蒲賢潔 王 銳 何光宏 韓 忠

(重慶大學(xué)物理學(xué)院，重慶 401331)

《大學(xué)物理》課堂演示實(shí)驗(yàn)的效果分析

蒲賢潔 王 銳 何光宏 韓 忠

(重慶大學(xué)物理學(xué)院，重慶 401331)

在同一學(xué)期同一教學(xué)班的大學(xué)物理課程教學(xué)中，開(kāi)展演示實(shí)驗(yàn)和無(wú)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的對(duì)比研究。采用李克特七點(diǎn)量表形式設(shè)計(jì)調(diào)查問(wèn)卷，考察學(xué)生對(duì)有演示和無(wú)演示課次內(nèi)容的記憶、理解程度。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，有演示實(shí)驗(yàn)的課次印象較無(wú)演示實(shí)驗(yàn)的課次深刻，二者均值存在極顯著差異(p=0.000)；有演示實(shí)驗(yàn)的課次量表選項(xiàng)總平均分值較無(wú)演示實(shí)驗(yàn)的課次高，二者存在顯著性差異(p=0.030)。

大學(xué)物理課程；演示實(shí)驗(yàn)；問(wèn)卷調(diào)查；差異性分析

物理學(xué)是一門探求物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)機(jī)制的學(xué)科，物理學(xué)中每個(gè)概念的建立、每個(gè)定律的發(fā)現(xiàn)，都有其堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)[1]。大學(xué)物理課程總是與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程相生相伴，然而實(shí)際操作中，由于全校性公共基礎(chǔ)課涉及學(xué)生人數(shù)眾多，排課上存在相當(dāng)?shù)碾y度，學(xué)生在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課時(shí)可能對(duì)理論知識(shí)尚未了解，又可能上理論課時(shí)，缺乏實(shí)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)，在理解新知識(shí)時(shí)常常感到抽象費(fèi)解。為了彌補(bǔ)大學(xué)物理和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程間緊密聯(lián)系的缺失，課堂演示實(shí)驗(yàn)?zāi)芘c課堂講授密切配合，既可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的興趣，又是科學(xué)理論的導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)，已逐漸成為物理教學(xué)的一個(gè)重要手段和有機(jī)組成部分[1-3]。

圖1 演示實(shí)驗(yàn)走進(jìn)大學(xué)物理課堂(a) “受迫振動(dòng)”課次實(shí)驗(yàn)演示，采用“大橋共振”實(shí)驗(yàn)儀和交流信號(hào)源； (b) “光柵衍射”課次實(shí)驗(yàn)演示，實(shí)驗(yàn)器材為光柵和激光筆； (c) “駐波”課次實(shí)驗(yàn)演示，采用“弦駐波”演示儀和交流信號(hào)源

我校大學(xué)物理和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)組經(jīng)常開(kāi)展聯(lián)合教研活動(dòng)，互相交流參觀學(xué)習(xí)。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建立了“物理科技走廊”和“物理探索科技館”，引進(jìn)了大量演示儀器，為課堂演示實(shí)驗(yàn)的合理開(kāi)展提供了穩(wěn)定的教學(xué)平臺(tái)和可靠的設(shè)備保障。圖1所示為將“物理探索科技館”儲(chǔ)備的部分實(shí)驗(yàn)演示儀搬進(jìn)《大學(xué)物理》教學(xué)課堂進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示，目的是使學(xué)生獲得直觀的感性認(rèn)識(shí)，更好地理解物理概念和規(guī)律，掌握物理研究方法。

為了衡量課堂演示實(shí)驗(yàn)對(duì)大學(xué)物理的教學(xué)過(guò)程是否產(chǎn)生了實(shí)際的積極作用，本文采用問(wèn)卷調(diào)查形式[4]，開(kāi)展了演示實(shí)驗(yàn)和無(wú)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的對(duì)比研究，所設(shè)計(jì)問(wèn)卷主要考察學(xué)生對(duì)有演示實(shí)驗(yàn)和無(wú)演示實(shí)驗(yàn)的課次內(nèi)容的印象和理解程度。通過(guò)對(duì)問(wèn)卷結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(均值、標(biāo)準(zhǔn)差、配對(duì)t檢驗(yàn))，得出了課堂演示實(shí)驗(yàn)有利于《大學(xué)物理》教學(xué)的結(jié)論

