基于智能手機“物理光學實驗”教學模式的探索

丁雙紅，王中訓，晉 剛

（煙臺大學 物理與電子信息學院，山東 煙臺 264005）

信息技術的迅猛發展，特別是進入智能手機和移動互聯網時代，學習者在智能手機卓越的軟硬件環境和高速移動網絡的支持下，為大學教學改革提供了廣闊的空間［1］。智能手機具備無線接入互聯網以及多媒體應用等功能，既方便隨身攜帶，又為軟件運行和信息交流提供了廣闊的平臺。微信是應用廣泛的移動社交平臺，擁有廣闊的流量入口，具有更強的互動性、娛樂性和便捷性，也是學生使用廣泛的手機應用App。微信、微信公眾號和微信小程序更加符合學生的信息獲取和交流習慣，微信平臺在教學中的應用可以調動學生學習興趣，所以被越來越多地用于教學［2］。

隨著技術的發展，智能手機普遍配有多種傳感器，例如加速度傳感器、聲傳感器、光傳感器等，同時眾多的App利用這些傳感器實現相應物理量的測量，例如Physic Stool Box、SensorKinetics、Phyphox等。智能手機除了實現通信功能之外，也成為普及率極高且功能強大的測量設備，近年來被越來越多地應用于輔助教學和科研工作［3］。手機相機采用CMOS傳感器，目前常用的像素為1200萬。CMOS可以實現亮度、白平衡、邊緣增強等自動處理，可以說如今有些手機的拍照功能完全不亞于一臺專業的數碼照相機。手機相機的高性能亦被應用于教學及科研，取得良好的效果［4］。

物理光學實驗教學目標是訓練學生的光學實驗操作與技能，加深對理論概念和理論的理解，同時培養學生分析問題、解決問題的能力，以及嚴謹認真的科學態度。受限于經費投入，實驗教學設備臺套數少，設備配套不完整。同時，學生對實驗教學不重視，缺乏學習興趣和學習主動性。本文運用移動互聯網提供的信息傳輸及交互功能，利用智能手機在傳感、信息采集等方面的功能，探索基于移動互聯網與智能手機的“物理光學實驗”教學模式。該教學模式在實驗教學的各個階段，充分利用移動互聯網和智能手機的信息化功能，提高實驗課程的管理效率，輔助實驗的測量和記錄，激發學生學習的積極性、主動性。該教學模式在教學實踐中有效地提高了實驗的教學質量和效果，同時引導和啟發學生將信息技術更多地運用于獲得知識，提高認知水平和提升創新能力上。

一、物理光學新教學模式的設計

經過探索和實踐，建立的基于移動互聯網與智能手機的“物理光學實驗”課教學模式如圖1所示。“物理光學實驗”教學過程總體分為三個階段：實驗課前期準備、實驗教學過程和實驗課總結改進，以形成獨立完整的實驗課程教學體系，可以根據教學需要、學生需求及信息化技術發展等條件，實現持續迭代優化。每個實驗項目的教學采用“實驗預習—實驗操作—實驗報告”的過程管理模式。該教學模式在實驗教學的各個環節，充分利用移動互聯網和智能手機的信息化功能，提高實驗課程的管理效率，補充實驗設備的不足，引導學生將移動網絡和智能手機作為學習的重要手段和工具，訓練學生利用信息技術獲得知識的能力，提高認知水平，提升創新能力。

圖1 基于移動互聯網與智能手機的“物理光學實驗”課教學模式

二、教學模式的構建與實施

（一）實驗課前期準備

光學實驗有其特殊性，學生走進實驗室之前，需要學習相關的預備知識，以保證教學效果，同時保障人員及設備的安全。學生實驗課前期預備階段需要了解的知識有：（1）實驗安全教育，包括實驗室安全及光學實驗安全教育；（2）光學實驗基礎知識，包括基本光路調節方法、常用光源等；（3）實驗數據及處理，包括有效數字、誤差分析、數據處理等；（4）實驗課程要求，包括實驗教學過程管理方法、實驗課評分標準等；（5）手機輔助教學功能，了解微信平臺、微信公眾平臺及小程序用于實驗教學。了解智能手機普遍配有多種傳感器，利用相關App可實現相應物理量的測量，輔助實驗測量和記錄；了解智能手機相機性能及拍攝模式，可用于實驗教學。

