混合式實驗教學(xué)在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用探討

倪靜 徐秀蓮

[摘 要] 大學(xué)物理實驗混合式教學(xué)采用線下宅家實驗和線上虛擬仿真實驗相結(jié)合的形式。宅家實驗是利用智能手機的多種傳感器和Phyphox軟件相配合，居家完成物理實驗;仿真實驗利用虛擬仿真系統(tǒng)線上完成實驗。作為一種新的教學(xué)模式，目前在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛。同時，針對實驗教學(xué)中存在的問題以及應(yīng)對措施進行系統(tǒng)總結(jié)，為進一步將混合式實驗教學(xué)列入正常教學(xué)計劃奠定基礎(chǔ)。實踐證明，開發(fā)虛實結(jié)合的物理實驗，對激發(fā)學(xué)生興趣、提高教學(xué)質(zhì)量有顯著效果。

[關(guān)鍵詞] 大學(xué)物理實驗;混合式教學(xué);教學(xué)方案;宅家實驗;仿真實驗

[基金項目] 2014—2016年青年科學(xué)基金項目“基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方法研究蛋白質(zhì)分子體系功能運動的別構(gòu)機制”（11305139）

[作者簡介] 倪 靜（1974—），女，江蘇揚州人，學(xué)士，揚州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院實驗員，主要從事大學(xué)物理實驗管理和教學(xué)研究;徐秀蓮（1978—），女，江蘇姜堰人，博士，揚州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授，主要從事復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方面的研究。

[中圖分類號] G642.41? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）20-0153-04? ?[收稿日期] 2021-02-08

新冠疫情爆發(fā)后，教育部于2020年2月4日印發(fā)了《關(guān)于疫情防控期間做好普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見》，決定在全國高校實施在線教學(xué)，其中既包括理論課，也包括實驗課。指導(dǎo)意見發(fā)布后，各地高校快速響應(yīng)，按照“停課不停教、停課不停學(xué)”的要求，制訂在線教學(xué)方案。

一、教學(xué)方案

面對疫情，特別是實驗課程，脫離了實驗室能不能進行在線教學(xué)？怎樣進行在線教學(xué)？在線教學(xué)效果如何？這些問題對全體實驗指導(dǎo)教師而言都是一次全新的探索和挑戰(zhàn)。大學(xué)物理實驗是一門實踐性課程，不等同于理論課教學(xué)，其教學(xué)的核心任務(wù)是通過對儀器設(shè)備的具體操作，達(dá)到鍛煉學(xué)生動手能力、培養(yǎng)學(xué)生實驗素養(yǎng)的目的。作為省級教學(xué)示范中心，物理學(xué)院實驗教學(xué)中心面向全校理、工、農(nóng)、醫(yī)、廣陵學(xué)院近30個專業(yè)開設(shè)大學(xué)物理實驗課程。

在實驗課程停擺的四周里，大學(xué)物理實驗教學(xué)團隊迅速行動起來，通過開展線上線下教學(xué)研討，借鑒學(xué)習(xí)全國高校優(yōu)秀經(jīng)驗，統(tǒng)一思想，最終制訂了線上實驗和線下實驗相結(jié)合的混合式教學(xué)方案，采用網(wǎng)絡(luò)錄播+宅家實驗+虛擬仿真+釘釘群答疑的教學(xué)模式[1-4]。網(wǎng)絡(luò)錄播用于緒論課，講授數(shù)據(jù)處理的方法、實驗理論及操作的講解、實驗結(jié)束后的問題總結(jié)，全方位助力學(xué)生理解實驗原理、完成實驗操作、解決實驗中出現(xiàn)的問題。宅家實驗主要采用智能手機+Phyphox軟件，由學(xué)生準(zhǔn)備少量的實驗器材，自主搭建實驗裝置，宅家完成實驗的各個環(huán)節(jié)，通過對數(shù)據(jù)的分析，進一步深入理解實驗原理。虛擬仿真實驗使用了“科大奧銳虛擬仿真實驗平臺”，在計算機上用虛擬仿真技術(shù)模擬實驗現(xiàn)實效果，學(xué)生不離家即可完成實驗。課程團隊教師除了每天在評論區(qū)點評互動之外，還利用釘釘群隨時解答學(xué)生實驗過程中出現(xiàn)的問題，加強與學(xué)生的互動交流。

