“真做實(shí)測(cè)，寓教于樂(lè)”的居家DIY物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)踐與啟示

劉偉龍，趙海發(fā)，李俊慶，婁秀濤，黃 麗，辛 麗，高金偉，趙景庚，魏 波，姜澤輝，張 盛，趙 華，林 珊，烏大琨，王 一，張 宇

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 物理學(xué)院 物理實(shí)驗(yàn)中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

2020年春季學(xué)期，為應(yīng)對(duì)突如其來(lái)的新冠肺炎疫情，教育部發(fā)出“停課不停教、停課不停學(xué)”的號(hào)召，教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)專項(xiàng)工作委員會(huì)第一時(shí)間對(duì)在線大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程提出了專門(mén)的指導(dǎo)方案[1-2]，廣大高校物理實(shí)驗(yàn)教師集思廣益，探索在線物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式[3-8]，《物理實(shí)驗(yàn)》《物理與工程》等雜志利用公眾號(hào)介紹全國(guó)在線大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的經(jīng)驗(yàn)，這些工作有力地促進(jìn)了居家物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展.

哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心積極行動(dòng)，組織開(kāi)展了以“真做實(shí)測(cè)，寓教于樂(lè)”為特色的居家DIY(Do it yourself)物理實(shí)驗(yàn)課程在線教學(xué)，開(kāi)設(shè)了“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)A(2)”“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)B”“基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)(2)”和“基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)(4)”等多門(mén)課程，從3月下旬開(kāi)出至6月下旬全部結(jié)束，取得了良好的教學(xué)效果. 期間，與《物理實(shí)驗(yàn)》雜志聯(lián)合舉辦了2期居家DIY物理實(shí)驗(yàn)分享交流會(huì)[9]，分享了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體內(nèi)容. 本文對(duì)面向全校多數(shù)工科專業(yè)近2 300人的第2學(xué)期“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)A(2)”課程的整體設(shè)計(jì)原則、實(shí)施方案、教學(xué)效果等方面進(jìn)行全面梳理和總結(jié)，并給出實(shí)驗(yàn)室內(nèi)外、線上線下混合式教學(xué)模式下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)方面的建議.

1 居家DIY物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)原則

哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心一貫秉承“厚基礎(chǔ)，強(qiáng)能力，重創(chuàng)新”的實(shí)踐育人理念，疫情期間，實(shí)驗(yàn)中心堅(jiān)持“實(shí)”字當(dāng)先，提出“真做實(shí)測(cè)，寓教于樂(lè)”的居家DIY物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方針. 全體教師共同努力，短時(shí)間內(nèi)提出了30個(gè)可行的居家物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，經(jīng)教研室精心遴選，選出22項(xiàng)作為面向工科學(xué)生“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)A(2)”課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及學(xué)生選課情況如表1所示. 22個(gè)項(xiàng)目分批推出，第1批推出實(shí)驗(yàn)1～10，其中實(shí)驗(yàn)1～3為必做，實(shí)驗(yàn)4～7至少選做1項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)8～10至少選做1項(xiàng)；第2批推出實(shí)驗(yàn)11～22，全部為選做內(nèi)容. 這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)方面貫徹了科學(xué)性、趣味性和可操作性的基本原則，同時(shí)融入了課程思政元素.

表1 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)A(2)課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及學(xué)生選課情況

續(xù)表1

1.1 堅(jiān)持科學(xué)性

居家DIY實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)以實(shí)驗(yàn)課程培養(yǎng)目標(biāo)為指引，以教學(xué)大綱為根本遵循，堅(jiān)持科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、不湊個(gè)數(shù)的原則，做到寧缺毋濫. 表1中列出的22個(gè)項(xiàng)目中有11個(gè)是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)，將其改造為居家實(shí)驗(yàn)，提出與大綱基本一致的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及可行的測(cè)量和數(shù)據(jù)分析要求，確保實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的科學(xué)性.

盡管居家物理實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)測(cè)量借助PhyPhox，Tracker等手機(jī)軟件或簡(jiǎn)易測(cè)量工具(如家用溫度計(jì)、米尺等)，數(shù)據(jù)測(cè)量的精度與實(shí)驗(yàn)室中的教學(xué)儀器相比顯著降低，但是仍然針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性提出了具體要求. 例如，若用磁學(xué)方法測(cè)量單擺周期并計(jì)算重力加速度，測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差要求在2%以內(nèi)；在聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，要求測(cè)得的聲速與理論值之間的偏差在5%以內(nèi)；表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量結(jié)果與理論值之間的偏差在10%以內(nèi)即認(rèn)為合理. 此外，很多實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生分析測(cè)量結(jié)果的誤差來(lái)源，讓學(xué)生感受到居家物理實(shí)驗(yàn)仍然是科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)? 通過(guò)這些具體的要求，引導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)的方法研究身邊的物理現(xiàn)象，并且對(duì)生活中常見(jiàn)的一些物理量有定量的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力.

