大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)“自預(yù)習(xí)”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的搭建與實(shí)施

孟慶國　高紅　孫文軍　侯洪濤

摘 要：本文通過建立“自預(yù)習(xí)”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前對(duì)物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行“自預(yù)習(xí)”。其中包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、實(shí)驗(yàn)物理學(xué)史模塊、實(shí)驗(yàn)原理模塊、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)檢測模塊。通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)檢測預(yù)習(xí)成績與預(yù)習(xí)報(bào)告相結(jié)合的方式提高預(yù)習(xí)效果。這樣做可使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前就對(duì)該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理、歷史背景、及其在實(shí)際生活中的應(yīng)用都有所了解。可以大大提高上課效率，培養(yǎng)學(xué)生們的創(chuàng)新能力與探究能力。

關(guān)鍵詞：“自預(yù)習(xí)”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái) 物理學(xué)史 探究能力

傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式一般為學(xué)生在課前通過實(shí)驗(yàn)參考用書完成預(yù)習(xí)，在規(guī)定的時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室中，在指導(dǎo)教師的講解及演示下將實(shí)驗(yàn)完成。課后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，將報(bào)告提交后該實(shí)驗(yàn)即告完成。在這樣的教學(xué)環(huán)節(jié)中學(xué)生們幾乎不關(guān)心實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及到的物理學(xué)史背景，也就是說這個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)理論是在什么樣的背景下由誰提出并設(shè)計(jì)實(shí)施的，它的設(shè)計(jì)原理怎樣等這些背景學(xué)生們都不清楚，而這些背景正是培養(yǎng)學(xué)生建立物理思維和創(chuàng)新能力最需要解決的問題。我們通過建立“自預(yù)習(xí)”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前對(duì)相關(guān)的物理知識(shí)進(jìn)行“自預(yù)習(xí)”。其中包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、實(shí)驗(yàn)物理學(xué)史模塊、實(shí)驗(yàn)原理模塊、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)檢測模塊。根據(jù)預(yù)習(xí)知識(shí)寫好預(yù)習(xí)報(bào)告。這樣做可使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前就對(duì)該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理、歷史背景、及其在實(shí)際生活中的應(yīng)用有所了解?？梢源蟠筇岣呱险n效率，并能提高學(xué)生們的創(chuàng)新能力與探究能力。

一、建立“自預(yù)習(xí)”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是提高物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果的有效手段

1.“自預(yù)習(xí)”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)模塊搭建

“自預(yù)習(xí)”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)分為四個(gè)模塊，（1）基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K（2）實(shí)驗(yàn)物理學(xué)史模塊（3）實(shí)驗(yàn)原理模塊（4）實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)檢測模塊。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K：主要介紹一些基礎(chǔ)的物理實(shí)驗(yàn)技能。例如：誤差計(jì)算、不確定度計(jì)算、實(shí)驗(yàn)圖像處理、有效數(shù)字等知識(shí)。學(xué)生通過閱讀這些平臺(tái)的相關(guān)內(nèi)容可以掌握完成實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)。

實(shí)驗(yàn)物理學(xué)史模塊：主要提供一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)歷史背景，設(shè)計(jì)原理及其應(yīng)用。例如：邁克爾遜干涉儀、磁光現(xiàn)象、牛頓環(huán)等實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)過程、設(shè)計(jì)原理及其在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。學(xué)生通過查閱相關(guān)知識(shí)可以充分認(rèn)識(shí)這些實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與原理。在閱讀這些材料時(shí)學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)一些看似“高大上”的實(shí)驗(yàn)往往都是在一些簡單實(shí)驗(yàn)條件下來完成的，這樣可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

實(shí)驗(yàn)原理模塊：主要介紹實(shí)驗(yàn)的原理、公式、規(guī)律及一些實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)驗(yàn)儀器的使用注意事項(xiàng)等相關(guān)知識(shí)。學(xué)生通過閱讀這些內(nèi)容可以掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)的知識(shí)，同時(shí)也清楚要在實(shí)驗(yàn)中解決哪些問題，會(huì)出現(xiàn)那些現(xiàn)象。

