基于网络平台的大学物理实验教学设计——以动态法测量杨氏模量实验为例

雷玉玺，魏同利，杨 翠

（北方民族大学电气信息工程学院，宁夏 银川 750021）

0 引言

大学物理实验课是理工科一门重要的基础实验课程，在我校定位为理工科各非物理专业的学科基础课。物理实验反映了科学实验的共性和普遍性，对培养学生严谨认真的工作态度，训练科学实验基本方法，提高理论联系实际、解决问题的能力等有着不可替代的作用[1]。

近年来，我校由于招生规模扩大和新建院系，大学物理实验课教学工作量逐年增加。目前，每学年有10个学院28个专业近2500名本预科生上大学物理实验课。由于物理实验课采用分项目教学的授课方式，每学期教学任务的具体安排工作量巨大。各高校物理实验中心都开发了自己的网络平台，通过系统安排实验教学任务，同时扩展功能，实现实验预习、仿真实验、电子实验报告及评判、考核及成绩核定等。这些功能的开发和完善，能有效缓解实验教学安排的工作量，对提高实验教学质量也有很大帮助。因此，以网络平台为媒介的基础实验课教学模式被普遍采用[2]。

物理实验教学使用的网络平台主要有实验中心门户网站，排选课系统，虚拟仿真实验系统和在线课程[3]。我中心自2012年设计并使用了简易的网络选课平台，通过平台发布每学期开设的各类课程所包含的实验项目及时间段，学生根据对应的课程及专业进行选课。对于基础性实验项目，打通学院分组进行，对于分学院开设的实验项目，打通各专业分组进行。教师每组指导20人，所有实验项目实行单人单组。按照这种方式能有效解决实验场地和上课时间的冲突问题，同时也给教师安排上课时间、学生上实验课提供了较大空间。在此基础上，我们又建设了实验教学的信息化资源，在超星学习通建设了在线课程。目前已有较为成熟的排选课系统、虚拟仿真实验系统，形成了基于网络平台的教学模式。

下面以动态法测量杨氏模量实验为例，说明实验教学的具体开展情况。

1 教学任务的安排

由于实验课时缩减，使得开出的实验项目数受限，因此要精心选取实验项目，既要满足物理实验分层次教学的要求，也要涵盖各种测量方法、实验方法以及物理学原理。杨氏模量实验是物理实验的一个经典项目，常开的有静态拉伸法。该实验全面体现了物理实验教学目标中测量的基本方法、测量工具的选择、测量结果的不确定度评定等要点。相对于静态法，用动态共振法测量圆棒状样品的杨氏模量实验同样是一个很好的综合性实验，结合了转换测量和共振测量法的应用，同时也可作为示波器应用的拓展实验。因此，在我们12学时的《大学物理实验Ⅰ（下）》中安排该实验项目为一个综合性实验，主要面向电信和机电两个学院开设。实验中涉及的原理也能和理论课此时段所学的“振动波动”内容相呼应。

2 通过教学平台线上自主学习实验

我校与超星泛雅合作建设了MOOC教学平台，供校内在线课程使用。大学物理实验课程章节中每一节为一个实验项目，展开后有该项目的讲义、课件、视频等资源。除了章节外，平台还设置有“通知”“活动”“作业”“班级”“资料”等模块。通过平台教师可以发布课程任务，学生端可以收到推送的通知，浏览课程资源进行在线学习，同时也可以参与活动，提交作业，与老师私发消息。

在动态法测量杨氏模量实验项目的教学中，运用已建成的项目资源，如图1（P206）所示。在学生做实验之前，布置任务让学生自主学习、预习实验，完成预习报告的书写和练习题。通过这种方式，学生已经基本了解该实验的目的；要用到的动态杨氏模量测试仪、示波器、信号源、测试圆棒等实验器材；细棒的横振动、共振测量法等实验的原理和方案；要测量细棒的质量、长度、直径等待测量和注意事项等，为线下实验充分做好准备。

