大学物理实验微课建模的探讨

舒 峥，郑荣炜，李佳隆，柴志方

(华东师范大学 物理与材料科学学院，上海 200241)

大学物理实验微课建模的探讨

舒 峥，郑荣炜，李佳隆，柴志方

(华东师范大学 物理与材料科学学院，上海 200241)

针对目前高等院校大学物理实验教学的现状与困境，提供了以微课制作的形式，进行实验建模教学的方案，并以RLC幅频特性的实验研究为例对微课制作的流程、实验建模教学的设计进行了详细的阐述.

微课；大学物理实验教学；物理建模;RLC

目前普遍认为影响大学物理实验教学质量的主要问题有：课前预习不够充分；课堂时间分配难以调和；课后复习条件不足[1]. 另外理论课与实验课不同步的情况导致学生在课堂上更多扮演的是“操作工”而不是“研究者”的角色.

实验微课建模教学是将科学建模教学理论与实验微课教学相结合，以教学视频为载体，围绕某一实验进行教学设计并开展的教学活动，是将物理实验、建模教学以微课的形式呈现出来的一种新型教学模式.

鉴于上述大学物理实验教学的不足以及实验微课建模教学的特点，本论文提出了大学物理实验微课建模的教学模式，并以RLC幅频特性的实验研究为例详细阐述微课教学的设计过程，旨在通过实验微课建模的教学研究提高大学物理实验教学的质量.

1 大学物理实验微课与建模教学相结合的可行性分析

大学物理实验以微课的形式呈现，不仅可以改善学生预习效果，于有限的课时内提高学生的综合素质、创新能力、实验能力以及故障解释及排查的能力[2]，而且可以帮助教师完成实验教学任务，提高课堂教学的有效性.

物理模型作为理论和实验的中介，被视为是对真实世界的表征[3]，而传统的大学物理实验教学中学生缺乏模型建构、分析与解释等意识且对模型的本质和功能认识不足，这导致学生难以利用已知知识去解决实际问题. 而微课建模教学则能够弥补这方面的不足，其能引导学生先建模后实验，有效地避免学生只动手不动脑、机械而盲目地做实验等现象的发生.

因此，鉴于对上述大学物理实验建模教学的必要性以及微课教学的有效性等特点的分析，将大学物理实验微课与建模教学相结合具有一定的可行性以及研究价值. 在微课教学的过程中，引导学生经历建模学习的过程，体验科学家的思考活动，帮助学生建立科学模型；在模型检验环节可以直接通过大学物理实验器材进行验证；模型修正环节可以通过学生不断地“尝试错误”，从而进行故障分析和现象解释；模型拓展环节的设置通过讲解知识的实际来源，从而帮助学生进行知识的迁移，并学会解决实际生活中的问题.

2 基于建模教学的微课制作过程

微课制作是一项系统的工程，其前期准备的工作量与难度要远远大于录制过程. 流程如图1所示，具体为[4]：

1)前期分析，确定适宜做建模微课的实验内容，并对学生学情进行分析.

2)脚本设计，思考教学内容如何呈现、教学过程如何组织以及如何解决实验重点难点等问题[5].

3)素材准备，根据脚本寻找或者制作符合实验教学的视频和PPT等.

4)软件编辑、视频编辑的软件可以有多种选择，屏幕录制微课工具Camtasia Studio 8.4、声音编辑工具Adobe Audition CC、字幕制作工具Time Machine等. 这里需要注意脚本、课件以及视频的协调性，微课屏幕显示画面与解说声音要同步，特写镜头要标出变焦倍数.

5)测试评价，对使用建模实验微课的学生进行跟踪调查和深度访谈.

图1 微课实施流程

脚本的设计环节很大程度上决定了本次研究的成功与否. 故本文着重从脚本的教学设计角度进行具体介绍.

3 RLC串联幅频特性实验的实验建模微课教学的设计

实验建模的微课教学主要围绕模型展开，具体做法如图2所示，在Halloun建模的基础上，结合大学物理电学实验特点，从5个方面展开实验微课的建模教学，分别是模型假设—参量选择—模型建构—实验验证与模型检验—模型拓展. 需要说明的是，这些建模过程并非线性推进的过程，模型是可以不断修正的，所以实际建模过程中可能需要多次反复，甚至要回到起点重新开始[3].

图2 实验微课建模设计过程

3.1 模型假设

电路理论并不是对实际生活中的真实电路进行的模拟，而是根据抓住主要因素、忽略次要因素的研究方法，将实际电路抽象成具体模型之后进行研究. 本视频第一个环节描述了同一线圈在直流、交流的不同情况下需要采取不同的电学元件模型进行建模：在直流情况下，线圈在电路中仅反映为导线内电流引起的能量消耗，此时线圈相当于电阻元件；在电流变化的情况下，线圈电流产生的磁场会引起感应电压，此时电路模型可看成是电阻元件和电感元件的串联；当电流变化甚快时，包括高频交流，还应考虑线圈导体表面的电荷作用，即电容效应，故此模型中还应包括电容元件. 由此，首先提出模型假设：忽略实际RLC串联电路中的复杂情形，假设各个原器件都是由理想元件组成的电路模型.

