大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)微課建模的探討

舒 崢，鄭榮煒，李佳隆，柴志方

(華東師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，上海 200241)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)微課建模的探討

舒 崢，鄭榮煒，李佳隆，柴志方

(華東師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，上海 200241)

針對(duì)目前高等院校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀與困境，提供了以微課制作的形式，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)建模教學(xué)的方案，并以RLC幅頻特性的實(shí)驗(yàn)研究為例對(duì)微課制作的流程、實(shí)驗(yàn)建模教學(xué)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述.

微課；大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)；物理建模;RLC

目前普遍認(rèn)為影響大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的主要問(wèn)題有：課前預(yù)習(xí)不夠充分；課堂時(shí)間分配難以調(diào)和；課后復(fù)習(xí)條件不足[1]. 另外理論課與實(shí)驗(yàn)課不同步的情況導(dǎo)致學(xué)生在課堂上更多扮演的是“操作工”而不是“研究者”的角色.

實(shí)驗(yàn)微課建模教學(xué)是將科學(xué)建模教學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)微課教學(xué)相結(jié)合，以教學(xué)視頻為載體，圍繞某一實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)并開(kāi)展的教學(xué)活動(dòng)，是將物理實(shí)驗(yàn)、建模教學(xué)以微課的形式呈現(xiàn)出來(lái)的一種新型教學(xué)模式.

鑒于上述大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足以及實(shí)驗(yàn)微課建模教學(xué)的特點(diǎn)，本論文提出了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)微課建模的教學(xué)模式，并以RLC幅頻特性的實(shí)驗(yàn)研究為例詳細(xì)闡述微課教學(xué)的設(shè)計(jì)過(guò)程，旨在通過(guò)實(shí)驗(yàn)微課建模的教學(xué)研究提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量.

1 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)微課與建模教學(xué)相結(jié)合的可行性分析

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)以微課的形式呈現(xiàn)，不僅可以改善學(xué)生預(yù)習(xí)效果，于有限的課時(shí)內(nèi)提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、創(chuàng)新能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ约肮收辖忉尲芭挪榈哪芰2]，而且可以幫助教師完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，提高課堂教學(xué)的有效性.

物理模型作為理論和實(shí)驗(yàn)的中介，被視為是對(duì)真實(shí)世界的表征[3]，而傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生缺乏模型建構(gòu)、分析與解釋等意識(shí)且對(duì)模型的本質(zhì)和功能認(rèn)識(shí)不足，這導(dǎo)致學(xué)生難以利用已知知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題. 而微課建模教學(xué)則能夠彌補(bǔ)這方面的不足，其能引導(dǎo)學(xué)生先建模后實(shí)驗(yàn)，有效地避免學(xué)生只動(dòng)手不動(dòng)腦、機(jī)械而盲目地做實(shí)驗(yàn)等現(xiàn)象的發(fā)生.

因此，鑒于對(duì)上述大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)建模教學(xué)的必要性以及微課教學(xué)的有效性等特點(diǎn)的分析，將大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)微課與建模教學(xué)相結(jié)合具有一定的可行性以及研究?jī)r(jià)值. 在微課教學(xué)的過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷建模學(xué)習(xí)的過(guò)程，體驗(yàn)科學(xué)家的思考活動(dòng)，幫助學(xué)生建立科學(xué)模型；在模型檢驗(yàn)環(huán)節(jié)可以直接通過(guò)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行驗(yàn)證；模型修正環(huán)節(jié)可以通過(guò)學(xué)生不斷地“嘗試錯(cuò)誤”，從而進(jìn)行故障分析和現(xiàn)象解釋；模型拓展環(huán)節(jié)的設(shè)置通過(guò)講解知識(shí)的實(shí)際來(lái)源，從而幫助學(xué)生進(jìn)行知識(shí)的遷移，并學(xué)會(huì)解決實(shí)際生活中的問(wèn)題.

2 基于建模教學(xué)的微課制作過(guò)程

微課制作是一項(xiàng)系統(tǒng)的工程，其前期準(zhǔn)備的工作量與難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錄制過(guò)程. 流程如圖1所示，具體為[4]：

1)前期分析，確定適宜做建模微課的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并對(duì)學(xué)生學(xué)情進(jìn)行分析.

2)腳本設(shè)計(jì)，思考教學(xué)內(nèi)容如何呈現(xiàn)、教學(xué)過(guò)程如何組織以及如何解決實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)難點(diǎn)等問(wèn)題[5].

3)素材準(zhǔn)備，根據(jù)腳本尋找或者制作符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的視頻和PPT等.

4)軟件編輯、視頻編輯的軟件可以有多種選擇，屏幕錄制微課工具Camtasia Studio 8.4、聲音編輯工具Adobe Audition CC、字幕制作工具Time Machine等. 這里需要注意腳本、課件以及視頻的協(xié)調(diào)性，微課屏幕顯示畫(huà)面與解說(shuō)聲音要同步，特寫(xiě)鏡頭要標(biāo)出變焦倍數(shù).

