues，?and?the?theoretical?courses?have?been?converted?to?online?teaching.?However，?the?inherent?discipline?practice?characteristics?of?college?physics?experiment?courses?makes?it?stagnate?due?to?the?inability?to?carry?out?online?teaching.?This?paper?discusses?the?feasibility?of?online?teaching?of?college?physics?experiments?in?special?periods?such?as?epidemic?situation，?puts?forward?ideas?in?teaching?methods?and?effect?evaluation，?and?strives?to?realize?the?synchronous?online?teaching?of?experimental?courses?and?theoretical?courses?by?using?modern?information?technology，?so?as?to?deepen?students'?learning?of?physics?theory.

Key?Words：?College?physics?experiment?course;?Online?teaching;?Information?technology;?Impact?assessment

新冠肺炎疫情對人們的生命財產和身體健康帶來了巨大挑戰，對人們的生產生活造成很大影響。對高校課程教學而言，在疫情防控常態化時期，不僅要關注線上教學資源的組織和管理，也要平衡不同學科的特性和差異[1-2]。大學物理實驗具有實踐性、互動性等特點[3-4]，在學生無法操作實驗儀器的情況下開展線上教學，需要更加充分地利用信息技術手段，調動學生在線學習積極性和主動性，以討論互動為主、觀摩驗證為輔的教學形式，彌補無實物教學的缺陷，師生合力達到教學目標的要求。1?傳統的大學物理實驗教學模式

實驗課程是對理論課程的必要補充，是學生獲取知識的直觀體驗，有助于培養學生的實踐動手能力和創新意識[5-6]。通過實驗操作和驗證，強化了學生對理論的認識，深化了學生理論聯系實際和解決具體問題的能力。大學物理實驗是科學實驗基本訓練的必修基礎課程，是高校理工科學生接受系統實驗方法和實驗技能訓練的開端。大學物理實驗包含力、熱、聲、電、光等多個知識模塊，學生通過動手操作，既加深對理論知識的理解，又鍛煉了以物理角度思考問題的方式，為以后生活中的安全用電等物理知識應用場景奠定基礎。

高校大學物理實驗均采用課堂教學模式，在實驗室進行。以“薄透鏡焦距的測量”這一光學實驗為例，同學們進入實驗室，提交預習報告，實驗教師根據預習報告和學生對該次實驗的熟悉程度進行評估，然后進行實驗原理的講解和實驗儀器操作演示，接下來由學生獨立完成實驗并進行原始數據記錄和數據處理。整個實驗過程，教師與學生面對面，及時的講解答疑和詢問交流，保證每位同學都可以得到理論知識和實踐技能的提升。

2?疫情對實驗教學的沖擊

突如其來的新冠肺炎疫情改變了人們的生活軌跡，人們對疫情從最初的惶恐、焦慮到現在的了解、戰勝，中間經歷了一個漫長的過渡時期。在這個過渡時期里，學校的教學模式也在逐步摸索和改變[7-8]。理論課程可以通過在線形式，以直播或錄播的方式教授知識，現代化的網絡通訊和教學平臺，足以保障在線教育的成功實施。隨著科技的發展，理論課程在線教學平臺也在逐步完善，師生自由互動，幾乎可以模擬課堂教學的實際，達到較好的教學效果。

然而，疫情初期停課不停學的理論在線教學期間，實驗教學則處于停滯狀態，大學物理實驗也不例外，所有停課的高校，整個學期內物理實驗室均處于封閉狀態。由于實驗課程的特殊性，無法在短期內找到類似理論教學的替代方案，只能選擇疫情停課、開學補課的被動策略，導致實驗課程積壓滯后。

對于理工科學生來說，疫情緩和后的學期內，需要補充教學計劃內缺失的上學期的大學物理實驗課程，導致部分年級學生課程負擔加重。補充的實驗課程一般安排在晚上和周末進行，利用了學生的休息時間，部分學生產生抵觸心理，學習效果大打折扣。另外，本該兩個學期的實驗課程被壓縮到一個學期，額外的實驗課時也會導致教師壓力增大，實驗儀器超負荷運轉，對實驗儀器的維護帶來不利影響。由于平時缺少預案，導致疫情突發事件對實驗教學的沖擊較大。

3?物理實驗在線教學的必要性

疫情已經得到緩解，由疫情導致積壓的大學物理實驗課程也已經全部補習完畢，但并不意味著我們已經完美解決了在突發事件下實驗課程的所有問題。與其在突發狀況下消極等待，不如現在行動起來，制定突發事件下實驗教學的替代方案。在線實驗教學雖然不能解決學生動手操作的難題，但也盡可能地滿足對物理定理和規律進行驗證的要求。

物理實驗在線教學作為一種替代方案，是非常時期的有效實驗教學方法，對大學物理理論教學起到補充和促進作用，使學生更直觀地理解物理定理的內容，從而更好地掌握理論知識。實驗在線教學可以延伸為微課實驗，甚至突破物理實驗教學大綱規定的必做實驗，對大學物理課程中每個重要定理都以微課的形式展示出來，幫助學生深刻理解理論知識。

實驗在線教學是一種非常規的教學方式，可以在一定程度上緩解突發事件對實驗教學的沖擊。學生在線學習實驗內容之后，掌握了實驗原理、實驗過程等基本知識，即使突發事件過后再補做實驗，也可節省課時，起到事半功倍的效果。

