《大学物理》课堂演示实验的效果分析

蒲贤洁 王 锐 何光宏 韩 忠

(重庆大学物理学院，重庆 401331)

《大学物理》课堂演示实验的效果分析

蒲贤洁 王 锐 何光宏 韩 忠

(重庆大学物理学院，重庆 401331)

在同一学期同一教学班的大学物理课程教学中，开展演示实验和无演示实验教学效果的对比研究。采用李克特七点量表形式设计调查问卷，考察学生对有演示和无演示课次内容的记忆、理解程度。统计结果表明，有演示实验的课次印象较无演示实验的课次深刻，二者均值存在极显著差异(p=0.000)；有演示实验的课次量表选项总平均分值较无演示实验的课次高，二者存在显著性差异(p=0.030)。

大学物理课程；演示实验；问卷调查；差异性分析

物理学是一门探求物质结构和物质运动机制的学科，物理学中每个概念的建立、每个定律的发现，都有其坚实的实验基础[1]。大学物理课程总是与大学物理实验课程相生相伴，然而实际操作中，由于全校性公共基础课涉及学生人数众多，排课上存在相当的难度，学生在开展实验课时可能对理论知识尚未了解，又可能上理论课时，缺乏实验操作的基础，在理解新知识时常常感到抽象费解。为了弥补大学物理和大学物理实验课程间紧密联系的缺失，课堂演示实验能与课堂讲授密切配合，既可以提高学生学习知识的兴趣，又是科学理论的导学系统，已逐渐成为物理教学的一个重要手段和有机组成部分[1-3]。

图1 演示实验走进大学物理课堂(a) “受迫振动”课次实验演示，采用“大桥共振”实验仪和交流信号源； (b) “光栅衍射”课次实验演示，实验器材为光栅和激光笔； (c) “驻波”课次实验演示，采用“弦驻波”演示仪和交流信号源

我校大学物理和大学物理实验教学组经常开展联合教研活动，互相交流参观学习。大学物理实验国家级实验教学示范中心建立了“物理科技走廊”和“物理探索科技馆”，引进了大量演示仪器，为课堂演示实验的合理开展提供了稳定的教学平台和可靠的设备保障。图1所示为将“物理探索科技馆”储备的部分实验演示仪搬进《大学物理》教学课堂进行现场演示，目的是使学生获得直观的感性认识，更好地理解物理概念和规律，掌握物理研究方法。

为了衡量课堂演示实验对大学物理的教学过程是否产生了实际的积极作用，本文采用问卷调查形式[4]，开展了演示实验和无演示实验教学效果的对比研究，所设计问卷主要考察学生对有演示实验和无演示实验的课次内容的印象和理解程度。通过对问卷结果进行统计分析(均值、标准差、配对t检验)，得出了课堂演示实验有利于《大学物理》教学的结论

1 调查方法

1.1 调查对象与程序

为了控制影响因素(例如教学用语、演示实验的标准性[5]和统一性等)，以重庆大学2016—2017学年第一学期随机抽选的一个大学物理教学班的全体学生为研究对象，按照正常课次顺序安排教学，选取“受迫振动”、“驻波”、“光栅衍射”等课次开展随堂演示实验，其它课次按照传统理论教学内容进行组织。学期末，统一发放调查问卷，由该教学班学生自行填写，填写完毕立即回收，发放问卷55份，回收55份。回收数据利用Matlab和SPSS[6]进行统计分析。

1.2 问卷设计

问卷采用李克特七点量表[7]形式编制，编制时将有演示实验和无演示实验的课次内容进行穿插等间距排版(3道题为1个组，即1次课的主题)，如图2所示，其中浅蓝背景为有演示实验的课次，浅黄背景为无演示实验的课次(注：背景色均为便于说明后期加注，原问卷中并未提示)。李克特量表是一种心理反应量表，常在问卷中使用，是目前调查研究中使用最广泛的量表[7]。该量表由一组陈述组成，每一陈述有“非常同意”、“同意”、“一般”、“不同意”、“非常不同意”五种回答，分别记为5、4、3、2、1，当受测者回答此类问卷的项目时，他们具体地指出自己对该项陈述的认同程度。七点量表是将五点量表更细化，分为“非常同意”、“同意”、“比较同意”、“一般”、“比较不同意”、“不同意”、“非常不同意”七个选项，分别记为7、6、5、4、3、2、1，使问卷的信度和效度较五点量表更高。问卷完成后，每一个选项可以进行独立分析，成组题目的选项也可进行加总(或求均值)。