在本階段，教師收集相關材料，利用手機拍照及拍攝視頻，制作實驗指導材料。智能手機的多媒體功能可以把文本、圖片、圖像、動畫和聲音等形式的信息結合在一起，通過微信公眾號“光學Lab”上傳教學資料，大大方便了信息的發布與傳遞。建立課程微信群，進行實驗教學安排和通知。通過微信群與學生進行在線交流和答疑。學生通過微信公眾號學習相關資料，通過手機端隨時隨地學習，通過多媒體資源（包括視頻、文本、圖片等）學習，提高學生預習效果。通過課程微信群預約實驗時間。通過微信群交流答疑等。

（二）實驗教學過程

實驗課程是一門實操課程，在考查學生理論知識掌握情況的同時，也更加重視學生動手能力的培養，實驗后的總結及數據處理也是重要的考查環節。因而每個實驗項目采用“實驗預習—實驗操作—實驗報告”的過程管理模式，注重過程考核，分階段考查學生的完成情況，各階段成績占比為20%、40%、40%［5］。

1.課前預習。此階段，教師收集實驗相關材料，利用手機拍照及拍攝視頻，制作實驗指導材料，包括實驗目的、實驗原理、實驗裝置、實驗內容及要求等。通過微信公眾號“光學Lab”上傳各實驗項目資料：邁克爾遜干涉實驗、法布里—珀羅干涉實驗、偏振光的檢測與干涉實驗及晶體電光調制實驗。通過課程微信群，進行實驗教學安排和通知，與學生在線交流和答疑。學生利用微信公眾號線上預習，了解實驗目的、實驗原理、實驗裝置、實驗內容及要求等，書寫實驗預習報告。通過課程微信群預約實驗時間及接收課程通知。通過微信群交流答疑等。

2.實驗課上。教師通過微信小程序組織學生簽到，采用問卷方式檢查學生的預習情況，作為評價預習成績的依據。實驗前講解實驗原理、實驗裝置及操作、實驗內容及要求、手機輔助實驗記錄和測量的方法等。課堂上通過微信群發送照片或視頻，進行相應的實驗演示，可以使每個學生都能實時看到實驗操作過程。實驗過程中，手機錄制視頻和拍照，記錄學生實驗情況，作為評價實驗過程成績的依據。查看課程微信群或公眾號里學生分享的實驗視頻及照片，及時發現問題，進行講解和交流。學生通過手機查閱與本實驗相關的一些問題，從而拓展知識面。實驗過程中，學生利用智能手機的視頻錄制和拍照功能進行實驗過程的記錄。在課程微信群或公眾號里，學生分享實驗視頻及照片，進行探討和交流。利用智能手機上運行Excel及科學計算器等數據處理軟件，將采集到的數據進行簡單的處理，通過數據分析，自行判斷操作過程的正誤，培養學生發現、解決問題的實踐能力。智能手機具有光傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器等功能，利用相關軟件可以直接測量光強、壓力、溫度及濕度，輔助實驗測量和觀察。

3.實驗課后。教師課程微信群或公眾號里，學生上傳的實驗過程中拍攝的實驗視頻及照片，作為影像資料進行考核備案，并選取實驗過程記錄及實驗結果優秀的手機視頻和照片發布在網上供學生觀摩學習；整理制作實驗報告寫作規范、數據處理范例、實驗報告優秀范例等，上傳微信公眾號“光學Lab”；收取及批改實驗報告，再結合預習及實驗過程情況給出成績，通過微信群線上答疑等。學生學習公眾號相關資料，查閱網絡相關資料，對實驗數據進行分析處理，對實驗視頻和照片進行處理，對實驗進行分析總結，書寫完整的實驗報告，提交實驗報告，通過微信群交流答疑等。

