大学物理实验线上教学模式探讨

陈丽娜

(南京邮电大学理学院，江苏 南京 210023)

0 引言

大学物理实验是理工科大学生必修的一门实践类课程，旨在学习正确使用仪器设备，对认识和理解现实世界的相关实验现象进行测量、分析和判断。相比于理论课程，实验类课程需要场地和器材支持，开展单一的线上教学难以达到线下实践教学预期效果。本文调研了我国各高校在开展大学物理实验线上教学采取的教学手段，针对其不足，提出了一些对策和建议，以便对当前实验类课程教学起到一些指导性帮助。

1 目前我国各高校大学物理实验开课形式

近年来，各地知名高校线上教学案例分析来看，我国各高校大学物理实验开展网上授课方式主要有四种形式：录播、直播、居家实验和虚拟仿真[1-3]。对于大学物理实验课程的理论和基础知识部分，基本上采取录播和直播相互结合的方式。录播主要是老师课前预先录制好课件视频、慕课平台或高校自建网络平台上已有的视频课程，在网上课堂进行播放，提问和讨论。例如作者所在南京邮电大学的大学物理实验课程就放在中国大学MOOC 平台上，该课程同时面向本校学生和校外学生，学生可以根据自己的时间进行课前预习和课后复习，线上课堂上可以与老师同学互动实现翻转课堂，课后线上提交作业和提问等。除了上述录播方式，高校教师可以使用钉钉课堂、腾讯课堂、腾讯会议等互动直播平台进行在线直播教学。为贴近学生网络习惯，部分高校教师使用一些很受欢迎短视频直播平台进行直播授课，通过弹幕与学生线上交流，以便增强学生对课程参与积极性和学习兴趣。录播和直播相结合的线上教学模式能满足理论性课程的教学要求，并达到较好的教学效果。

但对于大学物理实验这类实践性课程而言，无论是录播还是直播课只能用于讲授实验绪论课、误差理论、数据处理方法、实验背后的理论知识，以及实验数据分析和答疑，但无法让学生自己进行实际的实验操作、观察和数据采集等。为此，一些高校采用了居家实验或者虚拟仿真来补充大学物理实验课程所涉及实验操作、观察和数据采集等实践问题。居家实验就是让学生自己在家进行各种物理实验。更具体来说，就是依据课程学习目标要求，实验教师根据学生在家环境条件开发安全可行的居家实验项目。居家实验项目需要经过实验教师预先测试，与学生讨论确保方案可行，再安排给学生并附上一定实验指导和要求等资料。居家实验主要的特点是使用家里常用的设备或生活工具，或可以在商店和网上低价购买。居家实验的开展基于两个基本理念：1）鼓励学生思考、善于发现和使用日常用品，如家用电子称、卷尺、手电筒、镜子、手机等物体；2）研究自然物理世界并不总是需要使用昂贵的设备和器材。事实上，17 世纪著名的物理学家伽利略·伽利莱和艾萨克·牛顿使用相对简单的测量仪器，分别在天文学和力学取得了举世瞩目的成果。如果用日常物品来“做”物理学，还能使物理学不再是抽象的概念。日常生活观察到许多“神奇”现象，都能通过其背后物理定律给出完美解释。例如：激光照射到光盘后反射产生的漂亮的衍射斑点或条纹；三线摆测定物体转动惯量等等。此外，居家实验装置需要学生根据各自家里现有条件自行搭建，可以更好的提高学生思考和设计实验的能力，不仅能培养学生分析问题和解决问题的能力，还能加强学生的实际动手能力。

除了居家实验教学，高校教师还积极开发和寻找合适的虚拟仿真项目让学生在线虚拟实验。目前，国内外已有多家知名虚拟仿真教学平台，例如：科大奥锐的虚拟仿真实验，nobook.com,nanohub.org,ophysics.com 等虚拟仿真网站已被广泛用于物理学、化学、生物学及数学等自然科学的教学和科普。尽管虚拟实验室不能完全取代传统物理实验室，虚拟实验室可以很好地辅助物理实验室，更好地加深学生对实验观察到的物理现象背后物理定律的理解。