3.2 参量选择

鉴于电路实验独特的多参量调节过程，需要从很多参量中选择有效参量进行研究，故本模型在原有基础上增设了参量选择这一步骤. 因大学物理实验和大学物理是2门独立的课程，大学物理实验需要大学物理的基础理论，故在讲解实验电路之前，本视频首先通过复习旧知识，使学生回忆起RLC串联谐振的条件，并根据控制变量法的理念要求选择出RLC电路的3个变量参量，同时分析出实现电路谐振的方法.

3.3 模型建构

根据实验建模的教学步骤，在引出物理实验目标模型后，学生可能无法立刻独自建立起各变量的相互影响. 本视频借助LabVIEW软件对RLC电路运行仿真，随后从电路阻抗、电流和电压3个不同角度观察仿真的结果图像，思考电路谐振的特点. 知道电路发生谐振时：输入阻抗为纯电阻，阻抗模最小；电流达到最大值；电阻R上的电压达到最大，电容和电感上的电压都远远大于电源电压，并且是电源的Q倍，这个倍数称为 品质因数. 学生在视频引导的过程中，可以建立并完善RLC串联实验电路模型，并能够利用此模型定性描述各变量之间的相互关系，还在此基础上发展数学表征来定量分析数值问题.

3.4 实验验证与模型检验

学生建立RLC串联电路模型后，需要对此模型进行验证和分析，确定此模型是否需要进一步修改、解释等. 本视频通过接线和故障分析2部分帮助学生检验模型的内在一致性. 按照电路图接线部分使学生进一步理解RLC串联实验电路的整体构架，之后通过分析A同学的实验操作，思考看似正确的实验接线为什么导致实验现象与理论分析有较大出入，让学生进行批判性思考，最后通过对交流电压表自身的结构分析，修改实验接线模型，解决接地的故障，从而矫正或强化RLC实验电路模型. 实验验证与模型检验部分脚本如表1所示.

表1 实验验证与模型检验部分脚本(3 min)

3.5 模型拓展

一旦学生建立起RLC串联电路模型及各理想元件间的关系，便可根据相应的分析，理解现实生活的实际情境. 例如，本视频此时引入收音机调频问题，假设上海广播电台发射的3种不同频率电台信号都是十分微弱的，新闻、经济和交通频道电台信号的接收端频率分别是990 kHz,855 kHz和648 kHz，它们的感应电压均为15 μV，电路中R=33 Ω，L=330 μH. 让学生通过谐振特性，利用调节电容筛选和放大所感兴趣的电台信号. 例如为了能够听到990 kHz的电台节目，根据RLC串联谐振公式得C=78.3 pF,此时计算出3个电台在电容C两端的电压分别是26.2 μV, 58.9 μV,933 μV,即990 kHz的信号放大为原来的62倍，即使另外2个频率的信号也放大了，但是其幅值也远远小于990 kHz的信号幅值，故只能听到990 kHz的电台信号，完成了信号的筛选. 在这一建模微课的过程中充分应用了模型的描述、解释和预测的功能，学生能够更深刻体会到RLC串联电路模型的本质.

4 结束语

实验微课建模是集讨论式、开放式、探究式于一体的教学方式，将实验微课建模的教学模式应用于大学物理实验的教学中具有一定的必要性、可行性与实用性. 实验微课建模不仅可以改善学生预习效果，在有限的课时内找到重难点，完成实验教学任务，且学生在实验中遇到与结果不符的状况时，建模教学能够帮助其建立整体意识，从而进行故障分析和错误排查. 此外，微课还通过启发性问题和模型拓展部分给学生课后讨论提供一定的思路，从而提高了实验教学的有效性. 大学物理实验微课建模正在华东师范大学2015级普通物理实验班进行准实验研究.

[1] 唐艳妮,徐军,罗积军，等. 微课在大学物理实验教学中的应用探索[J]. 物理与工程，2014,(S2):57-58.

[2] 教育部高等学校物理基础课程教学指导分委员会. 理工科类大学物理实验课程教学基本要求[M]. 北京:高等教育出版社,2010.

[3] 张静,郭玉英. 物理建模教学的理论与实践简介[J]. 大学物理，2013，32(2):25-30.

[4] 孟祥增,刘瑞梅,王广新. 微课设计与制作的理论与实践[J]. 远程教育杂志，2014,(6):24-32.

[5] 宋金璠，郭新峰，王生钊，等. 微课在大学物理实验教学中的应用[J]. 物理实验，2015,35(2):12-17.

[责任编辑：郭 伟]

Discussion of college physics experiment micro lecture

SHU Zheng, ZHENG Rong-wei, LI Jia-long, CHAI Zhi-fang

(School of Physic and Material Science, East China Normal University, Shanghai 200241, China)

To overcome the present dilemma in physics experiment teaching in universities, an experiment teaching model based on micro lecture was provided. Taking theRLCamplitude frequency characteristics experiment as an example, the process of making modeling and designing experiment teaching were expounded in detail.

micro teaching mode; university physics experiment teaching; physical modeling;RLC

2017-06-19

高等学校物理实验课程教学研究项目(No.01-201601-24)

舒 峥(1990-)，女，河南南阳人，华东师范大学物理与材料科学学院2015级硕士研究生，研究方向为物理课程与教学论．

柴志方(1977-)，男，河北邢台人，华东师范大学物理与材料科学学院副教授，博士，从事物理实验的教学与研究工作．

G642.423

B

1005-4642(2017)08-0044-04