預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)檢測模塊：主要通過設(shè)置實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)題目以問答的方式檢測學(xué)生們的預(yù)習(xí)效果。每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置20個(gè)問題，需要學(xué)生在10分鐘內(nèi)隨機(jī)回答3個(gè)相關(guān)問題，回答結(jié)果教師可以在后臺(tái)查閱到，平臺(tái)也會(huì)根據(jù)學(xué)生回答的情況給出一個(gè)優(yōu)秀、良好、合格的評(píng)價(jià)。設(shè)置這樣的模塊主要是檢測學(xué)生們的預(yù)習(xí)效果，同時(shí)也為實(shí)驗(yàn)操作打下良好的基礎(chǔ)。圖一：電橋?qū)嶒?yàn)“自預(yù)習(xí)”模塊

2.“自預(yù)習(xí)”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)與傳統(tǒng)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的最大區(qū)別

“自預(yù)習(xí)”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)置了預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)檢測功能。學(xué)生只有在完成實(shí)驗(yàn)理論、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)儀器等相關(guān)內(nèi)容后才能回答“自預(yù)習(xí)”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的隨機(jī)問題。針對(duì)以往學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)時(shí)只是照書抄寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的歷史背景、實(shí)驗(yàn)原理、儀器選擇等方面的知識(shí)根本不予關(guān)注，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課時(shí)儀器使用注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)原理等相關(guān)知識(shí)根本不清楚，基本上處于“拷貝”老師的實(shí)驗(yàn)操作。通過設(shè)置與實(shí)驗(yàn)題目相關(guān)的知識(shí)要求學(xué)生在網(wǎng)上進(jìn)行回答，教師通過后端數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)掌握學(xué)生預(yù)習(xí)情況，并根據(jù)每位學(xué)生回答問題的情況作為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)成績?cè)u(píng)定的依據(jù)。這些實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)問題需要實(shí)驗(yàn)教師在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上設(shè)置，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)背景、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)儀器及一起使用注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等知識(shí)。學(xué)生在10分鐘內(nèi)需要隨機(jī)回答3個(gè)問題，滿分100分，網(wǎng)上提交答案。平臺(tái)根據(jù)學(xué)生回答情況給出網(wǎng)絡(luò)預(yù)習(xí)成績。

目前該平臺(tái)處于調(diào)試階段，但從學(xué)生的預(yù)習(xí)動(dòng)力上看，已經(jīng)有了很大的提高，學(xué)生實(shí)驗(yàn)課操作效果也有了一定提高。

二、“自預(yù)習(xí)”物理學(xué)史模塊是提高課堂效率與探究能力的有效平臺(tái)

1.“自預(yù)習(xí)”物理學(xué)史模塊是提高課堂效率的有效手段

通過“自預(yù)習(xí)”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)置了物理實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)史模塊，該模塊介紹了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)依據(jù)，實(shí)驗(yàn)理論、用途等相關(guān)信息。例如：邁克爾遜干涉儀，這個(gè)實(shí)驗(yàn)許多學(xué)生都理解為是研究光的干涉現(xiàn)象包括等傾干涉、等厚干涉。邁克爾遜干涉儀最初是邁克爾遜為了探測“以太風(fēng)”而設(shè)計(jì)的，大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在地面參考系中，光速在任何情況下都不受地球運(yùn)動(dòng)速度的影響。這就是邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)。邁克爾遜利用這種干涉儀器測量過保存在巴黎的標(biāo)準(zhǔn)米尺的長度。并得出1m=1553163.5λcd， λcd為鎘（Cd）紅外的波長。1968年國際計(jì)量會(huì)議決定用氪（Kr）發(fā)射的橙色線在真空中的波長λkr作為標(biāo)準(zhǔn)，m=1650763.73λkr。邁克爾遜干涉儀的主要特點(diǎn)是兩相干光束的光路分得很開，并且利用移動(dòng)反射鏡，或在光路中插入另外的媒質(zhì)的方法，來改變兩光束的光程差，這就使干涉儀具有廣泛的用途，如用于測長度、測量折射率、檢查光學(xué)元件的質(zhì)量等。通過這些物理學(xué)史知識(shí)的講解，同學(xué)們首先會(huì)想到，如何利用邁克爾遜干涉儀測量“以太風(fēng)”？又是如何實(shí)現(xiàn)長度定量的呢？帶著這些疑問預(yù)習(xí)該實(shí)驗(yàn)，他們就會(huì)從實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)原理、理論分析等方面弄清楚他的本質(zhì)，實(shí)驗(yàn)課堂的效率得到很大提高。

