大學(xué)物理實驗線上線下混合式教學(xué)探究

摘 "要 "以分光計實驗為例，通過開展線上線下混合式教學(xué)探究，構(gòu)建以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的互動型全方位立體化的課程教學(xué)體系，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，有效解決分光計實驗教學(xué)中常見的難題，縮短學(xué)生調(diào)節(jié)儀器的時間，極大提高課堂的教學(xué)效率。

關(guān)鍵詞 "大學(xué)物理實驗；分光計實驗；混合式教學(xué)；仿真實驗系統(tǒng)

中圖分類號：G642.423 " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）12-0106-05

0 "引言

大學(xué)物理實驗是理工科專業(yè)學(xué)生進入大學(xué)后接觸的第一門實踐性課程[1]，是學(xué)生系統(tǒng)接受實驗方法和實驗技能訓(xùn)練，提高科學(xué)素養(yǎng)和能力的基礎(chǔ)性必修課程，課程的重要性不言而喻。教學(xué)模式和教學(xué)方法一直以來都是物理實驗教學(xué)改革的主要方向和重要內(nèi)容。近年來，為了打破重模仿輕研究、重基礎(chǔ)輕創(chuàng)新的傳統(tǒng)教學(xué)模式，國內(nèi)大部分高校對物理實驗教學(xué)內(nèi)容進行改革，建立了課程知識體系與學(xué)生專業(yè)特點相結(jié)合的多元化分層實驗教學(xué)體系[2-4]。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，線上線下混合式教學(xué)成為教學(xué)改革的重點[5-7]。另外，朱楠等[8]對引導(dǎo)交互式教學(xué)模式進行了探索和實踐，郭雅慧等[9]研究了探究式教學(xué)方法在物理實驗中的應(yīng)用，竇柳明等[10]探索了信息化教學(xué)工具雨課堂在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用，均取得顯著的教學(xué)效果。

本文以分光計實驗為例，探討線上線下混合式教學(xué)在大學(xué)物理實驗中的實踐和應(yīng)用，借助虛擬仿真實驗平臺等在線實驗開放課程和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，打破時間和空間的限制，將傳統(tǒng)的線下課堂教學(xué)延伸到線上，實現(xiàn)線上線下教學(xué)互補，真正做到讓學(xué)習(xí)無處不在。教師的授課方式由傳統(tǒng)的課堂單項講授為主，變?yōu)榻處熞龑?dǎo)啟發(fā)，教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間多向互動交流反饋式。這種混合式教學(xué)模式給予學(xué)生較高的學(xué)習(xí)自由度，可以充分激發(fā)學(xué)生的主動性和參與度，提高課堂教學(xué)效率。

1 "分光計實驗簡介

分光計也叫測角儀，是一種能夠精確測量光線偏轉(zhuǎn)角的光學(xué)儀器。在光學(xué)實驗中，它既可用于觀察光的色散現(xiàn)象，也可通過測量角度，實現(xiàn)對光的波長、棱鏡的頂角、介質(zhì)的折射率和色散率、光柵常數(shù)等多種物理量的精確測量。此外，分光計的基本光學(xué)結(jié)構(gòu)和測量原理又是學(xué)習(xí)使用復(fù)雜光學(xué)儀器如棱鏡光譜儀、光柵光譜儀、分光光度計、單色儀的基礎(chǔ)。因此，熟練掌握分光計的使用方法，不但可以培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗技能，而且能培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識發(fā)現(xiàn)和解決實際問題的能力。

1.1 "分光計實驗的教學(xué)任務(wù)和目標(biāo)

常州工學(xué)院分光計實驗包含兩個階段的教學(xué)內(nèi)容，其中分光計的調(diào)整和使用以及棱鏡折射率的測定實驗面向大學(xué)一年級學(xué)生開設(shè)，光柵光譜和光柵常數(shù)的測定實驗則面向大學(xué)二年級學(xué)生開設(shè)。在分光計實驗中，分光計的調(diào)整和使用是教學(xué)的關(guān)鍵，也是開展后續(xù)實驗的前提，學(xué)生只有全面了解分光計的結(jié)構(gòu)和工作原理并熟練掌握分光計的調(diào)節(jié)和使用方法，才能順利進行三棱鏡和光柵等后續(xù)相關(guān)實驗。通過兩個階段的實驗訓(xùn)練，學(xué)生能夠切身體會大學(xué)物理光學(xué)實驗的操作流程和實驗特點，并在腦海中建立清晰的幾何光學(xué)和波動光學(xué)物理圖像，提升實踐動手能力和數(shù)據(jù)處理能力。