2 目前开课线上实验课程存在的问题和解决方案

目前，高校线上开实验课的基本采用以上四个方式：录播、直播、居家实验和虚拟实验，但是每个方式都存在着各自的问题。总的来说，录播和直播缺少老师与学生之间课间交流和互动,少了面对面的关注,让学生感受到的教育温度不够。录播和直播只能完成理论讲解，而无法让学生动手进行独立操作，因而无法达到大学实验这门实践课程培养学生的科学实验动手和解决实际问题的能力。而居家实验存在问题有：1、家用测量器件精度和可操作性差，导致测量结果偏差大和重复性不高，使学生难以获得正确的实验结果，不利于学生对物理实验背后机制或效应的理解；2、考虑到安全和精度问题，只有少数力学实验可以设计为居家实验，而多数的光学和电学实验无法安排居家实验。虚拟仿真目前面临的主要问题为国内高质量的公益免费虚拟仿真平台非常之少。针对上述线上大学物理实验课程所面临的具体问题，我们总结了如下应对策略。

针对录播和直播所面临的问题，实验教师可以充分利用国内众多网络教学平台上的优质课程资源让学生进行课前和课中预习和自学，实验教师再利用在线互动直播平台与学生进行在线翻转课堂教学互动，增加学生上课的参与度。

针对居家实验特点，实验教师可以积极寻找和思考一些可替代传统下线的实验项目作为对应的居家实验。通过大量的文献和资讯调研后[5-12]，作者列出了一批优秀的居家物理实验目录如下：1、单摆测重力加速度；2、时间测量中随机误差的分布规律；3、用phyphox 研究弹性球的非弹性碰撞；4、用视频追踪法测量加速度；5、向心加速度与角速度；6、多普勒效应；7、杨氏模量测量实验；8、液体表面张力系数测定；9、气体状态方程验证实验；10、固体表面的浸润；11、表面张力与曲率；12、测量地磁场实验；13、磁力电流计实验；14、手机心电图；15、显微镜和望远镜的设计与制作；16、小孔衍射实验；17、光栅衍射；18、双缝干涉；19、驻波法测声速等。

针对虚拟仿真实验，除了购买和自主搭建仿真实验平台外，还可积极总结一些优秀公益免费网络仿真实验平台提供给学生使用。目前，国内外优秀的公益免费网络仿真实验平台有：电学相关的nobook.com物理实验;国家虚拟仿真实验教学课程共享平台；nanohub.org;ophysics.com;phet.colorado.edu 等。

3 混合式线上大学物理实验教学案例分析

现以南京邮电大学开设的大学物理实验为例，具体介绍如何使用混合式线上教学方案进行线上实验教学。表1 为南京邮电大学开设的春季和秋季大学物理实验课程内容，包括绪论，力、热、声、光、电等多种经典实验项目，表中第一和第三列为常规线下实验具体内容名称，第二和第四列为对应的线上模拟仿真实验或居家替代实验。采取这些在线直播录播、国内外仿真平台和开源软件及居家替换实验等多种混合式线上教学方案，可以很好地满足诸多理工科大学开设的各类大学物理实验线上教学要求和目的。

表1 南京邮电大学开设的大学物理实验内容和对应的线上混合教学提案

总而言之，单一使用线上的录播或直播方式，显然不能满足理工科院校开设的大学物理实验课的教学要求和目的。虽然居家实验能极大提高大学生的动手实践能力，但只有很少部分物理实验满足居家实验对实验器材和安全的要求，且其取得的结果还存在较大误差或错误等问题。相比而言，虚拟仿真实验可以提供功能强大的低成本教学资源，使学生不受器材、场地及安全因素限制开展相关线上仿真模拟实验。本文的目的是在疫情流行和后疫情的背景下评估大学物理实验课程的教学方法改革的可行性。通过调研，我们发现基于在线直播、录播共享、免费公益模拟仿真平台，以及居家替换实验等多种资源相结合的线上教学方案，可以满足国内理工科大学开设的大学物理实验的线上教学要求，达到培养大学生的科学实验能力的目的。