微課在牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

伍麗莎 陳華君 齊 云 姚 勇

(1西南石油大學(xué)理學(xué)院，四川 成都 610500； 2安順學(xué)院數(shù)理學(xué)院，貴州 安順 561000)

當(dāng)今社會是一個信息社會，計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)普及到我們生活的各個方面，快節(jié)奏、高效率的生活，要求我們的教學(xué)模式也要簡明扼要。“簡明”就要求少而精，“微課”作為一種與互聯(lián)網(wǎng)緊密聯(lián)系的教學(xué)模式因而應(yīng)時而生。微課不同于傳統(tǒng)課堂教學(xué)，其主要特征表現(xiàn)為“主題突出，指向明確；資源多樣，情景真實(shí)；短小精悍，使用方便；半結(jié)構(gòu)化，易于擴(kuò)充”[1]。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是高等理工科院校對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)訓(xùn)練的一門獨(dú)立的、必修的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，它主要對學(xué)生進(jìn)行全面而系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能的基礎(chǔ)訓(xùn)練，從而培養(yǎng)學(xué)生動手能力、思維能力和科學(xué)創(chuàng)新能力[2]。我校在過去的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生首先需要預(yù)約實(shí)驗(yàn)并預(yù)習(xí)，課堂上通過老師的講授讓學(xué)生理解和掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。隨后，學(xué)生逐步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器的組裝，測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)始終存在著諸多問題，如由于上課前不了解實(shí)驗(yàn)儀器造成課前預(yù)習(xí)不充分，課堂時間有限而無法滿足學(xué)生的個性化要求，課后復(fù)習(xí)沒有實(shí)驗(yàn)條件等等。為解決這些問題，我校實(shí)驗(yàn)中心積極探索混合式教學(xué)模式，將微課引入課程教學(xué)中，提高了教學(xué)效率，效果顯著。下面以“牛頓環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)”為例，探討微課的制作以及研究微課應(yīng)用的創(chuàng)新模式。

1 牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)微課的制作

牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的一個基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，在這個實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以了解光的干涉現(xiàn)象，驗(yàn)證光的波動性，并利用牛頓環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)測量平凸透鏡的曲率半徑。通過移測顯微鏡，可以觀察到牛頓環(huán)干涉現(xiàn)象，牛頓環(huán)是一組明暗相間的同心圓環(huán)，這些圓環(huán)隨著離接觸點(diǎn)為中心點(diǎn)的距離增加而變密，變窄，呈現(xiàn)出內(nèi)環(huán)疏而寬、外環(huán)密而窄的圖形[3]。

我們主要采用Aviutl視頻編輯軟件[4]制作牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)微課?！芭ｎD環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)”微課包括以下5個部分：背景知識介紹、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)處理?，F(xiàn)對每個部分做簡要說明。

(1) 背景知識介紹

在“牛頓環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)”微課視頻中我們通過介紹牛頓在光學(xué)的3大貢獻(xiàn)來引入課程，利用物理學(xué)史和物理學(xué)家的知識介紹，擴(kuò)展學(xué)生知識面，提高學(xué)生的興趣，激發(fā)好奇心和探究欲。

(2) 實(shí)驗(yàn)原理

圖1 牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)原理

(3) 實(shí)驗(yàn)儀器

對讀數(shù)顯微鏡的結(jié)構(gòu)以及讀數(shù)裝置的介紹主要通過教師對實(shí)物的介紹來展開。為了更真實(shí)全面地展示儀器的結(jié)構(gòu)，采用了正視圖和側(cè)視圖，同時進(jìn)行講解。當(dāng)講解到較小的部件時，如目鏡、物鏡、反射鏡等，單獨(dú)將該部件示意圖放大進(jìn)行顯示。由于牛頓環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)存在回程誤差，在儀器介紹完畢后，添加了回程誤差的講解，通過動畫的展示，使學(xué)生可以更形象地了解絲桿結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)生誤差的原因，對只能沿一個方向進(jìn)行測量的步驟加深了理解，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)儀器介紹