1.2 "分光計實驗的教學(xué)重點和難點

分光計實驗的教學(xué)主要圍繞三項基本內(nèi)容展開：一是了解分光計的構(gòu)造，搞清楚儀器主要部件的功能和設(shè)計原理；二是掌握分光計的測量原理和調(diào)節(jié)方法；三是借助三棱鏡、光柵等光學(xué)元器件，精確測量三棱鏡的頂角、折射率、光柵常數(shù)、光的波長等物理量。一般來說，第一和三項內(nèi)容學(xué)生比較容易理解和掌握，分光計實驗的教學(xué)重點和難點在于第二項內(nèi)容，即如何幫助學(xué)生深入理解分光計測角功能的原理并熟練掌握分光計的調(diào)節(jié)和使用方法。

2 "線上線下混合式教學(xué)設(shè)計及具體實施

學(xué)校之前的分光計實驗教學(xué)以傳統(tǒng)課堂講授為主，通過PPT課件和示教儀投影方式現(xiàn)場講解并演示教學(xué)重點與難點。這種單向灌輸式的教學(xué)模式，在實踐中很難調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，學(xué)生無法通過課堂上有限的時間完全理解實驗原理并熟練掌握儀器的操作方法，而且由于課堂時間有限，師生之間缺乏有效的互動，因此，教學(xué)效果很難達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。學(xué)生調(diào)節(jié)時間較長且極易出錯，又很難獨立找到解決問題的方法，這也必然會導(dǎo)致較高的儀器故障率。針對這些問題，筆者對分光計實驗教學(xué)進行分析和總結(jié)，設(shè)計線上線下混合式教學(xué)方案，并將其運用于教學(xué)實踐，取得良好的教學(xué)效果。

考慮到分光計實驗知識點多、難理解，操作難度大、要求高的特點，筆者把實驗中的重點和難點分割成幾個獨立的教學(xué)目標(biāo)，開展模塊化教學(xué)。線上教學(xué)利用虛擬仿真實驗平臺等在線教學(xué)資源來完成，線下教學(xué)則以實驗操作為重點。以分光計的調(diào)整和使用為例，將教學(xué)內(nèi)容分為三個模塊：分光計的構(gòu)造、功能和讀數(shù)方法，阿貝目鏡、望遠(yuǎn)鏡物鏡的調(diào)節(jié)，分光計的粗調(diào)和細(xì)調(diào)。

在教學(xué)方法中引入問題解決模式，對分光計教學(xué)的各個環(huán)節(jié)進行創(chuàng)新設(shè)計，使學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的各種成分在問題解決過程中發(fā)揮各自的不同作用，激發(fā)學(xué)生的好奇心的同時引導(dǎo)學(xué)生圍繞問題積極思考，幫助學(xué)生將原有的認(rèn)知和所學(xué)知識融會貫通，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，強化物理核心素養(yǎng)。教學(xué)設(shè)計以“如何調(diào)節(jié)分光計，使其滿足精確測量的三大條件”這一大概念統(tǒng)領(lǐng)整個教學(xué)，以“如何調(diào)節(jié)阿貝目鏡”“如何將望遠(yuǎn)鏡焦距調(diào)至無窮遠(yuǎn)處”“如何快速粗調(diào)將望遠(yuǎn)鏡光軸和載物臺平面大致垂直于儀器主軸”“如何進一步細(xì)調(diào)”“當(dāng)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡以及載物臺平面時，如何判斷反光鏡兩個面反射的綠十字像的位置和移動的方向”“為什么在刻度盤上設(shè)置兩個讀數(shù)游標(biāo)”“出現(xiàn)過零讀數(shù)時，應(yīng)該如何處理”等問題貫穿整個教學(xué)過程，一步步引導(dǎo)學(xué)生進行獨立思考，同時相鄰的學(xué)生四人組成一個小組開展合作探究，最終完成教學(xué)任務(wù)。下面重點介紹課前預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)、交流討論、實驗報告、課后拓展、教學(xué)評價六個環(huán)節(jié)的具體教學(xué)實施過程。

2.1 "課前預(yù)習(xí)