1.2 體現(xiàn)趣味性

學(xué)生居家上網(wǎng)課，長(zhǎng)期使用電腦、手機(jī)等，難免產(chǎn)生疲勞、乏味之感，因此在設(shè)計(jì)居家物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)著力增加了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的趣味性，希望通過(guò)居家物理實(shí)驗(yàn)吸引學(xué)生，讓學(xué)生動(dòng)起來(lái). 例如，樂(lè)音實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生能直接看到不同音色聲音的頻譜及其組合效果，對(duì)日常生活中的聲音和樂(lè)音有了更直觀和科學(xué)的認(rèn)識(shí)；聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生直接看到理論課中講過(guò)的聲波的波節(jié)和波腹；碰撞恢復(fù)系數(shù)實(shí)驗(yàn)中，碰撞恢復(fù)系數(shù)居然可以“聽(tīng)”出來(lái)；自己曾經(jīng)不太相信的誤差統(tǒng)計(jì)規(guī)律經(jīng)親手證實(shí)確實(shí)是正確的！實(shí)踐證明，這些有趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目深受學(xué)生歡迎，學(xué)生選做的比例也相當(dāng)高.

根據(jù)上述不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的特點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告提出了不拘一格的特殊要求. 有些項(xiàng)目側(cè)重實(shí)驗(yàn)效果，則需提交照片、視頻資料，如實(shí)驗(yàn)2，13和19；有些實(shí)驗(yàn)側(cè)重實(shí)驗(yàn)規(guī)律的分析與討論，則需學(xué)生自行查找資料提供文字材料，如實(shí)驗(yàn)3，4和12. 同時(shí)，為每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目精心設(shè)計(jì)了思考題，旨在通過(guò)有趣的物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生思考生活中相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)寓教于樂(lè). 實(shí)驗(yàn)報(bào)告中還新增了“實(shí)驗(yàn)體會(huì)與感想”一項(xiàng)，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)腦思考，對(duì)自己感興趣的實(shí)驗(yàn)寫(xiě)出心得體會(huì)、意見(jiàn)和建議等，進(jìn)一步提高學(xué)生的參與熱情.

1.3 注重可操作性

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，充分考慮學(xué)生居家實(shí)驗(yàn)的客觀條件，主要從2方面解決可操作性問(wèn)題：

1)盡量選用居家容易獲取的實(shí)驗(yàn)器材. 從表1中可以看出，除激光筆之外，絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)器材都是在居家條件下能夠獲得的，鼓勵(lì)學(xué)生就地取材，不增加經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān). 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)了居家條件物盡其用，能夠保證利用居家條件完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，動(dòng)手能力得到了顯著提高.

2)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目充足，為學(xué)生提供足夠的選擇余地. 本學(xué)期大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)A(2)課程要求完成9個(gè)物理實(shí)驗(yàn)，提供了22個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中3個(gè)為必做項(xiàng)目，其余19個(gè)為可選項(xiàng)目，保證學(xué)生有充分的選擇空間，能夠根據(jù)自身?xiàng)l件選做足夠的實(shí)驗(yàn)，完成課程要求.

1.4 課程思政內(nèi)容的設(shè)計(jì)

在居家上課期間，學(xué)生需要的不僅是知識(shí)點(diǎn)傳授，更需要精神的鼓舞，這為做好“立德樹(shù)人”教育提供了新的契機(jī)[10]. 在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，主要通過(guò)以下潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲的方式融入思政元素：

1)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和結(jié)果等提出具體、量化的要求，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣. 居家物理實(shí)驗(yàn)所用的裝置不復(fù)雜，但是所有裝置都要求學(xué)生自己動(dòng)手搭建，這與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下提供現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)裝置完全不同，學(xué)生需要足夠的細(xì)心和耐心才能獲得滿足實(shí)驗(yàn)要求的結(jié)果. 典型實(shí)驗(yàn)是“蛇擺的設(shè)計(jì)與制作”，盡管實(shí)驗(yàn)原理不難，但卻需要反復(fù)調(diào)節(jié)才能達(dá)到“1個(gè)公周期之后所有擺同步復(fù)原”的實(shí)驗(yàn)要求，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)之后定能體會(huì)到科學(xué)實(shí)驗(yàn)中對(duì)細(xì)心和耐心的要求，端正學(xué)習(xí)態(tài)度.