（三）實驗課總結改進

在教學實踐過程中，不斷總結經驗，分析問題，接收學生的反饋意見，結合信息技術的發展，對實驗課程進行改進，包括實驗內容充實、實驗流程優化、教學管理環節優化及手機及移動互聯網輔助教學的功能開發，完善公眾號課程資料，開發實驗課小程序。學生通過微信交流和反饋實驗課程學習感受，就手機及移動互聯網輔助教學提出建議，開發小程序及手機實驗。

三、教學實踐效果與思考

經過近三年的探索和實踐，形成了較為系統可行的基于移動互聯網與智能手機的“物理光學實驗”教學模式，取得了良好的效果。同時，該教學模式仍有多方面的不足，需要進一步改進提升。

（一）彌補實驗設備的不足

目前開設了邁克爾遜干涉儀、法布里—珀羅干涉實驗、偏振光檢測及干涉實驗、晶體電光效應實驗等。采用智能手機輔助實驗的測量和觀測，解決了實驗設備臺套數少、實驗設備配套不足等問題，很好地完成了實驗教學任務，取得了良好的效果。例如，實驗室沒有F-P干涉儀實驗設備，利用邁克爾遜干涉儀進行改裝。實驗室沒有配套的觀察F-P干涉圖像的望遠鏡，眼睛直接觀察，雖然可以觀察到干涉圖，但觀察困難，難以完成鈉光雙線波長差的測量任務。實驗中，采用手機相機代替望遠鏡，可以清晰便捷地觀察干涉圖樣，實現了波長差較高精度的測量。偏振光檢測及干涉實驗中，利用手機光敏傳感器及陀螺儀，基于布儒斯特角測量原理進行了三棱鏡折射率的測量，實驗中測量了手機屏發光的偏振態等。手機相機觀察和記錄了偏振干涉及邁克爾遜干涉的干涉圖樣，手機軟件實現干涉條紋的自動計數等。

（二）提升教學管理效率

采用微信、微信公眾號、小程序等，教師隨時更新教學資料，及時發布課程通知，與學生及時交流。新的教學模式提升了教學管理效率，解決了實驗人員不足的問題。

（三）激發學生的學習興趣

新的教學模式極大地激發了學生的學習興趣和創新熱情。特別是采用智能手機輔助實驗的測量和觀測，學生紛紛學習自己手機中相機及探測器的性能；查閱相機的性能參數，探索用于實驗記錄的最優拍攝模式；廣泛查閱手機具有的傳感器性能參數，了解各類手機測量及數據處理App開發的基于手機傳感器的實驗；嘗試開發實驗專用App及小程序等。

（四）進一步建設展望

“物理光學實驗”新的教學模式取得了良好的效果，同時該教學模式仍有多方面的不足，需要進一步改進提升。實驗教學資料有待進一步充實和完善，更多地采用微課的形式，更多以視頻的方式進行學習資料的展示。根據學生的學習習慣和學習心理，設計思維導圖，組織實驗教學的學習資料，提升學生自主學習的興趣和意愿。

本文基于微信社交平臺的優勢開發的實驗教學模式，利用微信公眾號構建教學平臺，利用課程微信群進行交流，課堂簽到、提問等需要采用不同的微信第三方小程序，切換頻繁。計劃未來開發課程專用小程序，可以實現數據分析、干涉條紋計數、課堂簽到、提問等功能，最終實現微信公眾號+微信小程序的實驗教學模式，進一步提升學生的學習感受和教學效果。

結語

本文利用移動互聯網提供的信息傳輸及交互功能，開發利用手機的傳感、信息采集、信息處理等功能，探索基于移動互聯網與智能手機的“物理光學實驗”新的教學模式。該教學模式能充分利用移動互聯網和移動端的信息化功能，補充實驗設備的不足，提高教學管理效率，激發學生學習的積極性、主動性。教學實踐表明，該教學模式可以有效地提高“物理光學實驗”的教學質量和效果。