(4) 實(shí)驗(yàn)步驟

接下來，教師按照實(shí)驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行實(shí)驗(yàn)步驟演示，使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)操作的基本過程。在牛頓環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)中，將顯微鏡觀察到的牛頓環(huán)測量過程利用CCD圖像傳感器顯示到電腦屏幕，因此可以把屏幕錄制和實(shí)驗(yàn)過程錄制同步進(jìn)行。在視頻后期制作過程中，將牛頓環(huán)放置在屏幕的一角，使學(xué)生對于如何利用牛頓環(huán)測量曲率半徑，以及避免回程誤差對測量結(jié)果的影響等問題，有更深一步的認(rèn)識，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)步驟

(5) 數(shù)據(jù)處理

視頻中通過舉例來說明數(shù)據(jù)處理過程，將所測的左端坐標(biāo)與對應(yīng)環(huán)的右端坐標(biāo)相減，獲取11，12，…，20的環(huán)徑。然后將環(huán)徑平方差代入公式，其中鈉光波長λ為5893?。最后計(jì)算出透鏡曲率半徑大小。

2 微課在牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

微課和傳統(tǒng)的視頻教學(xué)不同，如果只是將教學(xué)過程進(jìn)行錄像，沒有任何視頻制作和教學(xué)設(shè)計(jì)的話，那只是舊瓶裝新酒，換了教學(xué)形式而沒有換教學(xué)內(nèi)容。視頻制作很重要，但好的教學(xué)設(shè)計(jì)才能增強(qiáng)課程吸引力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)。

在近一年的教學(xué)實(shí)踐中，我們充分利用微課這一教學(xué)模式來提高物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效率，并總結(jié)出在教學(xué)中需要注意的幾個問題： (1)重點(diǎn)突出。以牛頓環(huán)為例，測量的重點(diǎn)就在避免回程誤差。為了說明回程誤差，采用動畫的形式展現(xiàn)絲桿結(jié)構(gòu)中齒輪嚙合傳動過程。由于齒廓間隙的存在，只有在測量過程中始終保持一個方向進(jìn)行測量。(2)強(qiáng)調(diào)難點(diǎn)。在牛頓環(huán)測量平凸透鏡實(shí)驗(yàn)過程中，由于大多數(shù)同學(xué)使用顯微鏡會習(xí)慣將反光鏡對準(zhǔn)鈉光燈來增強(qiáng)亮度，而造成牛頓環(huán)不清晰，無法讀數(shù)。在微課中為了強(qiáng)調(diào)光路是通過45°反射鏡發(fā)射到牛頓環(huán)，在實(shí)驗(yàn)步驟部分，專門繪出光路圖，來說明牛頓環(huán)的干涉條紋是鈉光從45°反射鏡入射到牛頓環(huán)儀產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。在課堂講解時，可以暫停視頻，對于這點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)的強(qiáng)調(diào)。在隨后學(xué)生單獨(dú)實(shí)驗(yàn)過程中，基本上沒有同學(xué)再犯這種錯誤了。(3)添加字幕。微課中添加字幕，可以避免由于臺詞音量較小，教師語速過快或者普通話不夠標(biāo)準(zhǔn)，使學(xué)生無法聽清楚，而有礙于對課程內(nèi)容的理解。而且字幕在畫面的構(gòu)圖中，可以增強(qiáng)視覺效果，使視頻易讀。(4)強(qiáng)化誤差分析。在牛頓環(huán)測量平凸透鏡曲率半徑中，有很多誤差來源，在視頻中主要說明了兩種誤差：①中央暗斑會影響到測量的準(zhǔn)確性，如何避免？②每級暗環(huán)都有一定的寬度，不同的環(huán)徑測量方式對測量結(jié)果的影響。

3 實(shí)踐成效

以西南石油大學(xué)2016年秋季(微課教學(xué)實(shí)施前)和2017年春季(微課教學(xué)實(shí)施后)的牛頓環(huán)測量平凸透鏡曲率半徑實(shí)驗(yàn)的學(xué)生操作考試成績(表1)為例，可以看出微課這種混合式教學(xué)模式使學(xué)生的成績有了大幅度的提高，高分?jǐn)?shù)段比例增大，學(xué)生的平均成績提高了15.91分，合格率也提高了28.5%。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差s和差異系數(shù)Cv計(jì)算公式:

得到兩學(xué)期的標(biāo)準(zhǔn)差分別是25.47和15.4，差異系數(shù)分別為39.20%和19.09%，從這兩組數(shù)據(jù)可以看出2017年春季學(xué)期學(xué)生成績較2016年春季學(xué)期的成績離散度低，分布更加合理。在2017年春季操作考試過程中，我們還發(fā)現(xiàn)通過微課教學(xué)的2017年春季學(xué)生比傳統(tǒng)教學(xué)模式的2016年秋季學(xué)生更容易理解實(shí)驗(yàn)原理，更加熟悉實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)驗(yàn)操作過程也更熟練。學(xué)生成績和能力的提高，得益于微課教學(xué)的開展。這增強(qiáng)了我們的信心，促使我們在今后的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，充分利用微課這種新型教學(xué)模式，不斷探索，提高物理實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)效果。

表1 2016年秋季學(xué)期與2017年春季學(xué)期操作考試成績對比表

4 體會和展望

物理實(shí)驗(yàn)是邏輯性很強(qiáng)的實(shí)證科學(xué)課程；假如有某個地方學(xué)生沒有聽懂，就可能一直卡在那里，無法完成后續(xù)的內(nèi)容，導(dǎo)致整個實(shí)驗(yàn)失敗。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)微課革新傳統(tǒng)的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化學(xué)習(xí)的擴(kuò)展，讓學(xué)生可以隨時隨地自由地學(xué)習(xí)，是混合式教學(xué)模式的一種形式。實(shí)驗(yàn)微課的內(nèi)容涉及大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的各個核心實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)過程中突破時間和空間的局限，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程主要通過掛圖，PPT教學(xué)模式的不足。把微課引入到教學(xué)中，學(xué)生在課堂上通過手機(jī)觀看視頻，對照儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對于光學(xué)實(shí)驗(yàn)，如果按照傳統(tǒng)的課堂講授和演示，由于實(shí)驗(yàn)步驟中需要通過顯微鏡觀察，在教師演示時，很多同學(xué)是觀察不到演示時顯微鏡中出現(xiàn)的干涉條紋的，只能通過老師描述，印象不深刻；但是通過微課，學(xué)生可以看見顯微鏡顯示的圖像，對實(shí)驗(yàn)的理解也就更加深刻。物理實(shí)驗(yàn)最重要的內(nèi)容是實(shí)驗(yàn)步驟，通過微課，學(xué)生可以對一些步驟較為繁瑣的

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目講解通過暫停、回放等方式，來加深對實(shí)驗(yàn)的操作過程的理解。

物理實(shí)驗(yàn)微課程改變了傳統(tǒng)的教師實(shí)驗(yàn)室授課模式，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享，建立了混合式教學(xué)新模式，使遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)、電子學(xué)習(xí)、移動學(xué)習(xí)與課堂面授多種學(xué)習(xí)方式充分融合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)模式，為構(gòu)建學(xué)習(xí)型社會打下基礎(chǔ)。

[1] 唐艷妮，徐軍，羅積軍,等. 微課在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探索[J].物理與工程, 2014(S2):61-63. TANG Yanni, XU jun, LUO jijun, et al. Application of micro class in university physics experiment teaching[J]. Physics and Engineering, 2014(S2):61-63. (in Chinese)

[2] 張懷作.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M]. 北京：科學(xué)出版社,2011.

[3] 溫健平.胡廣平.牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)的研究[J].綿陽師范學(xué)院學(xué)報,2008,27(11)：30-33. WEN Jianping, HU Guangping. Studying of Newton’s rings experiment[J]. Journal of Mianyang Normal University, 2008, 27(11): 30-33. (in Chinese)

[4] AviUtl version0.92. http://spring-fragrancemints.ne.jp/aviutl/