图1 教学平台《动态法测杨氏模量》的课程资源截图

3 线下实验中利用教学平台进行实验演示

实验教学最终要落实到仪器设备上，学生要进行实物的动手操作，实现对物理量的测量，从而得到实验结果。由于课时受限，为了能够让学生多做几个实验，我们给每个实验项目安排了2课时。这就要求我们在有限的时间里完成实验全部内容。通常，教师在实验授课时，在讲授完实验原理等理论后，接着给学生集中进行演示，学生围在老师周围观看。这种演示方式使得外围的学生观看效果不佳，甚至有的学生看不到或者干脆不看。因此，在授课时不建议用这种方式，而是在实验过程中结合实际操作，利用教学平台让同学自己参考视频演示，独立完成实验。

由于此前学生已进行了充分的预习，线下授课时，只需要将实验的背景、器材、目的等作一概述，将实验原理进行梳理，重点说明实验方案后，即可开始实验。在动态法测量杨氏模量实验中，通过介绍细棒横振动的动力学原理和振动模式后，给出待测量的表达式：。接着说明实验方案，指出实验的基本问题归结为对基频共振频率的测量，具体的测量方案是在测出不同支撑点的共振频率后推算节点处的。学生在实验过程中，对于线路的连接、测试样品的支撑点（悬挂点）的选取，可随时通过手机端查阅教学平台上的课程PPT，如图2所示；对振幅极大法的调节方法也可以通过视频演示反复观看。这样既方便了教学，也提高了实验演示的效率。

图2 教学平台上《动态法测杨氏模量》课件截图

通过这种形式开展实验教学，使学生能够独立实验的能力更多地锻炼，特别是对于学习能力较强的同学，基本能够独立完成实验。对于个别基础薄弱同学，教师可腾出时间单独指导其完成实验。

4 通过教学平台提交实验报告

学生课堂完成实验后，采集到了实验数据，课后需要对实验数据认真处理。处理数据时，可通过教学平台查阅老师提供的数据处理参考格式，按要求完成后，认真撰写实验报告。实验报告采用规定报告纸手写，写完后及时上交。通常实验报告提交纸质版，投递到教师的信箱，教师抽时间取回后批阅。批阅时，对于未按要求完成或问题比较严重的实验报告不方便与学生反馈交流。因此，我们设置任务让学生通过教学平台提交，这样，对于问题实验报告，教师可以指出问题所在打回让学生重写，再次提交。在设置实验报告提交方式时，一方面我们是要求手写拍照提交，不允许直接用电子文档；另一方面，我们把实验报告拆分几个模块：原始数据、实验原理、数据处理及结果三个页面，分别放置在教学平台“作业”任务的三个题目中，如图3所示。由此，既细化了教师批阅实验报告的内容，也便于实验成绩的统计，还可用于工程认证专业中达成度的核定。同时，将纸质版报告留底备查。

图3 教学平台上《动态法测杨氏模量》实验报告任务设置及报告格式截图

5 通过虚拟仿真实验平台进行实验拓展

受实验场地和条件、特别是课时等因素的制约，学生在课内完成的实验项目非常有限，一些实验项目无法向学生开设。利用虚拟仿真实验平台，可以让学生了解更多的实验项目。动态法测量杨氏模量是共振测量法和示波器应用的一个典型实验，此外，声速的测定也是这个单元的一个经典实验。利用了虚拟仿真实验系统，学生可以做此实验，进一步了解共振测量的应用，深刻理解振动波动之间的关系。让学有余力的同学可以在课外了解和学习某个实验方法的系列实验，以及一些近代物理实验，从而拓展学生的实验视野[4]。

随着信息化、网络化及在线教学的不断发展[5]，我们设计了基于网络平台的大学物理实验课程教学模式，通过排选课系统安排教学任务，有效实施了分项目分组教学；利用网络教学平台摆脱时间空间限制，实现学生自主学习预习实验、教学时的实验演示、交互式实验报告的提交批阅；通过虚拟仿真实验系统进行实验拓展。在学时有限、实验人员紧缺的情况下有效开展大学物理实验教学，从而提升了实验教学的质量。