混合式实验教学在大学物理教学中的应用探讨

倪静 徐秀莲

[摘 要] 大学物理实验混合式教学采用线下宅家实验和线上虚拟仿真实验相结合的形式。宅家实验是利用智能手机的多种传感器和Phyphox软件相配合，居家完成物理实验;仿真实验利用虚拟仿真系统线上完成实验。作为一种新的教学模式，目前在大学物理实验教学中的应用越来越广泛。同时，针对实验教学中存在的问题以及应对措施进行系统总结，为进一步将混合式实验教学列入正常教学计划奠定基础。实践证明，开发虚实结合的物理实验，对激发学生兴趣、提高教学质量有显著效果。

[关键词] 大学物理实验;混合式教学;教学方案;宅家实验;仿真实验

[基金项目] 2014—2016年青年科学基金项目“基于复杂网络方法研究蛋白质分子体系功能运动的别构机制”（11305139）

[作者简介] 倪 静（1974—），女，江苏扬州人，学士，扬州大学物理科学与技术学院实验员，主要从事大学物理实验管理和教学研究;徐秀莲（1978—），女，江苏姜堰人，博士，扬州大学物理科学与技术学院副教授，主要从事复杂网络方面的研究。

[中图分类号] G642.41    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）20-0153-04   [收稿日期] 2021-02-08

新冠疫情爆发后，教育部于2020年2月4日印发了《关于疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》，决定在全国高校实施在线教学，其中既包括理论课，也包括实验课。指导意见发布后，各地高校快速响应，按照“停课不停教、停课不停学”的要求，制订在线教学方案。

一、教学方案

面对疫情，特别是实验课程，脱离了实验室能不能进行在线教学？怎样进行在线教学？在线教学效果如何？这些问题对全体实验指导教师而言都是一次全新的探索和挑战。大学物理实验是一门实践性课程，不等同于理论课教学，其教学的核心任务是通过对仪器设备的具体操作，达到锻炼学生动手能力、培养学生实验素养的目的。作为省级教学示范中心，物理学院实验教学中心面向全校理、工、农、医、广陵学院近30个专业开设大学物理实验课程。

在实验课程停摆的四周里，大学物理实验教学团队迅速行动起来，通过开展线上线下教学研讨，借鉴学习全国高校优秀经验，统一思想，最终制订了线上实验和线下实验相结合的混合式教学方案，采用网络录播+宅家实验+虚拟仿真+钉钉群答疑的教学模式[1-4]。网络录播用于绪论课，讲授数据处理的方法、实验理论及操作的讲解、实验结束后的问题总结，全方位助力学生理解实验原理、完成实验操作、解决实验中出现的问题。宅家实验主要采用智能手机+Phyphox软件，由学生准备少量的实验器材，自主搭建实验装置，宅家完成实验的各个环节，通过对数据的分析，进一步深入理解实验原理。虚拟仿真实验使用了“科大奥锐虚拟仿真实验平台”，在计算机上用虚拟仿真技术模拟实验现实效果，学生不离家即可完成实验。课程团队教师除了每天在评论区点评互动之外，还利用钉钉群随时解答学生实验过程中出现的问题，加强与学生的互动交流。

二、实验内容

（一）宅家实验简介

特殊时期，学生离校在家，无法利用学校的实验设备完成实验。在这种情况下，我们需要转变思路，充分利用身边的设备完成物理实验。智能手机的普及为我们开展宅家实验提供了条件。现在的智能手机除了常用的麦克风、扬声器、相机、GPS定位系统，还自带多种传感器，如压力、光强、加速度、湿度、磁力、距离、重力、温度传感器等，配合一款基于智能手机的软件——Phyphox，就可以直接访问手机的传感器，并将原始数据和结果一起导出并进行分析，也可用电脑控制手机采集实验数据，通过Phyphox网站的网页编辑器建立实验视图。同学们可以根据不同传感器的功能完成不同的实验。相关传感器原理及应用见表1。

依据教学大纲要求，共开设了7个宅家实验，分别是：用手机屏幕光栅衍射测激光波长、影响光照度的可能因素探究、单丝衍射、用单摆测量重力加速度、透镜焦距的测量、多普勒效应的研究、节拍现象研究。下面以多普勒效应实验为例，介绍宅家实验。Phyphox软件包含“音频发生器”，它可以发出0～20000Hz单一频率、连续可调、无杂音的声音;还包括“音频自相关”，可以显示声音的波形与频率，作为测量声音频率的仪器。利用家里的椅子、棉线、两部智能手机，就可以完成多普勒效应实验。两部手机实现相对运动：一部手机作为声源（3000Hz）固定不动;另一部手机作为接收装置，靠近声源或远离声源时，接收到的波形和频率都会发生变化，实验效果非常明显，验证了多普勒效应。所测频率如图2、3所示。

实验前，将讲义上传至群文件，包括实验原理、实验内容及详细的操作步骤，方便学生提前预习，避免实验过程中出现误操作的现象。实验过程中出现问题，学生通过钉钉群随时提问，师生互动讨论解决问题，确保每位学生完成实验的所有环节。

（二）仿真实验简介

仿真实验不需要普通意义上的实验器材，仅利用仿真技术，建立虚拟实验环境，学生可以在這个环境中自行设计实验方案、拟定实验参数、操作仪器，模拟真实的实验过程，营造了自主学习的环境。仿真实验不受时间和地域的限制，随时可以完成线上实验。

本中心引进了“科大奥锐虚拟仿真系统”。该系统是国内第一套虚拟现实型的教学软件，目前已推出多个版本。它分为力学、热学、光学、电学、电磁学和近代物理六大类共计59个实验。

本次选择了7个与现用物理实验教材[5]内容一致的虚拟仿真实验，分别是：落球法测定液体的黏度、三线摆法测刚体的转动惯量、基本电学参数测量、迈克耳孙干涉仪、示波器实验、声速的测量、用拉伸法测杨氏模量。各专业的学生先通过软件熟悉实验原理、实验内容、实验仪器、实验步骤，然后点击开始实验，通过拖动鼠标连接仪器、设定参数、调节仪器、观察实验现象以及记录实验结果，实验过程如图4所示。