1 調(diào)查方法

1.1 調(diào)查對(duì)象與程序

為了控制影響因素(例如教學(xué)用語(yǔ)、演示實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)性[5]和統(tǒng)一性等)，以重慶大學(xué)2016—2017學(xué)年第一學(xué)期隨機(jī)抽選的一個(gè)大學(xué)物理教學(xué)班的全體學(xué)生為研究對(duì)象，按照正常課次順序安排教學(xué)，選取“受迫振動(dòng)”、“駐波”、“光柵衍射”等課次開(kāi)展隨堂演示實(shí)驗(yàn)，其它課次按照傳統(tǒng)理論教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行組織。學(xué)期末，統(tǒng)一發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷，由該教學(xué)班學(xué)生自行填寫，填寫完畢立即回收，發(fā)放問(wèn)卷55份，回收55份?；厥諗?shù)據(jù)利用Matlab和SPSS[6]進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2 問(wèn)卷設(shè)計(jì)

問(wèn)卷采用李克特七點(diǎn)量表[7]形式編制，編制時(shí)將有演示實(shí)驗(yàn)和無(wú)演示實(shí)驗(yàn)的課次內(nèi)容進(jìn)行穿插等間距排版(3道題為1個(gè)組，即1次課的主題)，如圖2所示，其中淺藍(lán)背景為有演示實(shí)驗(yàn)的課次，淺黃背景為無(wú)演示實(shí)驗(yàn)的課次(注：背景色均為便于說(shuō)明后期加注，原問(wèn)卷中并未提示)。李克特量表是一種心理反應(yīng)量表，常在問(wèn)卷中使用，是目前調(diào)查研究中使用最廣泛的量表[7]。該量表由一組陳述組成，每一陳述有“非常同意”、“同意”、“一般”、“不同意”、“非常不同意”五種回答，分別記為5、4、3、2、1，當(dāng)受測(cè)者回答此類問(wèn)卷的項(xiàng)目時(shí)，他們具體地指出自己對(duì)該項(xiàng)陳述的認(rèn)同程度。七點(diǎn)量表是將五點(diǎn)量表更細(xì)化，分為“非常同意”、“同意”、“比較同意”、“一般”、“比較不同意”、“不同意”、“非常不同意”七個(gè)選項(xiàng)，分別記為7、6、5、4、3、2、1，使問(wèn)卷的信度和效度較五點(diǎn)量表更高。問(wèn)卷完成后，每一個(gè)選項(xiàng)可以進(jìn)行獨(dú)立分析，成組題目的選項(xiàng)也可進(jìn)行加總(或求均值)。

2 結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

將每份問(wèn)卷每道題目的選項(xiàng)錄入計(jì)算機(jī)(列：題號(hào)、行：?jiǎn)柧砭幪?hào))，在Matlab中分別計(jì)算每道題目的平均分值和標(biāo)準(zhǔn)差，如圖3(a)所示。由圖3(a)可知，關(guān)于課次印象，有演示實(shí)驗(yàn)的課次較無(wú)演示實(shí)驗(yàn)的課次平均分值高(深紅圈——有演示實(shí)驗(yàn)課次印象，淺紅圈——無(wú)演示實(shí)驗(yàn)課次印象)，表明有演示實(shí)驗(yàn)的課次較無(wú)演示實(shí)驗(yàn)的課次印象深刻。在SPSS里關(guān)于課次印象對(duì)有演示和無(wú)演示課次的平均分值進(jìn)一步進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，結(jié)果表明(表1所示)，有演示實(shí)驗(yàn)的課次印象與無(wú)演示實(shí)驗(yàn)的課次印象均值存在極顯著差異(p=0.000)；關(guān)于課次內(nèi)具體的知識(shí)點(diǎn)掌握(每組第2，3題，藍(lán)圈——有演示實(shí)驗(yàn)課次，黃圈——無(wú)演示實(shí)驗(yàn)課次)，除第一組有演示實(shí)驗(yàn)的課次平均分值偏低，另外兩組有演示實(shí)驗(yàn)的課次平均分值基本上高于無(wú)演示實(shí)驗(yàn)的課次。分析第一組對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握的評(píng)估分值較低的原因，一方面可能與知識(shí)點(diǎn)本身難易程度有關(guān)，另一方面也可能是因?yàn)榘才旁诘谝唤M，思維還未進(jìn)入狀態(tài)所致。

表1 課次印象、課次總平均分值有演示和無(wú)演示配對(duì)t檢驗(yàn)

圖2 問(wèn)卷采用李克特七點(diǎn)量表設(shè)計(jì)，用于考察學(xué)生對(duì)有演示和無(wú)演示課次內(nèi)容的記憶和理解程度的自我評(píng)估

圖3(b)所示為按課次內(nèi)容(每組3道題為一課次內(nèi)容)統(tǒng)計(jì)包括課次印象和知識(shí)點(diǎn)掌握的綜合平均分值和標(biāo)準(zhǔn)差。由圖3(b)可知，除第一組平均分值由于前述可能因素而較低，有演示實(shí)驗(yàn)的課次(淺藍(lán)背景)綜合平均分值均較無(wú)演示實(shí)驗(yàn)的課次(淺黃背景)高。