將分光計的構(gòu)造、功能和讀數(shù)方法這部分內(nèi)容放在課前預(yù)習(xí)進行教學(xué)，可適當(dāng)減輕課堂教學(xué)的壓力，同時更有利于教師與學(xué)生將注意力聚焦到課程的重點和難點上。利用仿真實驗系統(tǒng)和在線教學(xué)資源，如圖1、圖2所示，將這部分內(nèi)容在課前讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)來完成，然后學(xué)生利用仿真實驗系統(tǒng)中的測試功能進一步檢驗和鞏固所學(xué)知識，這個環(huán)節(jié)的教學(xué)可使學(xué)生對分光計每個部分的結(jié)構(gòu)和功能做到心中有數(shù)。同時，教師通過平臺查看學(xué)生的答題情況，分析易錯點，確定線下課堂講解的重點。

2.2 "課堂教學(xué)

2.2.1 "分光計的結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)要求

在實驗操作環(huán)節(jié)的講解過程中，教師可以充分利用PPT課件、視頻、動畫、示教儀現(xiàn)場演示等教學(xué)手段，通過師生互動、小組討論、學(xué)生探究等方法激發(fā)學(xué)生的積極性，有效提高學(xué)生的課堂參與度。

教師引導(dǎo)學(xué)生觀察分光計的結(jié)構(gòu)，講解分光計每個部件的功能和調(diào)節(jié)要求，分三點介紹：一是望遠(yuǎn)鏡聚焦于無窮遠(yuǎn)處；二是望遠(yuǎn)鏡光軸、平行光管光軸和載物臺的平面均垂直于分光計的主軸；三是平行光管射出的光線是平行光。教師通過提問引導(dǎo)學(xué)生思考實驗的調(diào)節(jié)原理，如果課堂時間有限，也可以將其作為課后思考題讓學(xué)生自主探究。

2.2.2 "分光計的分步調(diào)節(jié)

1）分光計的粗調(diào)。按照先整體后局部、先粗調(diào)后細(xì)調(diào)的操作原則，對分光計進行粗調(diào)。用眼睛目測，通過調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡、平行光管和載物臺平面的傾斜度調(diào)節(jié)螺釘，盡量將它們都調(diào)成水平；轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，使其盡量與平行光管平行，調(diào)節(jié)兩側(cè)的微調(diào)螺釘，使望遠(yuǎn)鏡和平行光管在一條直線上。這樣做的目的是將望遠(yuǎn)鏡光軸、平行光管光軸和載物臺平面基本與分光計的主軸垂直，便于后續(xù)的細(xì)調(diào)。在粗調(diào)載物臺水平時，有幾個小技巧可以方便學(xué)生快速完成粗調(diào)：一是借助水平儀進行調(diào)節(jié)；二是讓學(xué)生仔細(xì)觀察載物臺下方間隙的大小，轉(zhuǎn)動載物臺把各處的間隙調(diào)成大小一致即可；三是觀察載物臺下方三個螺釘露出的長度，或者是螺釘在間隙中的長度，使三個螺釘?shù)拈L度一致。實際操作時，要強調(diào)粗調(diào)的重要性，在粗調(diào)環(huán)節(jié)就將儀器基本調(diào)節(jié)到位。

2）阿貝目鏡的調(diào)節(jié)。打開汞燈光源，將汞燈盡量靠近狹縫，保證有充足的光線通過狹縫進入平行光管（也可借助臺燈）。將望遠(yuǎn)鏡調(diào)節(jié)至與平行光管正對，此時視場會變得比較明亮，緩慢旋轉(zhuǎn)目鏡調(diào)焦旋鈕以改變目鏡與分劃板的距離，直至分劃板上的叉絲清晰為止，同時轉(zhuǎn)動分劃板，將叉絲調(diào)節(jié)至水平。

3）望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)。分光計的望遠(yuǎn)鏡采用自準(zhǔn)直原理設(shè)計，教師可對照望遠(yuǎn)鏡光路圖介紹原理和調(diào)節(jié)方法。實際操作時，方法有很多種，這里介紹兩種常用的調(diào)節(jié)方法。打開望遠(yuǎn)鏡內(nèi)的照明小燈，可以清楚地觀察到帶有綠色小“＋”字的窗口。方法一：將雙面鏡放在載物臺上，然后利用它反射回來的亮“＋”字像來進行調(diào)節(jié)。方法二：將平面鏡的一個鏡面（也可使用三棱鏡的光面）緊貼望遠(yuǎn)鏡物鏡鏡筒上，然后進行物鏡調(diào)焦，直至看到清晰的“＋”字像。此時分劃板與物鏡的焦平面已經(jīng)重合，即望遠(yuǎn)鏡聚焦于無窮遠(yuǎn)處，可以用其觀察平行光。

