線上線下混合式大學物理實驗教學設(shè)計
——以示波器使用實驗為例

歐陽建明，彭 剛，何焰蘭，羅 劍, 鄭浩斌

(國防科技大學 文理學院，湖南 長沙 410073)

示波器是一種用途廣泛的電子測量儀器，能夠直觀地顯示被測電壓信號的波形，記錄、存儲、處理待研究變化過程的波形參量[1]. 示波器使用實驗是目前很多理工類普通高等學校的必修公共基礎(chǔ)實驗項目[2]. 在傳統(tǒng)線下教學實踐中，由于示波器原理較為復(fù)雜，學生在有限的實體實驗時間內(nèi)難以掌握示波器的原理和使用. 隨著信息化教育技術(shù)的發(fā)展，以MOOC和虛擬仿真實驗為代表的線上實驗教學技術(shù)和手段能拓展學生實驗的時間和空間，為實體實驗提供有力的補充.

大學物理實驗教學過程中將源于企業(yè)管理的“精益思想”[3]對教學品質(zhì)進行控制. “精益思想”的核心是消除生產(chǎn)過程中的一切浪費，通過對生產(chǎn)過程中每一環(huán)節(jié)實時檢測與管控、及時反饋與改進，達到降低成本、提高質(zhì)量、無浪費和零庫存，確保企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和成本優(yōu)勢，在教育領(lǐng)域中也有著巨大的啟發(fā)和借鑒意義. 在教學過程中利用虛擬仿真實驗、課堂研討等形式設(shè)置質(zhì)量控制節(jié)點，控制整體教學質(zhì)量.

由于課時等因素的限制，國防科技大學“大學物理實驗”課程中涉及到示波器的使用的實驗項目主要有 “示波器的使用”和“聲速的測定”，2個實驗的定位不同，前者主要學習示波器的原理和示波器的基本使用，后者則需要利用示波器實現(xiàn)空氣中聲速的測量. 2個實驗分工不同，通過前者的學習，掌握示波器的使用，在此基礎(chǔ)上結(jié)合換能器聲能-電能-聲能的轉(zhuǎn)換，要求學生采用不同的方法測量聲速. 2個實驗均開設(shè)有MOOC和虛擬仿真實驗，在線下實驗中一次完成，共計6學時(不包括線上課時). 從2018年開始國防科技大學在大學物理實驗課程中開展了線上線下混合式教學與研討式教學實踐，并以“精益思想”進行教學質(zhì)量控制.

1 結(jié)合MOOC與虛擬仿真實驗開展線上教學

大學物理實驗每個實驗項目可以分為預(yù)習、實體實驗教學等環(huán)節(jié). 預(yù)習是做好實驗的基礎(chǔ). 由于大學物理實驗儀器及場地的限制，學生在預(yù)習環(huán)節(jié)通常難以接觸到實體實驗，而缺乏接觸儀器的預(yù)習會使得預(yù)習效果大打折扣. 在實驗的預(yù)習環(huán)節(jié)，線上學習資源是很好的預(yù)習平臺. 虛擬仿真實驗可以通過計算機模擬真實的實驗場景，是實體實驗教學的重要補充. 2015年國防科技大學大學物理實驗課程與科大奧銳公司合作， 建設(shè)了國家級數(shù)理虛擬仿真實驗中心，中心的核心任務(wù)之一是為物理實驗課程提供線上實驗基礎(chǔ)條件. MOOC自登陸中國后得到了迅猛的發(fā)展，目前在各平臺上線課程超過1萬門. 目前MOOC主要是理論課程，實驗課程還比較少，2015年開始國防科技大學以虛擬仿真實驗等為主要實驗支撐，建設(shè)了大學物理實驗MOOC[4]，2017年在“愛課程”平臺上線，并在2018年獲得國家級精品在線開放課程認定. 這些優(yōu)秀的線上資源(圖1)可為物理實驗教學提供良好的線上學習條件，學生先進行MOOC學習，了解示波器的基本原理后，登陸虛擬仿真實驗系統(tǒng)進行虛擬仿真實驗練習，進一步了解示波器的使用，為實體實驗打下良好的基礎(chǔ). 學生在預(yù)習完成后需要在虛擬仿真實驗平臺進行測試，測試內(nèi)容包括實驗原理和儀器基本操作，測試合格后學生方可進入實體實驗環(huán)節(jié). 這是教學質(zhì)量控制的第一個節(jié)點，指導(dǎo)教師可通過后臺數(shù)據(jù)掌握學生預(yù)習過程中的難點問題.