2.“自預(yù)習(xí)”物理學(xué)史模塊是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效手段

“自預(yù)習(xí)”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中物理學(xué)史模塊不僅介紹了一些傳統(tǒng)儀器的設(shè)計(jì)由來，還介紹了其最初的設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用。一些看似“高大上”的實(shí)驗(yàn)許多都是在較為簡單的實(shí)驗(yàn)條件下完成的，例如：安培的分子電流實(shí)驗(yàn)。就是把一個(gè)絕緣的導(dǎo)線繞許多圈，固定在豎直支架上，沿著這個(gè)線圈內(nèi)緣，用絕緣弦絲懸掛一個(gè)閉合的薄銅環(huán)，銅環(huán)旁邊放置一個(gè)馬蹄形磁鐵 。固定線圈通過強(qiáng)電流時(shí)，如果銅環(huán)中由于出現(xiàn)分子電流而產(chǎn)生磁性，就會(huì)驅(qū)使銅環(huán)擺動(dòng)，實(shí)驗(yàn)證明了分子電流的存在。

以往分析分子電流時(shí)同學(xué)們一般都會(huì)從微觀入手研究，但是安培卻轉(zhuǎn)換成宏觀作用來解釋分子電流的存在。這也正是研究物理問題的一種有效手段，即微觀作用通過宏觀現(xiàn)象反映來證明微觀作用存在。學(xué)生們通過“自預(yù)習(xí)”物理學(xué)模塊掌握這種方法后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新。如同學(xué)們自己設(shè)計(jì)了布朗運(yùn)動(dòng)演示儀、霍爾電壓演示儀。

三、“自預(yù)習(xí)”物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中存在的問題

1.實(shí)驗(yàn)教師需要對(duì)所有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)設(shè)問，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都要設(shè)定20個(gè)左右的題目，并且要給出相應(yīng)的參考答案。一些參考答案的解釋要結(jié)合相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，例如測量楊氏模量的實(shí)驗(yàn)方法就很多，這就需要教師在設(shè)定相應(yīng)問題時(shí)，一定要結(jié)合實(shí)驗(yàn)室所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)器材方法進(jìn)行設(shè)問，教師的工作量還是很大的。

2.學(xué)生在利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行預(yù)習(xí)時(shí)無法確定是否本人操作。雖然我們?cè)O(shè)置了登錄窗口，需要學(xué)生輸入學(xué)號(hào)后才能登錄，但無法確定是否本人，因此在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)教師還需要抽查大家的預(yù)習(xí)報(bào)告及回答相應(yīng)問題。隨著網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的使用與教師抽查相結(jié)合的方式運(yùn)作一段時(shí)間后這種現(xiàn)象會(huì)有所改觀，對(duì)于一些預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)不認(rèn)真的學(xué)生，我們還得通過實(shí)驗(yàn)操作考試進(jìn)一步評(píng)價(jià)。

3.由于登陸時(shí)間較集中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)回答問題時(shí)提交不夠及時(shí)。遇到這樣的問題就可能需要同學(xué)們多登錄幾次，當(dāng)然也會(huì)產(chǎn)生重復(fù)登陸的情況，目前我們所用的服務(wù)器帶寬100M ，2.2GCPU，6核12線程，內(nèi)存16G。基本上能滿足100人同時(shí)登陸需求，但如果都在觀看視頻文件，這會(huì)出現(xiàn)無法登陸或滯后的情況。這也是需要我們進(jìn)一步改進(jìn)的地方。

總之，通過“自預(yù)習(xí)”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的搭建可以一定程度上解決目前實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)中存在的問題，學(xué)生在查閱相關(guān)物理學(xué)史模塊后能在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與設(shè)計(jì)上有所提高。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中充分利用現(xiàn)代教學(xué)手段為將來培養(yǎng)優(yōu)秀的物理人才打下良好的基礎(chǔ)。

作者簡介

孟慶國（1973.10—），男，漢族，副教授，碩士導(dǎo)師，從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革及實(shí)驗(yàn)教具制作研究。