2)引入在物理學(xué)史中發(fā)揮重要作用的經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解科學(xué)發(fā)展的歷程，學(xué)習(xí)科學(xué)家追求真理的勇氣和科學(xué)精神. 這方面的典型實(shí)驗(yàn)是“雙孔夫瑯禾費(fèi)衍射”，盡管理論課中經(jīng)常講的是楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)，但是楊氏最初做的其實(shí)是雙孔衍射實(shí)驗(yàn)[11]，在實(shí)驗(yàn)室線下課程中并沒(méi)有開(kāi)設(shè)此實(shí)驗(yàn)，在居家條件下若用激光筆做此實(shí)驗(yàn)，則簡(jiǎn)單易行. 在實(shí)驗(yàn)原理中著力加入了光學(xué)發(fā)展歷史的介紹，突出了該實(shí)驗(yàn)的重要地位. 在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中，將測(cè)量孔徑和間距以及探討雙孔大小和間距等對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響作為必做內(nèi)容，將用自然光開(kāi)展實(shí)驗(yàn)作為選做內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生嘗試，提示學(xué)生思考光的時(shí)間和空間相干性問(wèn)題. 這些設(shè)計(jì)不僅有助于提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，而且能夠使學(xué)生體會(huì)到科學(xué)發(fā)展的艱辛歷程.

3)在實(shí)驗(yàn)背景、應(yīng)用等方面著力加入中國(guó)古代或現(xiàn)代的先進(jìn)技術(shù)，尤其是本校研究成果的介紹. 例如，在樂(lè)音系列實(shí)驗(yàn)中，介紹中國(guó)古代“三分損益”法對(duì)樂(lè)音理論的重要貢獻(xiàn)；在轉(zhuǎn)紐扣實(shí)驗(yàn)原理中闡述配重原理時(shí)，以本校在衛(wèi)星、建筑工程等領(lǐng)域的標(biāo)志性研究成果為例介紹配重原理的應(yīng)用. 通過(guò)這些特殊的設(shè)計(jì)，提升學(xué)生的民族自豪感，培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)、愛(ài)校情懷.

2 居家DIY物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織與實(shí)施

2.1 教學(xué)資源的準(zhǔn)備

居家DIY物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源全部為電子文件，開(kāi)課之前全部準(zhǔn)備完畢，開(kāi)課后分2批向?qū)W生發(fā)布. 電子版資源包括以下幾方面的內(nèi)容：

1)PPT講義. 所有實(shí)驗(yàn)均提供PPT講義，介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求和注意事項(xiàng)等，很多實(shí)驗(yàn)提供實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)效果照片，或者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析方法等材料，供學(xué)生在實(shí)驗(yàn)和分析數(shù)據(jù)時(shí)參考.

2)視頻資源. 多數(shù)實(shí)驗(yàn)提供了實(shí)驗(yàn)操作或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象的短視頻，個(gè)別實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供PPT講義的講解視頻(錄課).

3)Word文檔. 對(duì)所有實(shí)驗(yàn)提供常見(jiàn)問(wèn)題解答的Q&A文件，并在實(shí)驗(yàn)推出后根據(jù)學(xué)生反饋的問(wèn)題持續(xù)更新. 另外，有些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(如：樂(lè)音研究、克拉尼圖、表面張力系數(shù)測(cè)量等)提供課外閱讀資料，擴(kuò)展與此實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識(shí).

2.2 課程組織與實(shí)施

為避免學(xué)生在多個(gè)教學(xué)平臺(tái)之間反復(fù)切換，選用性能穩(wěn)定、便于實(shí)時(shí)互動(dòng)交流的QQ群作為唯一授課平臺(tái). 開(kāi)課前，將全部學(xué)生按院系和人數(shù)分組，建立7個(gè)QQ群，通過(guò)學(xué)院教學(xué)秘書(shū)通知學(xué)生進(jìn)群，指派專人逐一電話聯(lián)系未及時(shí)入群的學(xué)生，嚴(yán)格實(shí)行進(jìn)群審查和群內(nèi)實(shí)名制. 開(kāi)課后，在群里上傳實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，要求學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定數(shù)量的實(shí)驗(yàn). 所有教師全部進(jìn)入7個(gè)QQ群，隨時(shí)回答學(xué)生的疑問(wèn)，確?；卮饐?wèn)題及時(shí)準(zhǔn)確、無(wú)死角. 及時(shí)整理和更新實(shí)驗(yàn)Q&A文件，一方面防止不同教師回復(fù)學(xué)生問(wèn)題時(shí)出現(xiàn)解答不一致的情況，另一方面解決了教師多次重復(fù)回答類似問(wèn)題的困擾，減輕了教師工作量.