4）分光計的細(xì)調(diào)。

①平面鏡的放置。首先讓學(xué)生檢查并調(diào)節(jié)載物臺上的三條刻線與載物臺下方的三個調(diào)節(jié)螺釘正對，然后引導(dǎo)學(xué)生思考如何在載物臺上放置平面反射鏡來調(diào)節(jié)載物臺水平。由于學(xué)生課前已經(jīng)在虛擬仿真實驗系統(tǒng)中進行了相關(guān)操作的訓(xùn)練，因此很容易就可以知道，需先后將平面鏡放置于如圖3所示的兩個相互垂直的位置（位置2和1）。

②利用各半法細(xì)調(diào)。雖然學(xué)生在課前已經(jīng)完成仿真系統(tǒng)中實驗的模擬操作，但是實際操作經(jīng)驗仍然存在欠缺和不足，因此，儀器的粗調(diào)水平質(zhì)量很難得到保障，加上望遠(yuǎn)鏡的視野較窄，導(dǎo)致學(xué)生在細(xì)調(diào)環(huán)節(jié)時找不到反射鏡前后兩面的反射像。在實際教學(xué)中如果出現(xiàn)這種情況，教師要及時提醒學(xué)生重復(fù)粗調(diào)的步驟，直至載物臺和望遠(yuǎn)鏡基本處于水平狀態(tài)，然后將望遠(yuǎn)鏡鏡筒垂直對準(zhǔn)反射鏡鏡面。如果在望遠(yuǎn)鏡中仍然找不到反射像，可以將反射鏡以底座棱邊（平行或者垂直于bc的邊）為軸，相對望遠(yuǎn)鏡鏡筒前后小幅擺動，根據(jù)鏡筒中十字反射像上下移動的方向，判斷反射像位于叉絲上方還是下方，調(diào)節(jié)載物臺的水平螺釘（b和c螺釘中的任意一個），將反射像移動至望遠(yuǎn)鏡的視場內(nèi)，并和上叉絲重合。調(diào)節(jié)這一步時，需要注意螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)方向以及調(diào)節(jié)的幅度，在反射像調(diào)節(jié)到與上叉絲重合的過程中，估算螺釘轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，然后退回大約一半的圈數(shù)，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的俯仰螺釘，使得反射像再次與上叉絲重合。旋轉(zhuǎn)游標(biāo)盤將載物臺轉(zhuǎn)過180°（實驗前已通過鎖緊螺釘將載物臺與下方的游標(biāo)盤固定，這樣無須觸碰載物臺就可以實現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)），一般情況下仍可以在望遠(yuǎn)鏡視場中觀察到反射像，如果沒有，可以采用同樣的方法，調(diào)節(jié)出反射像，重復(fù)上述步驟，繼續(xù)檢查，直到兩個狀態(tài)都能達(dá)到十字重合就可以了，此時望遠(yuǎn)鏡的光軸與分光計的主軸嚴(yán)格垂直。

5）平行光管的調(diào)節(jié)。移走雙面鏡，關(guān)掉望遠(yuǎn)鏡中的照明小燈，將望遠(yuǎn)鏡正對平行光管，調(diào)節(jié)狹縫與透鏡的距離，并將縫寬調(diào)節(jié)至適中（約1 mm左右），此時從望遠(yuǎn)鏡中可以觀察到清晰的狹縫像，且與分劃板間無視差，即目光移動，像不發(fā)生變化。這時平行光管發(fā)出的光為平行光。松開狹縫鎖緊螺絲，將狹縫像旋轉(zhuǎn)至水平，調(diào)節(jié)平行光管的傾斜度，將狹縫像調(diào)節(jié)至與分劃板中央水平叉絲重合，重新將狹縫調(diào)至豎直狀態(tài)并鎖緊。自此，分光計所有的調(diào)節(jié)均已完成，接下來就可以測量三棱鏡的頂角、折射率、光柵常數(shù)、光的波長等物理量[11-12]。