5)測(cè)試評(píng)價(jià)，對(duì)使用建模實(shí)驗(yàn)微課的學(xué)生進(jìn)行跟蹤調(diào)查和深度訪談.

圖1 微課實(shí)施流程

腳本的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)很大程度上決定了本次研究的成功與否. 故本文著重從腳本的教學(xué)設(shè)計(jì)角度進(jìn)行具體介紹.

3 RLC串聯(lián)幅頻特性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)建模微課教學(xué)的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)建模的微課教學(xué)主要圍繞模型展開(kāi)，具體做法如圖2所示，在Halloun建模的基礎(chǔ)上，結(jié)合大學(xué)物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，從5個(gè)方面展開(kāi)實(shí)驗(yàn)微課的建模教學(xué)，分別是模型假設(shè)—參量選擇—模型建構(gòu)—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與模型檢驗(yàn)—模型拓展. 需要說(shuō)明的是，這些建模過(guò)程并非線性推進(jìn)的過(guò)程，模型是可以不斷修正的，所以實(shí)際建模過(guò)程中可能需要多次反復(fù)，甚至要回到起點(diǎn)重新開(kāi)始[3].

圖2 實(shí)驗(yàn)微課建模設(shè)計(jì)過(guò)程

3.1 模型假設(shè)

電路理論并不是對(duì)實(shí)際生活中的真實(shí)電路進(jìn)行的模擬，而是根據(jù)抓住主要因素、忽略次要因素的研究方法，將實(shí)際電路抽象成具體模型之后進(jìn)行研究. 本視頻第一個(gè)環(huán)節(jié)描述了同一線圈在直流、交流的不同情況下需要采取不同的電學(xué)元件模型進(jìn)行建模：在直流情況下，線圈在電路中僅反映為導(dǎo)線內(nèi)電流引起的能量消耗，此時(shí)線圈相當(dāng)于電阻元件；在電流變化的情況下，線圈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)引起感應(yīng)電壓，此時(shí)電路模型可看成是電阻元件和電感元件的串聯(lián)；當(dāng)電流變化甚快時(shí)，包括高頻交流，還應(yīng)考慮線圈導(dǎo)體表面的電荷作用，即電容效應(yīng)，故此模型中還應(yīng)包括電容元件. 由此，首先提出模型假設(shè)：忽略實(shí)際RLC串聯(lián)電路中的復(fù)雜情形，假設(shè)各個(gè)原器件都是由理想元件組成的電路模型.

3.2 參量選擇

鑒于電路實(shí)驗(yàn)獨(dú)特的多參量調(diào)節(jié)過(guò)程，需要從很多參量中選擇有效參量進(jìn)行研究，故本模型在原有基礎(chǔ)上增設(shè)了參量選擇這一步驟. 因大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)和大學(xué)物理是2門(mén)獨(dú)立的課程，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)需要大學(xué)物理的基礎(chǔ)理論，故在講解實(shí)驗(yàn)電路之前，本視頻首先通過(guò)復(fù)習(xí)舊知識(shí)，使學(xué)生回憶起RLC串聯(lián)諧振的條件，并根據(jù)控制變量法的理念要求選擇出RLC電路的3個(gè)變量參量，同時(shí)分析出實(shí)現(xiàn)電路諧振的方法.

3.3 模型建構(gòu)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)建模的教學(xué)步驟，在引出物理實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)模型后，學(xué)生可能無(wú)法立刻獨(dú)自建立起各變量的相互影響. 本視頻借助LabVIEW軟件對(duì)RLC電路運(yùn)行仿真，隨后從電路阻抗、電流和電壓3個(gè)不同角度觀察仿真的結(jié)果圖像，思考電路諧振的特點(diǎn). 知道電路發(fā)生諧振時(shí)：輸入阻抗為純電阻，阻抗模最??；電流達(dá)到最大值；電阻R上的電壓達(dá)到最大，電容和電感上的電壓都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電源電壓，并且是電源的Q倍，這個(gè)倍數(shù)稱為 品質(zhì)因數(shù). 學(xué)生在視頻引導(dǎo)的過(guò)程中，可以建立并完善RLC串聯(lián)實(shí)驗(yàn)電路模型，并能夠利用此模型定性描述各變量之間的相互關(guān)系，還在此基礎(chǔ)上發(fā)展數(shù)學(xué)表征來(lái)定量分析數(shù)值問(wèn)題.