2 结果统计与分析

将每份问卷每道题目的选项录入计算机(列：题号、行：问卷编号)，在Matlab中分别计算每道题目的平均分值和标准差，如图3(a)所示。由图3(a)可知，关于课次印象，有演示实验的课次较无演示实验的课次平均分值高(深红圈——有演示实验课次印象，浅红圈——无演示实验课次印象)，表明有演示实验的课次较无演示实验的课次印象深刻。在SPSS里关于课次印象对有演示和无演示课次的平均分值进一步进行配对t检验，结果表明(表1所示)，有演示实验的课次印象与无演示实验的课次印象均值存在极显著差异(p=0.000)；关于课次内具体的知识点掌握(每组第2，3题，蓝圈——有演示实验课次，黄圈——无演示实验课次)，除第一组有演示实验的课次平均分值偏低，另外两组有演示实验的课次平均分值基本上高于无演示实验的课次。分析第一组对知识点掌握的评估分值较低的原因，一方面可能与知识点本身难易程度有关，另一方面也可能是因为安排在第一组，思维还未进入状态所致。

表1 课次印象、课次总平均分值有演示和无演示配对t检验

图2 问卷采用李克特七点量表设计，用于考察学生对有演示和无演示课次内容的记忆和理解程度的自我评估

图3(b)所示为按课次内容(每组3道题为一课次内容)统计包括课次印象和知识点掌握的综合平均分值和标准差。由图3(b)可知，除第一组平均分值由于前述可能因素而较低，有演示实验的课次(浅蓝背景)综合平均分值均较无演示实验的课次(浅黄背景)高。

图3 问卷统计结果(a) 按问卷题目统计平均分值和标准差； (b) 按课次内容统计平均分值和标准差； (c) 按有演示课次和无演示课次统计总平均分值和标准差

图3(c)将3组有演示实验的课次题目(浅蓝背景)和3组无演示实验的课次题目(浅黄背景)分别加总求均值和标准差，由图可知，总体上，有演示实验课次学生自我评估总平均分值较无演示实验课次高，进一步的配对t检验显示(表1所示)，二者存在显著性差异(p=0.030)。

两点说明：

(1) 对于问卷中“简谐振动的合成”这组题目的特别说明：这堂课中采用了一段Matlab程序对“同方向简谐振动合成”和“垂直方向简谐振动合成”分别进行了动画模拟(图4所示)，因此正如图3(a)中最后一组课次印象分值所示，给学生的印象是比较深刻的。但是考虑到是将实物演示实验和无演示实验进行对比，因此仍然将这组划分到无演示实验组。不过，在实物演示存在困难的情况下，采用动画或者仿真也不失为一种实用的教学方法，相关的研究期待在今后开展。

(2) 对于问卷最后补充题目的说明： 补充题目考察学生通过前面18道题的测量是否识别本问卷的调查关注点。55份问卷中，10份问卷回答识别出问卷关注点为演示实验相关。由于补充问题设置在最后，并不会对测评产生干扰。18%的识别率，具有两面性，一方面说明一定程度上识别了问卷关注点的学生可能会揣摩并迎合测试希望的结果(社会赞许偏差)，为了避免这种情况造成的干扰致使测量结果失真，调出这些识别出关注点的问卷，观察评分的具体情况，发现并没有明显迎合演示实验有利的迹象，因此，基本可以排除这项干扰。另一方面，10 位学生通过回答所有问题，识别出问卷关注点是与演示实验相关，恰好说明演示实验给这部分学生留下了清晰而深刻的印象，才能从间隔设计的有演示与无演示各课次题目组中识别出问卷关注点是课堂演示实验的效果。