實(shí)驗(yàn)中心購(gòu)買(mǎi)了專門(mén)用于接收學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的網(wǎng)易VIP郵箱，學(xué)生每完成1個(gè)實(shí)驗(yàn)后，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將實(shí)驗(yàn)報(bào)告發(fā)送到該郵箱，教師按時(shí)間順序下載實(shí)驗(yàn)報(bào)告. 教師批改完實(shí)驗(yàn)報(bào)告后，將成績(jī)登錄到實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)站，學(xué)生通過(guò)VPN訪問(wèn)網(wǎng)站即可查詢分?jǐn)?shù). 教師及時(shí)總結(jié)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告中出現(xiàn)的問(wèn)題，持續(xù)更新，發(fā)布實(shí)驗(yàn)Q&A文件，并在QQ群內(nèi)隨時(shí)解答學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告或成績(jī)方面的疑問(wèn)，完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的閉循環(huán).

為鼓勵(lì)學(xué)生更好地完成居家物理實(shí)驗(yàn)，在學(xué)校的支持下與學(xué)工部門(mén)聯(lián)合組織“居家物理DIY實(shí)驗(yàn)”優(yōu)秀作品評(píng)選活動(dòng)，評(píng)選出210份獲獎(jiǎng)作品，向獲獎(jiǎng)學(xué)生頒發(fā)獲獎(jiǎng)證書(shū)并給予物質(zhì)獎(jiǎng)勵(lì). 榮獲“十佳居家DIY物理實(shí)驗(yàn)”的10份優(yōu)秀作品全部收入實(shí)驗(yàn)中心專門(mén)制作的“居家物理DIY實(shí)驗(yàn)”視頻資料，面向全校展示，并永久珍藏.

圖1為部分學(xué)生作品的照片,其中，(a)為用小藥瓶、麻將和螺絲帽制作的蛇擺，(b)為薄膜克拉尼圖，(c)為多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置，(d)為物體散熱規(guī)律實(shí)驗(yàn)裝置，(e)為光盤(pán)衍射的實(shí)驗(yàn)效果，(f)為2種波長(zhǎng)的雙孔夫瑯禾費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)效果.

(a)

3 居家DIY物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果與學(xué)生評(píng)價(jià)

3.1 教學(xué)效果與反饋

居家DIY物理實(shí)驗(yàn)得到了學(xué)生的普遍認(rèn)可和高度評(píng)價(jià)，很多學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中表達(dá)了自己居家實(shí)驗(yàn)的體會(huì)和感想，對(duì)部分內(nèi)容摘抄如下：

1)開(kāi)始手足無(wú)措、無(wú)從下手到逐漸適應(yīng)，從一個(gè)個(gè)零件的準(zhǔn)備到最后搭建完成實(shí)驗(yàn)，這不單單是完成了實(shí)驗(yàn)任務(wù)，更重要的是體驗(yàn)了科學(xué)探索和克服困難解決問(wèn)題的寶貴經(jīng)歷，同時(shí)提升了自己對(duì)學(xué)習(xí)的認(rèn)識(shí).

2)我感覺(jué)收獲很大，將來(lái)的科研道路沒(méi)有人會(huì)把什么都為你準(zhǔn)備好，我們必須自己去探索. 居家實(shí)驗(yàn)是一個(gè)啟蒙，學(xué)會(huì)創(chuàng)造條件去完成實(shí)驗(yàn)是對(duì)我未來(lái)科研態(tài)度的一種培養(yǎng).

從學(xué)生的反饋可看出，居家物理實(shí)驗(yàn)不僅促使學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)身邊的科學(xué)現(xiàn)象，增強(qiáng)了動(dòng)手能力和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，更重要的是在一定程度上改變了學(xué)生學(xué)習(xí)和認(rèn)知的方式，從被動(dòng)接受理論知識(shí)或用已有條件進(jìn)行機(jī)械式的測(cè)量，轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)創(chuàng)造條件并用科學(xué)的方法進(jìn)行探究和分析，使物理實(shí)驗(yàn)課程成為開(kāi)展科學(xué)研究工作的啟蒙，這正是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)追求的目標(biāo)[12-13].