3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與模型檢驗(yàn)

學(xué)生建立RLC串聯(lián)電路模型后，需要對(duì)此模型進(jìn)行驗(yàn)證和分析，確定此模型是否需要進(jìn)一步修改、解釋等. 本視頻通過(guò)接線和故障分析2部分幫助學(xué)生檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?nèi)在一致性. 按照電路圖接線部分使學(xué)生進(jìn)一步理解RLC串聯(lián)實(shí)驗(yàn)電路的整體構(gòu)架，之后通過(guò)分析A同學(xué)的實(shí)驗(yàn)操作，思考看似正確的實(shí)驗(yàn)接線為什么導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與理論分析有較大出入，讓學(xué)生進(jìn)行批判性思考，最后通過(guò)對(duì)交流電壓表自身的結(jié)構(gòu)分析，修改實(shí)驗(yàn)接線模型，解決接地的故障，從而矯正或強(qiáng)化RLC實(shí)驗(yàn)電路模型. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與模型檢驗(yàn)部分腳本如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與模型檢驗(yàn)部分腳本(3 min)

3.5 模型拓展

一旦學(xué)生建立起RLC串聯(lián)電路模型及各理想元件間的關(guān)系，便可根據(jù)相應(yīng)的分析，理解現(xiàn)實(shí)生活的實(shí)際情境. 例如，本視頻此時(shí)引入收音機(jī)調(diào)頻問(wèn)題，假設(shè)上海廣播電臺(tái)發(fā)射的3種不同頻率電臺(tái)信號(hào)都是十分微弱的，新聞、經(jīng)濟(jì)和交通頻道電臺(tái)信號(hào)的接收端頻率分別是990 kHz,855 kHz和648 kHz，它們的感應(yīng)電壓均為15 μV，電路中R=33 Ω，L=330 μH. 讓學(xué)生通過(guò)諧振特性，利用調(diào)節(jié)電容篩選和放大所感興趣的電臺(tái)信號(hào). 例如為了能夠聽(tīng)到990 kHz的電臺(tái)節(jié)目，根據(jù)RLC串聯(lián)諧振公式得C=78.3 pF,此時(shí)計(jì)算出3個(gè)電臺(tái)在電容C兩端的電壓分別是26.2 μV, 58.9 μV,933 μV,即990 kHz的信號(hào)放大為原來(lái)的62倍，即使另外2個(gè)頻率的信號(hào)也放大了，但是其幅值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于990 kHz的信號(hào)幅值，故只能聽(tīng)到990 kHz的電臺(tái)信號(hào)，完成了信號(hào)的篩選. 在這一建模微課的過(guò)程中充分應(yīng)用了模型的描述、解釋和預(yù)測(cè)的功能，學(xué)生能夠更深刻體會(huì)到RLC串聯(lián)電路模型的本質(zhì).

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)微課建模是集討論式、開(kāi)放式、探究式于一體的教學(xué)方式，將實(shí)驗(yàn)微課建模的教學(xué)模式應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中具有一定的必要性、可行性與實(shí)用性. 實(shí)驗(yàn)微課建模不僅可以改善學(xué)生預(yù)習(xí)效果，在有限的課時(shí)內(nèi)找到重難點(diǎn)，完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，且學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到與結(jié)果不符的狀況時(shí)，建模教學(xué)能夠幫助其建立整體意識(shí)，從而進(jìn)行故障分析和錯(cuò)誤排查. 此外，微課還通過(guò)啟發(fā)性問(wèn)題和模型拓展部分給學(xué)生課后討論提供一定的思路，從而提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)微課建模正在華東師范大學(xué)2015級(jí)普通物理實(shí)驗(yàn)班進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究.

[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):57-58.

[2] 教育部高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì). 理工科類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求[M]. 北京:高等教育出版社,2010.

[3] 張靜,郭玉英. 物理建模教學(xué)的理論與實(shí)踐簡(jiǎn)介[J]. 大學(xué)物理，2013，32(2):25-30.

[4] 孟祥增,劉瑞梅,王廣新. 微課設(shè)計(jì)與制作的理論與實(shí)踐[J]. 遠(yuǎn)程教育雜志，2014,(6):24-32.

[5] 宋金璠，郭新峰，王生釗，等. 微課在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2015,35(2):12-17.

[責(zé)任編輯：郭 偉]

Discussion of college physics experiment micro lecture

SHU Zheng, ZHENG Rong-wei, LI Jia-long, CHAI Zhi-fang

(School of Physic and Material Science, East China Normal University, Shanghai 200241, China)

To overcome the present dilemma in physics experiment teaching in universities, an experiment teaching model based on micro lecture was provided. Taking theRLCamplitude frequency characteristics experiment as an example, the process of making modeling and designing experiment teaching were expounded in detail.

micro teaching mode; university physics experiment teaching; physical modeling;RLC

2017-06-19

高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)研究項(xiàng)目(No.01-201601-24)

舒 崢(1990-)，女，河南南陽(yáng)人，華東師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院2015級(jí)碩士研究生，研究方向?yàn)槲锢碚n程與教學(xué)論．

柴志方(1977-)，男，河北邢臺(tái)人，華東師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院副教授，博士，從事物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)與研究工作．

G642.423

B

1005-4642(2017)08-0044-04