2.3 "交流討論

為了方便教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間及時交流和溝通，利用QQ建立班級課程群，同時在仿真實驗平臺上開辟在線討論區(qū)，在線解答學(xué)生提出的問題。為鼓勵學(xué)生積極思考發(fā)言，可對參與討論的學(xué)生給予適當(dāng)加分獎勵。

2.4 "實驗報告

學(xué)生在完成仿真實驗系統(tǒng)中的實驗預(yù)習(xí)、仿真實驗操作和試題測試基礎(chǔ)上撰寫實驗報告，并對測得的數(shù)據(jù)進行初步分析和處理，再與教師交流溝通并聽取意見和建議，最后對完善后的數(shù)據(jù)進行處理。學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)處理的要求，詳細(xì)列出每個測量量的計算過程，計算過程需直觀體現(xiàn)數(shù)據(jù)代入，有效數(shù)字的運算、修約，單位換算，不確定度有效數(shù)字取位及最終結(jié)果表示等。教師鼓勵學(xué)生利用科學(xué)軟件分析和處理數(shù)據(jù)，如Origin、Excel、MATLAB、Mathematica等。在實驗報告的最后，學(xué)生需對實驗過程中出現(xiàn)和解決的問題進行反思，并對實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗步驟等方面進行總結(jié)和思考，提出更好的實驗方案或改進措施。通過實驗報告的撰寫，不僅可以加強學(xué)生對實驗的理解，還可以循序漸進地提升學(xué)生的科研探究能力，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度。

2.5 "課后拓展

在分光計測量三棱鏡折射率實驗基礎(chǔ)上，進一步拓展實驗內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生思考如何利用分光計測量其他形狀棱鏡或者液體的折射率，讓學(xué)生通過查找資料設(shè)計實驗方案，并進行可行性分析，結(jié)果往往超出學(xué)生的預(yù)料。引導(dǎo)學(xué)生進一步思考為什么結(jié)果與預(yù)想的不一樣，幫助學(xué)生優(yōu)化實驗方案，從而引發(fā)學(xué)生探究的興趣，激發(fā)學(xué)生科學(xué)探索的精神。學(xué)有余力的學(xué)生還可以加入大學(xué)生創(chuàng)新社，通過大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目訓(xùn)練后參加“挑戰(zhàn)杯”“全國大學(xué)生物理實驗競賽（創(chuàng)新）”等更高級別賽事，進一步培養(yǎng)創(chuàng)新能力和科學(xué)探究能力。

2.6 "實驗成績評價

按照量化考核內(nèi)容，強化學(xué)習(xí)過程考核的基本原則，在原有的以課堂操作和實驗報告為主的單一考核模式基礎(chǔ)上，細(xì)化制定科學(xué)的成績評價體系，全面真實準(zhǔn)確地反映學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰λ健Ｆ渲袑嶒灣煽冋?0%（實驗預(yù)習(xí)成績占20%，實驗操作成績占40%，實驗報告成績占40%，考勤成績采用扣分形式），仿真實驗成績占20%（線上測試成績占50%，仿真實驗成績占50%），拓展創(chuàng)新成績占30%（創(chuàng)新實驗方案、制作小作品、小論文等）。

3 "結(jié)束語

本文以分光計的調(diào)整和使用實驗為例，詳細(xì)介紹線上線下混合式教學(xué)模式和每個教學(xué)環(huán)節(jié)的具體實施過程。在教學(xué)中引入仿真實驗平臺和QQ課程群，進一步豐富教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，為學(xué)生提供更多的學(xué)習(xí)空間和資源，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。仿真實驗成績計入課程的總評成績，讓學(xué)生更加重視課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)。通過課前預(yù)習(xí)，大部分學(xué)生基本可以掌握儀器的結(jié)構(gòu)和使用方法，從而大大減輕教師的課堂教學(xué)壓力，使教師在很好地完成實驗教學(xué)任務(wù)的同時還能進一步引導(dǎo)學(xué)生對實驗進行拓展和深入探究。線上教學(xué)平臺的在線測試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計不僅可以為教師教學(xué)提供便利和參考，也使得多角度全方位量化考評學(xué)生的實驗?zāi)芰Τ蔀榭赡堋ｋm然這種線上線下混合式教學(xué)模式存在一定的不足[13]，但是隨著實驗教學(xué)信息化和虛擬仿真實驗的建設(shè)與發(fā)展，教師的綜合教學(xué)能力將不斷得到提升，這種混合式教學(xué)模式必將成為實驗教學(xué)的主流模式。

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