圖3 問(wèn)卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果(a) 按問(wèn)卷題目統(tǒng)計(jì)平均分值和標(biāo)準(zhǔn)差； (b) 按課次內(nèi)容統(tǒng)計(jì)平均分值和標(biāo)準(zhǔn)差； (c) 按有演示課次和無(wú)演示課次統(tǒng)計(jì)總平均分值和標(biāo)準(zhǔn)差

圖3(c)將3組有演示實(shí)驗(yàn)的課次題目(淺藍(lán)背景)和3組無(wú)演示實(shí)驗(yàn)的課次題目(淺黃背景)分別加總求均值和標(biāo)準(zhǔn)差，由圖可知，總體上，有演示實(shí)驗(yàn)課次學(xué)生自我評(píng)估總平均分值較無(wú)演示實(shí)驗(yàn)課次高，進(jìn)一步的配對(duì)t檢驗(yàn)顯示(表1所示)，二者存在顯著性差異(p=0.030)。

兩點(diǎn)說(shuō)明：

(1) 對(duì)于問(wèn)卷中“簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成”這組題目的特別說(shuō)明：這堂課中采用了一段Matlab程序?qū)Α巴较蚝?jiǎn)諧振動(dòng)合成”和“垂直方向簡(jiǎn)諧振動(dòng)合成”分別進(jìn)行了動(dòng)畫(huà)模擬(圖4所示)，因此正如圖3(a)中最后一組課次印象分值所示，給學(xué)生的印象是比較深刻的。但是考慮到是將實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)和無(wú)演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，因此仍然將這組劃分到無(wú)演示實(shí)驗(yàn)組。不過(guò)，在實(shí)物演示存在困難的情況下，采用動(dòng)畫(huà)或者仿真也不失為一種實(shí)用的教學(xué)方法，相關(guān)的研究期待在今后開(kāi)展。

(2) 對(duì)于問(wèn)卷最后補(bǔ)充題目的說(shuō)明： 補(bǔ)充題目考察學(xué)生通過(guò)前面18道題的測(cè)量是否識(shí)別本問(wèn)卷的調(diào)查關(guān)注點(diǎn)。55份問(wèn)卷中，10份問(wèn)卷回答識(shí)別出問(wèn)卷關(guān)注點(diǎn)為演示實(shí)驗(yàn)相關(guān)。由于補(bǔ)充問(wèn)題設(shè)置在最后，并不會(huì)對(duì)測(cè)評(píng)產(chǎn)生干擾。18%的識(shí)別率，具有兩面性，一方面說(shuō)明一定程度上識(shí)別了問(wèn)卷關(guān)注點(diǎn)的學(xué)生可能會(huì)揣摩并迎合測(cè)試希望的結(jié)果(社會(huì)贊許偏差)，為了避免這種情況造成的干擾致使測(cè)量結(jié)果失真，調(diào)出這些識(shí)別出關(guān)注點(diǎn)的問(wèn)卷，觀察評(píng)分的具體情況，發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有明顯迎合演示實(shí)驗(yàn)有利的跡象，因此，基本可以排除這項(xiàng)干擾。另一方面，10 位學(xué)生通過(guò)回答所有問(wèn)題，識(shí)別出問(wèn)卷關(guān)注點(diǎn)是與演示實(shí)驗(yàn)相關(guān)，恰好說(shuō)明演示實(shí)驗(yàn)給這部分學(xué)生留下了清晰而深刻的印象，才能從間隔設(shè)計(jì)的有演示與無(wú)演示各課次題目組中識(shí)別出問(wèn)卷關(guān)注點(diǎn)是課堂演示實(shí)驗(yàn)的效果。

3 結(jié)論

本文以同一學(xué)期隨機(jī)抽選的一個(gè)大學(xué)物理教學(xué)班的全體學(xué)生為研究對(duì)象，在傳統(tǒng)理論教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上設(shè)置適當(dāng)課次的課堂演示實(shí)驗(yàn)，采用自編的李克特七點(diǎn)量表形式的大學(xué)物理課程問(wèn)卷，調(diào)查分析學(xué)生對(duì)有演示實(shí)驗(yàn)和無(wú)演示實(shí)驗(yàn)課次內(nèi)容記憶、理解的自我評(píng)價(jià)程度。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出兩點(diǎn)主要結(jié)論：有演示實(shí)驗(yàn)的課次印象較無(wú)演示實(shí)驗(yàn)的課次深刻，且存在極顯著差異(p=0.000)；有演示實(shí)驗(yàn)的課次學(xué)生自我評(píng)估總平均分值較無(wú)演示實(shí)驗(yàn)的課次高，且存在顯著性差異(p=0.030)。以上結(jié)果為促進(jìn)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)演示緊密結(jié)合提供了研究依據(jù)。此次研究是將心理學(xué)量表設(shè)計(jì)和大學(xué)物理教學(xué)研究結(jié)合的初步探索，僅在有限的范圍內(nèi)開(kāi)展，若能在控制影響因素的條件下擴(kuò)大樣本量和題目設(shè)置數(shù)，以及和考試成績(jī)分析[8]對(duì)照結(jié)合，必將得出更加豐富多維的研究結(jié)論，在教學(xué)改革和發(fā)展中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