(a)

(b)圖1 線上教學資源圖

2 以虛擬仿真實驗測試反饋為依據(jù)，線下實驗教學突出重點

雖然經(jīng)過MOOC學習和虛擬仿真實驗練習，但是學生對于一些涉及實驗原理和儀器操作的關(guān)鍵問題的掌握可能還不夠全面. 教師可以通過虛擬仿真實驗平臺后臺得到學生預(yù)習測試中的難點問題(圖2)，在實驗講授環(huán)節(jié)重點突出講解.

在示波器的使用實驗中的主要問題包括：

1)模擬示波器的掃描原理

波形顯示原理是實驗的核心原理之一. 電子槍出射的電子通過電偏轉(zhuǎn)打在不同的位置，從而顯示波形. 通過分析電子在極板電場作用下以及作用后的運動過程，可以得到電子最終在屏幕上的偏轉(zhuǎn)距離為

其中：Ud為偏轉(zhuǎn)極板電壓，l為極板長度，U2為加速電壓，d為極板間距，L為極板與屏幕的距離. 偏轉(zhuǎn)距離與偏轉(zhuǎn)極板所加電壓成正比. 如果在豎直偏轉(zhuǎn)極板上加需要觀測的電壓，在水平偏轉(zhuǎn)極板上加鋸齒波電壓，由于鋸齒波電壓在1個周期內(nèi)電壓與時間成線性正比例關(guān)系，因此可以把水平方向變成時間軸，實現(xiàn)示波器的水平掃描.

2)模擬示波器的同步觸發(fā)原理

如果鋸齒波電壓周期是豎直方向正弦波周期的整數(shù)倍，即可以在屏幕上呈現(xiàn)穩(wěn)定的正弦波形. 但鋸齒波由示波器內(nèi)部產(chǎn)生，而待測電壓是外加的，難以做到2個電壓周期為嚴格整數(shù)倍關(guān)系，因此需要進行觸發(fā)，設(shè)置觸發(fā)電平. 當信號達到觸發(fā)電平，鋸齒波發(fā)生器強制觸發(fā)，產(chǎn)生1個周期的鋸齒波，水平方向掃描1次，呈現(xiàn)1個鋸齒波周期的波形. 然后鋸齒波發(fā)生器等待信號再次達到觸發(fā)電平，再次掃描，從而實現(xiàn)同步觸發(fā).

圖2 虛擬仿真實驗結(jié)果反饋

3 學生自主探索儀器，針對共性問題進行討論

學生在實驗前進行了虛擬仿真實驗，因此對于示波器各按鍵功能和操作教師不需要過多講解，由學生結(jié)合MOOC、虛擬仿真實驗、儀器說明書等進行自由探索. 探索的目標是要在示波器上呈現(xiàn)穩(wěn)定的正弦波形. 自主探索后針對學生遇到的共性問題進行討論，增加學生對儀器及操作的理解.

示波器使用中遇到的共性問題主要包括：

1)由于沒有信號輸入、示波器接地或者垂直偏轉(zhuǎn)因子過大等，使得屏幕上沒有波形，只有1條直線；

2)由于觸發(fā)電平設(shè)置不合適，波形不穩(wěn)定；

3)由于觸發(fā)源設(shè)置不合適，波形水平移動.

實驗共性問題的討論以學生為主，遇到問題的學生進行現(xiàn)身說法，由其他學生進行解答，指導(dǎo)教師進行引導(dǎo). 通過這些共性問題的討論引導(dǎo)學生主動思考，提高全體學生對于實驗原理及儀器使用的掌握能力. 這是教學質(zhì)量控制的第2個節(jié)點，通過研討解決儀器操作中的共性問題.

4 開展設(shè)計性實驗，提高學生綜合實踐能力

示波器的使用實驗的主要目的是讓學生了解示波器的基本原理，學習和掌握示波器的基本操作. 在此基礎(chǔ)上學生通過示波器使用實例，提高對示波器使用的掌握程度，這是聲速的測定實驗的主要目的. 由于已經(jīng)有了示波器的使用基礎(chǔ)，聲速的測定實驗可以作為設(shè)計性實驗.

