李叢 李雪瑩 宋戈 常英立 張建軍 賈凌春

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為大學(xué)生入學(xué)的第一門實(shí)踐課程，對(duì)后期進(jìn)行的專業(yè)能力訓(xùn)練起到了基礎(chǔ)和引領(lǐng)作用。結(jié)合MOOC優(yōu)秀資源，以超聲聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例探索大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法和有效考核途徑，探索激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的方法。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn);MOOC;創(chuàng)新精神;教學(xué)方法

[中圖分類號(hào)] ?G711 ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?2096-0603（2020）07-0048-02

新工科[1]背景下，作為大學(xué)生入學(xué)的第一門實(shí)踐課程大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)肩負(fù)著學(xué)生構(gòu)建知識(shí)、增強(qiáng)技能以及培養(yǎng)實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)的科學(xué)態(tài)度的教學(xué)目標(biāo)。目前大學(xué)物理基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源難以有效利用，考核方式存在較大弊端[2]。我們借鑒復(fù)旦大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)先進(jìn)理念，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。在實(shí)際教學(xué)實(shí)踐中把結(jié)合大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和MOOC課程優(yōu)點(diǎn)[3-8]結(jié)合起來(lái)，形成課內(nèi)與課外相結(jié)合、線上與線下相結(jié)合的教學(xué)模式[9]進(jìn)行教學(xué)改革。

一、大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)任務(wù)

首先，培養(yǎng)學(xué)生掌握大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)、方法和技能[10]。在大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中注重培養(yǎng)學(xué)生借助教材或儀器說(shuō)明書正確使用實(shí)驗(yàn)常用儀器的能力;通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)物理現(xiàn)象的觀察、物理量測(cè)量掌握物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)、方法和技能;通過(guò)觀察、思考和對(duì)實(shí)驗(yàn)的分析總結(jié)，加深對(duì)物理規(guī)律的理解。其次，在教學(xué)過(guò)程中，尤其是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，有意識(shí)地提高發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題、分析解決問(wèn)題和自主學(xué)習(xí)的能力，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、鼓勵(lì)學(xué)生嘗試獨(dú)立思考問(wèn)題、查閱并理解實(shí)驗(yàn)相關(guān)資料，分析解決問(wèn)題。再次，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)、誠(chéng)信的科學(xué)態(tài)度。如培養(yǎng)學(xué)生敏銳的觀察力，以及規(guī)范地記錄和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣故窘Y(jié)果、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力，也稱為實(shí)踐基于證據(jù)的學(xué)術(shù)討論。最后，學(xué)生通過(guò)本課程的訓(xùn)練，學(xué)生能較自信地參與實(shí)驗(yàn)探究和創(chuàng)新。學(xué)生在沒(méi)有教師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上是科學(xué)實(shí)驗(yàn)全過(guò)程中的初步訓(xùn)練，學(xué)生在具備借助教材或儀器說(shuō)明書正確使用實(shí)驗(yàn)常用儀器的能力基礎(chǔ)上，學(xué)會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖表，數(shù)據(jù)分析建立物理量之間函數(shù)關(guān)系，并科學(xué)地展示結(jié)果。

二、以超聲聲速測(cè)量為例，充分利用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)方法創(chuàng)新

根據(jù)上海海洋大學(xué)雙一流建設(shè)強(qiáng)化本科教育及工程認(rèn)證要求，把大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)分為四大類：海洋類、食品類、信息類、工程類。以海洋類實(shí)驗(yàn)超聲聲速測(cè)量為例進(jìn)行教學(xué)改革。

（一）課前預(yù)習(xí)三步法，提升預(yù)習(xí)質(zhì)量和自學(xué)能力

1.預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)：充分利用先進(jìn)技術(shù)，如把實(shí)驗(yàn)安全管理、實(shí)驗(yàn)預(yù)備知識(shí)、操作步驟等通過(guò)微信、QQ、藍(lán)魔云班課、EOL等及時(shí)公布，提前給學(xué)生布置預(yù)習(xí)任務(wù)，根據(jù)教材《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》超聲聲速測(cè)量相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)。

2.網(wǎng)上MOOC學(xué)習(xí)優(yōu)秀資源：建議學(xué)生參考中國(guó)大學(xué)MOOC上國(guó)防科技大學(xué)的相關(guān)資源進(jìn)行課下輔助學(xué)習(xí)，效果更佳。

3.請(qǐng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，創(chuàng)建藍(lán)墨云班或課，提前給學(xué)生布置聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)題，或思考題，建議學(xué)生手機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，兩次機(jī)會(huì)，截止日期是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的當(dāng)天。

（二）結(jié)合實(shí)際物理意義進(jìn)行課堂導(dǎo)入，提高學(xué)生對(duì)本實(shí)驗(yàn)的認(rèn)同感

超聲飛行器飛行速度接近聲速時(shí)[11]，會(huì)出現(xiàn)阻力劇增、聲爆、操縱性能變壞和自發(fā)栽頭的現(xiàn)象，飛行速度也不能再提高，因此人們?cè)詾槁曀偈秋w機(jī)速度不可逾越的障礙，稱為“音障現(xiàn)象”。因此聲速的準(zhǔn)確測(cè)量非常重要。聲速又稱“音速”，本質(zhì)上是介質(zhì)中微弱壓強(qiáng)擾動(dòng)的傳播速度，與密度、溫度、壓力等有絕對(duì)關(guān)系。聲波根據(jù)頻率可以分為：頻率小于20Hz的聲波為次聲波，20Hz～20kHz的為可聞聲波，超聲波的頻率大于20kHz。由于聲波在空氣中的傳播速度與聲波的頻率無(wú)關(guān)，依據(jù)聲波特性選擇聲波。由于超聲波沒(méi)有噪聲，一般的音頻對(duì)它沒(méi)有干擾，波長(zhǎng)短方向性好，因此可以選擇超聲波。超聲波是指頻率大于20kHz的聲波，廣泛應(yīng)用于聲吶、雷達(dá)、探傷、石油勘探、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