[1] 盧榮德. 大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)[M]. 合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2014．

[2] 周風(fēng)帆，王浩程. 大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的價(jià)值重構(gòu)[J]. 大學(xué)物理，2011，30(8): 46-50. Zhou Fengfan, Wang Haocheng. The value reconstruction of university physics demonstration experiments[J]. College Physics, 2011, 30(8): 46-50. (in Chinese)

[3] 路峻嶺，陳信義，王延吉. 強(qiáng)化演示實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展大學(xué)物理研究型教學(xué)[J]. 大學(xué)物理，2008，27(5): 44-45. Lu Junling, Chen Xinyi, Wang Yanji. Emphasis of demonstrative experiments for research teaching of college physics[J]. College Physics, 2008, 27(5): 44-45. (in Chinese)

[4] 易偉松，羅賢清，丁孺牛，等. 大學(xué)物理課程學(xué)生問(wèn)卷調(diào)查研究[J]. 物理與工程，2010，20(6): 46-50. Yi Weisong, Luo Xianqing, Ding Runiu, et al. A study on the students questionnaire of College Physics[J]. Physics and Engineering, 2010, 20(6): 46-50. (in Chinese)

[5] 盧榮德，程福臻.《大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)》的編寫思路[J]. 大學(xué)物理，2016，35(5): 57-60. Lu Rongde, Cheng Fuzhen. The thought of compiling 《University Physics Demonstration Experiment》[J]. College Physics, 2016, 35(5): 57-60. (in Chinese)

[6] Hilbe J M. A review of current SPSS products[J]. American Statistician, 2012, 57(4): 310-315.

[7] Jamieson S. Likert scales: How to (ab) use them[J]. Medical Education, 2004, 38(12): 1217-1218.

[8] 張睿，王祖源，徐小鳳. SPOC模式大學(xué)物理混合型教學(xué)的學(xué)習(xí)效果研究[J]. 大學(xué)物理, 2016, 35(8): 52-54. Zhang Rui, Wang Zuyuan, Xu Xiaofeng. Research on effectiveness of blended learning with SPOC model in university physics[J]. College Physics, 2016, 35(8): 52-54. (in Chinese)

■

ANALYSIS ON THE EFFECT OF DEMONSTRATION EXPERIMENT IN COLLEGE PHYSICS CLASS

Pu Xianjie Wang Rui He Guanghong Han Zhong

(College of Physics, Chongqing University, Chongqing 401331)

In order to investigate whether the classroom demonstration experiment can produce positive effect on teaching, a contrastive study focusing on the effect of demonstration experiment to non-demonstration in teaching was researched on the students of Chongqing University in one College Physics teaching class at the first semester in 2016—2017 school year. The questionnaire was designed based on seven point Likert scale to investigate the students’ memory and understanding on the content of the lessons with or without demonstration experiment. Statistical results show that the students were rather more impressed by the lessons with demonstration experiment than without it, and there was greatly significant difference between two groups (p=0.000); Also, the total average score of the lessons with demonstration experiment was significant higher (p=0.030) than the lessons without demonstration experiment. The above results provide a basis for the study of the combination of theoretical teaching and experimental demonstration.

college physics course; demonstration experiment; questionnaires; difference analysis

圖4 Matlab動(dòng)畫(huà)模擬“簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成”(a) 同方向簡(jiǎn)諧振動(dòng)合成； (b) 垂直簡(jiǎn)諧振動(dòng)合成

2017-05-28

重慶市重大教改項(xiàng)目(1201033)；重慶市重點(diǎn)教改項(xiàng)目(162006)；重慶大學(xué)物理學(xué)院院級(jí)教改項(xiàng)目。

蒲賢潔，女，工程師，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，xjpu@cqu.edu.cn。

蒲賢潔，王銳，何光宏，等. 《大學(xué)物理》課堂演示實(shí)驗(yàn)的效果分析[J]. 物理與工程，2017，27(5)：91-94.