設(shè)計性實驗一般可分為2個環(huán)節(jié)：1)教師提出命題與要求；2)學生設(shè)計實驗方案，自主完成實驗. 學生自主完成實驗環(huán)節(jié)涉及實驗方法的選擇、實驗方案的制定、測量儀器的選擇、測量的開展、數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析. 由于采用線上線下混合式教學，通過MOOC介紹壓電材料的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)、換能器電能與聲能和聲能與電能的轉(zhuǎn)換原理以及換能器的諧振頻率的概念與實驗操作，學生在實驗過程中也可以隨時進行線上學習. 本實驗提出要求：采用2種以上的方法測量聲速，并且要求利用逐差法處理數(shù)據(jù).

在聲速的測定實驗中，按照實驗原理的不同可以采取不同的實驗方法，不同的實驗方法對示波器的功能要求與操作也不同，如共振法要求學生能穩(wěn)定地顯示單通道信號；相位比較法要求學生使用示波器的雙蹤功能同時顯示并比較2個通道的信號；李薩如圖法要求學生使用示波器的X-Y功能. 通過聲速的測定實驗，學生進一步熟悉示波器使用，提高學生的綜合實踐能力.

5 開展課堂研討，促進學生對實驗的深入思考

研討式教學通過自主學習，學生之間進行討論，從討論中獲得新知，培養(yǎng)學生的發(fā)散性思維，促進學生對基礎(chǔ)實驗的深入思考. 在線下教學實踐中，在學生開始實驗前安排課堂研討題，這些研討題包括與實驗現(xiàn)象相關(guān)的題目、與實驗原理和儀器操作相關(guān)的題目以及與實驗拓展相關(guān)的題目等.

在示波器的使用實驗中的研討題為：

1)觸發(fā)區(qū)各按鍵旋鈕有什么作用？

2)為什么實驗中觀測到的李薩如圖形會不斷旋轉(zhuǎn)？如何才能使李薩如圖形靜止？

3)哪些儀器原理與示波器類似？

聲速的測定實驗中的研討題為：

1)接收器接收到的實際為“駐波+行波”而非完全的行波或駐波，對實驗有何影響？

2)滿足駐波條件時接收器位于波節(jié)處，為什么信號幅度最大？

3)還可以用什么方法測量聲速？

4)如何利用聲速測量來測定未知鹽水濃度？

學生帶著這些問題開展實驗，實驗完成后開展課堂研討，研討采取師生互動、學生小組討論等形式，以學生為研討主體，教師加以引導(dǎo). 這是教學質(zhì)量控制的第3個節(jié)點，通過研討加深學生對實驗的掌握和理解.

6 基礎(chǔ)實驗應(yīng)用拓展，提高基礎(chǔ)實驗教學的軍味和品味

大部分的軍事技術(shù)和一些最新科技都與基本物理原理密切相關(guān)，教學內(nèi)容中充分發(fā)掘基礎(chǔ)實驗與軍事技術(shù)及最新科技的聯(lián)系，啟發(fā)學生對于基礎(chǔ)實驗的進一步思考. 示波器的使用實驗可以拓展到網(wǎng)靶法測量電磁炮炮口初速，聲速的測定實驗可以拓展到聲吶的原理與聲速測量對于海軍作戰(zhàn)的作用等(圖3). 在線下實驗教學環(huán)節(jié)還可以以這些軍事應(yīng)用以及最新科技為引，在完成實驗和研討后對這些拓展內(nèi)容進行解答，前后呼應(yīng)，引發(fā)學員對實驗進行更深層次的思考，提升課程的品味和軍味.

(a)網(wǎng)靶法測量電磁炮彈初速

(b)聲波原理及聲速測量的應(yīng)用圖3 基礎(chǔ)實驗應(yīng)用拓展

7 結(jié)束語

示波器使用教學中采取線上線下混合式教學，突破實驗教學對時間和空間的限制，學生隨時隨地都可以通過MOOC和虛擬仿真實驗進行學習. 線下教學過程中采取教學與研討相結(jié)合，提高學生對于實驗原理的理解，熟悉實驗儀器與操作，拓展學生的視野，最終提高學生的綜合實踐能力與創(chuàng)新能力. 以基礎(chǔ)性實驗和設(shè)計性實驗組合授課與實驗，通過基礎(chǔ)性實驗掌握物理實驗的基本知識和基本儀器的操作，通過設(shè)計性實驗提高綜合實踐能力. 針對傳統(tǒng)實驗教學效果反饋不足問題，以“精益思想”為指導(dǎo)，在教學過程中設(shè)置節(jié)點進行質(zhì)量控制，提高整體教學質(zhì)量. 在教學內(nèi)容的安排上，充分發(fā)掘基礎(chǔ)物理實驗與軍事技術(shù)或最新科技的聯(lián)系，提高課程的軍味和品味.