3 结论

本文以同一学期随机抽选的一个大学物理教学班的全体学生为研究对象，在传统理论教学内容基础上设置适当课次的课堂演示实验，采用自编的李克特七点量表形式的大学物理课程问卷，调查分析学生对有演示实验和无演示实验课次内容记忆、理解的自我评价程度。由统计结果得出两点主要结论：有演示实验的课次印象较无演示实验的课次深刻，且存在极显著差异(p=0.000)；有演示实验的课次学生自我评估总平均分值较无演示实验的课次高，且存在显著性差异(p=0.030)。以上结果为促进理论教学和实验演示紧密结合提供了研究依据。此次研究是将心理学量表设计和大学物理教学研究结合的初步探索，仅在有限的范围内开展，若能在控制影响因素的条件下扩大样本量和题目设置数，以及和考试成绩分析[8]对照结合，必将得出更加丰富多维的研究结论，在教学改革和发展中发挥应有的作用。

[1] 卢荣德. 大学物理演示实验[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社，2014．

[2] 周风帆，王浩程. 大学物理演示实验的价值重构[J]. 大学物理，2011，30(8): 46-50. Zhou Fengfan, Wang Haocheng. The value reconstruction of university physics demonstration experiments[J]. College Physics, 2011, 30(8): 46-50. (in Chinese)

[3] 路峻岭，陈信义，王延吉. 强化演示实验，开展大学物理研究型教学[J]. 大学物理，2008，27(5): 44-45. Lu Junling, Chen Xinyi, Wang Yanji. Emphasis of demonstrative experiments for research teaching of college physics[J]. College Physics, 2008, 27(5): 44-45. (in Chinese)

[4] 易伟松，罗贤清，丁孺牛，等. 大学物理课程学生问卷调查研究[J]. 物理与工程，2010，20(6): 46-50. Yi Weisong, Luo Xianqing, Ding Runiu, et al. A study on the students questionnaire of College Physics[J]. Physics and Engineering, 2010, 20(6): 46-50. (in Chinese)

[5] 卢荣德，程福臻.《大学物理演示实验》的编写思路[J]. 大学物理，2016，35(5): 57-60. Lu Rongde, Cheng Fuzhen. The thought of compiling 《University Physics Demonstration Experiment》[J]. College Physics, 2016, 35(5): 57-60. (in Chinese)

[6] Hilbe J M. A review of current SPSS products[J]. American Statistician, 2012, 57(4): 310-315.

[7] Jamieson S. Likert scales: How to (ab) use them[J]. Medical Education, 2004, 38(12): 1217-1218.

[8] 张睿，王祖源，徐小凤. SPOC模式大学物理混合型教学的学习效果研究[J]. 大学物理, 2016, 35(8): 52-54. Zhang Rui, Wang Zuyuan, Xu Xiaofeng. Research on effectiveness of blended learning with SPOC model in university physics[J]. College Physics, 2016, 35(8): 52-54. (in Chinese)

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ANALYSIS ON THE EFFECT OF DEMONSTRATION EXPERIMENT IN COLLEGE PHYSICS CLASS

Pu Xianjie Wang Rui He Guanghong Han Zhong

(College of Physics, Chongqing University, Chongqing 401331)

In order to investigate whether the classroom demonstration experiment can produce positive effect on teaching, a contrastive study focusing on the effect of demonstration experiment to non-demonstration in teaching was researched on the students of Chongqing University in one College Physics teaching class at the first semester in 2016—2017 school year. The questionnaire was designed based on seven point Likert scale to investigate the students’ memory and understanding on the content of the lessons with or without demonstration experiment. Statistical results show that the students were rather more impressed by the lessons with demonstration experiment than without it, and there was greatly significant difference between two groups (p=0.000); Also, the total average score of the lessons with demonstration experiment was significant higher (p=0.030) than the lessons without demonstration experiment. The above results provide a basis for the study of the combination of theoretical teaching and experimental demonstration.

college physics course; demonstration experiment; questionnaires; difference analysis

图4 Matlab动画模拟“简谐振动的合成”(a) 同方向简谐振动合成； (b) 垂直简谐振动合成

2017-05-28

重庆市重大教改项目(1201033)；重庆市重点教改项目(162006)；重庆大学物理学院院级教改项目。

蒲贤洁，女，工程师，主要从事大学物理实验教学工作，xjpu@cqu.edu.cn。

蒲贤洁，王锐，何光宏，等. 《大学物理》课堂演示实验的效果分析[J]. 物理与工程，2017，27(5)：91-94.