（三）體驗(yàn)式課堂學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的求知欲和好奇心，加深對(duì)共振現(xiàn)象的理解

很多時(shí)候，在學(xué)生上超聲聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，有的專業(yè)的大學(xué)物理課程不包含機(jī)械振動(dòng)、機(jī)械波的知識(shí)，或者即便包含此部分內(nèi)容，但是由于課時(shí)受限也不會(huì)講到共振的知識(shí)點(diǎn)。大多數(shù)學(xué)生對(duì)共振的理解還停留在中學(xué)階段或者概念上水平上。在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中利用魚洗實(shí)驗(yàn)介紹共振，請(qǐng)學(xué)生體驗(yàn)共振現(xiàn)象。

（四）課中利用多媒體、視頻講授實(shí)驗(yàn)預(yù)備知識(shí)、原理15分鐘

利用多媒體可以圖文并茂、結(jié)合動(dòng)畫生動(dòng)形象地介紹壓電陶瓷超聲換能器、正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)和駐波的概念。結(jié)合示波器測(cè)量?jī)上噜彶ǜ归g的距離就可測(cè)定波長(zhǎng)。同時(shí)可以給學(xué)生介紹各種樂(lè)器，包括弦樂(lè)器、管樂(lè)器和打擊樂(lè)器，都是由于產(chǎn)生駐波而發(fā)聲，因此為得到最強(qiáng)的駐波，弦或管內(nèi)空氣柱的長(zhǎng)度必須等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。

（五）采用“三步走”帶實(shí)驗(yàn)，盡可能全部指導(dǎo)到位，減少掉隊(duì)學(xué)生

大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，班級(jí)人數(shù)一般為30人左右，一名教師同時(shí)指導(dǎo)30名學(xué)生進(jìn)行兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，容易出現(xiàn)的是學(xué)生聽(tīng)不清楚、不理解操作步驟、得不到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，出現(xiàn)掉隊(duì)的問(wèn)題。因此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要按照“教師演示—學(xué)生吸收理解進(jìn)行操作—教師、學(xué)生相互檢查確認(rèn)”的步驟進(jìn)行。首先回顧一下示波器的調(diào)節(jié)與使用，演示儀器連線，給學(xué)生10分鐘的時(shí)間消化吸收，并成功進(jìn)行超聲測(cè)度實(shí)驗(yàn)的接線操作，請(qǐng)同學(xué)們相互檢查連線，教師再次檢查，確定無(wú)誤后進(jìn)行下一步;接著諧振頻率調(diào)節(jié)，駐波、相位差法依次按三步走來(lái)做實(shí)驗(yàn)。

（六）提升學(xué)生的合作能力和物理表達(dá)能力

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)人一起合作，相互討論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，討論、實(shí)驗(yàn)原理、應(yīng)用擴(kuò)展。采用計(jì)算器、Origin、Excel等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)驗(yàn)分析;興趣為主，選擇感興趣的相關(guān)小課題進(jìn)行文獻(xiàn)檢索、撰寫綜述。

三、考核方式多元化，增加持續(xù)學(xué)習(xí)能力和科研創(chuàng)新能力

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的持續(xù)學(xué)習(xí)能力和科研創(chuàng)新能力，在基本實(shí)驗(yàn)考核的基礎(chǔ)上，如預(yù)習(xí)報(bào)告30%;實(shí)驗(yàn)操作30%;數(shù)據(jù)處理與分析20%;總結(jié)討論、實(shí)驗(yàn)感想20%。增加加分獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，如：持續(xù)學(xué)習(xí)能力提升：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)MOOC學(xué)習(xí)，加分5%～10%;科研提升：根據(jù)大學(xué)物理體驗(yàn)或者感興趣課題撰寫課程論文，加分5%～10%;創(chuàng)新能力提升：憑興趣參加物理類課外創(chuàng)新活動(dòng)并取得一定成果，加分10%;表達(dá)能力：課堂討論表現(xiàn)優(yōu)秀，做報(bào)告優(yōu)秀，加3%。

四、改革效果以及結(jié)論

通過(guò)教學(xué)實(shí)踐后，對(duì)468名學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，283名男生，185名女生。調(diào)查結(jié)果見(jiàn)下表。

數(shù)據(jù)表明教學(xué)改革促使學(xué)生的積極性有所提高，對(duì)預(yù)習(xí)的重視比改革前大有提高，經(jīng)過(guò)四個(gè)實(shí)驗(yàn)循環(huán)下來(lái)以后，學(xué)生的自學(xué)能力、表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，尤其是動(dòng)手能力有了很明顯的提升。教學(xué)改革有效增強(qiáng)了學(xué)生構(gòu)建知識(shí)的能力，書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告、用科學(xué)術(shù)語(yǔ)提問(wèn)及回答問(wèn)題、參加討論積極性，學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新精神有了較大的提高。

但是也存在一些問(wèn)題，課堂指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)三步走，確保學(xué)生不掉隊(duì)的做法，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作主動(dòng)性會(huì)有所降低，做完一步后，被動(dòng)等待老師講第二步。這時(shí)候可以讓這些操作能力強(qiáng)的學(xué)生作為老師的助手去志愿幫助其他同學(xué)，或做超聲聲速的拓展實(shí)驗(yàn)。利用時(shí)差法測(cè)量速度，既可以提升學(xué)生對(duì)知識(shí)能力的理解，又可以培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任感和創(chuàng)新精神。

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◎編輯 陳鮮艷