二、實驗內(nèi)容

（一）宅家實驗簡介

特殊時期，學(xué)生離校在家，無法利用學(xué)校的實驗設(shè)備完成實驗。在這種情況下，我們需要轉(zhuǎn)變思路，充分利用身邊的設(shè)備完成物理實驗。智能手機的普及為我們開展宅家實驗提供了條件。現(xiàn)在的智能手機除了常用的麥克風(fēng)、揚聲器、相機、GPS定位系統(tǒng)，還自帶多種傳感器，如壓力、光強、加速度、濕度、磁力、距離、重力、溫度傳感器等，配合一款基于智能手機的軟件——Phyphox，就可以直接訪問手機的傳感器，并將原始數(shù)據(jù)和結(jié)果一起導(dǎo)出并進行分析，也可用電腦控制手機采集實驗數(shù)據(jù)，通過Phyphox網(wǎng)站的網(wǎng)頁編輯器建立實驗視圖。同學(xué)們可以根據(jù)不同傳感器的功能完成不同的實驗。相關(guān)傳感器原理及應(yīng)用見表1。

依據(jù)教學(xué)大綱要求，共開設(shè)了7個宅家實驗，分別是：用手機屏幕光柵衍射測激光波長、影響光照度的可能因素探究、單絲衍射、用單擺測量重力加速度、透鏡焦距的測量、多普勒效應(yīng)的研究、節(jié)拍現(xiàn)象研究。下面以多普勒效應(yīng)實驗為例，介紹宅家實驗。Phyphox軟件包含“音頻發(fā)生器”，它可以發(fā)出0～20000Hz單一頻率、連續(xù)可調(diào)、無雜音的聲音;還包括“音頻自相關(guān)”，可以顯示聲音的波形與頻率，作為測量聲音頻率的儀器。利用家里的椅子、棉線、兩部智能手機，就可以完成多普勒效應(yīng)實驗。兩部手機實現(xiàn)相對運動：一部手機作為聲源（3000Hz）固定不動;另一部手機作為接收裝置，靠近聲源或遠(yuǎn)離聲源時，接收到的波形和頻率都會發(fā)生變化，實驗效果非常明顯，驗證了多普勒效應(yīng)。所測頻率如圖2、3所示。

實驗前，將講義上傳至群文件，包括實驗原理、實驗內(nèi)容及詳細(xì)的操作步驟，方便學(xué)生提前預(yù)習(xí)，避免實驗過程中出現(xiàn)誤操作的現(xiàn)象。實驗過程中出現(xiàn)問題，學(xué)生通過釘釘群隨時提問，師生互動討論解決問題，確保每位學(xué)生完成實驗的所有環(huán)節(jié)。

（二）仿真實驗簡介

仿真實驗不需要普通意義上的實驗器材，僅利用仿真技術(shù)，建立虛擬實驗環(huán)境，學(xué)生可以在這個環(huán)境中自行設(shè)計實驗方案、擬定實驗參數(shù)、操作儀器，模擬真實的實驗過程，營造了自主學(xué)習(xí)的環(huán)境。仿真實驗不受時間和地域的限制，隨時可以完成線上實驗。

本中心引進了“科大奧銳虛擬仿真系統(tǒng)”。該系統(tǒng)是國內(nèi)第一套虛擬現(xiàn)實型的教學(xué)軟件，目前已推出多個版本。它分為力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、電磁學(xué)和近代物理六大類共計59個實驗。

本次選擇了7個與現(xiàn)用物理實驗教材[5]內(nèi)容一致的虛擬仿真實驗，分別是：落球法測定液體的黏度、三線擺法測剛體的轉(zhuǎn)動慣量、基本電學(xué)參數(shù)測量、邁克耳孫干涉儀、示波器實驗、聲速的測量、用拉伸法測楊氏模量。各專業(yè)的學(xué)生先通過軟件熟悉實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗儀器、實驗步驟，然后點擊開始實驗，通過拖動鼠標(biāo)連接儀器、設(shè)定參數(shù)、調(diào)節(jié)儀器、觀察實驗現(xiàn)象以及記錄實驗結(jié)果，實驗過程如圖4所示。