4?信息化手段的應用

現代信息技術為實驗課程的遠程教學提供了可能性，在疫情形勢下，理論課程的線上教學迅速發展，實驗教學不能一味停滯不前和被動等待，也應充分利用信息化手段，跟上理論課程教學進度，方便學生理論與實驗相結合，加深對課程的理解和掌握。

最為簡單可行的方法是錄制實驗操作視頻。大學物理實驗教師邊講解實驗原理邊操作實驗儀器，以學生的角度，進行實驗演示和數據記錄，將實驗注意事項和遇到的實際問題進行分析和總結。此種方法類似于課堂教學的講授法，雖然難以達到真實實驗的效果，但可在一定程度上讓學生了解實驗過程和實驗原理，有助于相關理論知識點的深化理解。

以“薄透鏡焦距的測量”實驗為例，該實驗可以加深理解薄透鏡的成像規律，讓學生學會光學元件的共軸調節技術，并掌握多種測量薄透鏡焦距的方法，進而正確地進行數據處理。實驗中采用四種方法測量透鏡焦距，分別為測凸透鏡的自準直法、物距像距法、共軛法，測凹透鏡焦距的輔助透鏡成像法（虛物實像法）。首先，講解四種測量方法的實驗原理和實驗儀器的使用注意事項，然后錄制實驗視頻，著重講解實驗內容和步驟，并記錄實驗原始數據，此數據用于學生進行數據處理。演示視頻過程中，要注意調動學生學習主動性，盡量采用啟發式教學方式，例如：在“共軛法”實驗過程中，讓學生思考為什么要求物像間距要大于透鏡焦距的4倍，等于或小于這一數值是否可行;在測凹透鏡焦距實驗中，為何先使凸透鏡成一縮小的實像，當放上凹透鏡后，這個像位于凹透鏡的焦點之外還是之內。這些問題的設置，有助于增加學生的主觀能動性，使學生積極思考，提高在線教學效率。最后，學生在線處理教師實驗記錄的原始數據，并通過網絡會議、各類聊天平臺進行作業提交、答疑解難、實驗反饋，盡量真實再現實驗室場景，讓學生學有所得，達到在線教學目標。

隨著計算機和人工智能的不斷進步，使用電腦仿真軟件進行虛擬實驗模擬和遠程在線教學在全國各地得到了廣泛的開發和應用。虛擬仿真實驗進入現代化教學領域，特別是在實驗環境苛刻和實驗條件危險的場合下，可以作為傳統實驗教學的重要補充和替代[9-11]。國家教育部門提倡在高校實驗教學改革和實驗教學項目信息化建設的基礎上，開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作，建立一批實驗教學效果良好的虛擬仿真實驗室。

基于現代信息技術的虛擬仿真為大學物理實驗提供更為真實的實驗模擬環境。傳統的力、熱、電、光等驗證性實驗，都可以進行虛擬仿真設計，使學生具有身臨其境的操作體驗。虛擬仿真實驗對豐富實驗教學內容，改善實驗教學手段、優化實驗教學儀器、提高學生學習興趣等具有很大促進作用，通過各種教育資源的展示，使用手機、電腦等多平臺的互動，實現在線討論和交流，構建基于互聯網的實驗教學模式。當然，虛擬仿真需要專業團隊的設計和規劃，難度較大。但作為一種特殊時期的實驗替代方案，值得各高校和軟硬件企業聯合進行探索和開發。

5.?學習效果評價

線下實驗課堂以預習報告、實驗操作、數據處理為核心要素進行學習效果評價，而不論是以教師演示視頻，還是以虛擬仿真為主的線上實驗，學生在實驗操作方面都難以實現真實模擬，難以獲得原始實驗數據記錄，因而需要更新實驗操作和數據處理方面的評價標準。下面以教師演示視頻為例，探討線上實驗學習效果評價。

驗證性實驗的目的是通過實驗操作，加深學生對物理實驗定律的理解。特殊時期的線上實驗教學以驗證性實驗為主，學生通過預習實驗原理、了解實驗儀器、觀察實驗演示、處理演示數據，最終獲得實驗結果，以驗證物理定律。在此過程中，實驗操作過程和原始數據記錄是教師進行的，實驗原理和數據處理是學生完成的。實驗操作部分的評價應以了解實驗儀器和實驗操作注意事項為主，數據處理方面則著重數據分析、誤差處理等。

線上實驗過程中，與學生的交流互動是效果評價的重要環節。實驗課程均為小班教學，方便教師與學生的交流探討。在線實驗過程中，需要充分利用網絡會議、聊天等軟件，建立課程交流平臺，更好地進行實時交流，達到實驗課程目標。

6??結語

大學物理實驗是為培養學生動手能力和實踐能力而設置的課程，然而在新冠肺炎疫情等特殊時期，實驗課程不能停滯不前，而應配合理論課程進度，有利于學生深化理論知識理解。觀摩實驗視頻和虛擬仿真實驗是切實可行的替代實驗方案，輔以對實驗知識的考核，也可使學生在特殊時期重視實踐能力的提高。當然，替代方案始終難以與真實實驗課堂相比，常規的實驗課堂依然是實踐能力培養的最佳場所。

參考文獻

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