本學(xué)期授課期間，正值哈爾濱工業(yè)大學(xué)百年校慶，不少學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)課程之后錄制了短視頻，表達(dá)對(duì)實(shí)驗(yàn)中心精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的感謝，以及對(duì)學(xué)校百年規(guī)格和功夫的禮贊，這些反饋體現(xiàn)了居家物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)思政內(nèi)涵的育人效果.

還有學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中寫(xiě)道：

有趣的現(xiàn)象增添了我對(duì)物理實(shí)驗(yàn)和物理原理的興趣，也讓我的家人都感嘆物理的神奇.

這次實(shí)驗(yàn)，我與我的父親合作，他幫了我很大的忙，每個(gè)人身上都有很多值得學(xué)習(xí)的地方，而合作讓我發(fā)現(xiàn)了別人的閃光點(diǎn).

可見(jiàn)，以“真做實(shí)測(cè)，寓教于樂(lè)”為特色的居家物理實(shí)驗(yàn)課程促進(jìn)了親子交流，對(duì)于緩解疫情期間學(xué)生和家長(zhǎng)居家學(xué)習(xí)和工作的壓力起到的積極作用，這是意外收獲.

3.2 學(xué)生成績(jī)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

本學(xué)期共有2 286名學(xué)生參加了“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)A(2)”課程的學(xué)習(xí)，其中2 238人順利通過(guò)，48人(占比2.1%)因沒(méi)有完成足夠的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目導(dǎo)致課程不及格. 圖2給出了最終成績(jī)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，成績(jī)基本符合高斯分布，統(tǒng)計(jì)平均分為90.2，較往年明顯偏高.

圖2 居家DIY物理實(shí)驗(yàn)課程的成績(jī)分布

值得一提的是，有1名學(xué)生所有實(shí)驗(yàn)均得到滿分，總分100分，該學(xué)生在1份實(shí)驗(yàn)報(bào)告中提到：居家物理實(shí)驗(yàn)從裝置的準(zhǔn)備，到實(shí)驗(yàn)中不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，最后完成1份報(bào)告，都是1次珍貴的經(jīng)歷. 實(shí)驗(yàn)看似容易，卻需要耐心和準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理也需要大量的時(shí)間，從這個(gè)過(guò)程中我收獲了很多.

較高的成績(jī)是對(duì)學(xué)生一學(xué)期居家實(shí)驗(yàn)課程付出和收獲的肯定，也說(shuō)明設(shè)計(jì)的居家實(shí)驗(yàn)切實(shí)可行，絕大多數(shù)學(xué)生能夠利用居家實(shí)驗(yàn)條件完成要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.

4 居家DIY物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與分析

為了總結(jié)居家DIY物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)本學(xué)期學(xué)生選課情況進(jìn)行全面的整理，結(jié)果列于表1中. 表1中總結(jié)的居家實(shí)驗(yàn)學(xué)生選課情況將為后疫情時(shí)代開(kāi)展以“宿舍實(shí)驗(yàn)”為代表的實(shí)驗(yàn)室外物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作提供參考.

1)學(xué)生選課最注重的是實(shí)驗(yàn)條件的“易得性”. 例如，實(shí)驗(yàn)11對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度提出了較高的要求，學(xué)生要想測(cè)出滿足要求的實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要反復(fù)嘗試并進(jìn)行細(xì)致的誤差分析. 實(shí)驗(yàn)16的數(shù)據(jù)處理涉及到對(duì)數(shù)函數(shù)線性化等內(nèi)容，而且要求對(duì)至少2種以上材質(zhì)的落球或地面做比較分析，工作量較大. 但是選做這2個(gè)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生是最多的. 實(shí)驗(yàn)6，7和15要求的內(nèi)容較少，相對(duì)簡(jiǎn)單，但是選課人數(shù)卻不多，主要是因?yàn)椴痪邆浣饘俦“?、偏光鏡片等實(shí)驗(yàn)條件. 激光筆也是學(xué)生居家普遍不具備的實(shí)驗(yàn)條件，在5個(gè)利用激光筆的實(shí)驗(yàn)中，最受歡迎的實(shí)驗(yàn)8的選做人數(shù)也不足50%，這說(shuō)明即使買(mǎi)1只激光筆就可以完成5個(gè)實(shí)驗(yàn)，仍有半數(shù)以上的學(xué)生不愿為居家實(shí)驗(yàn)購(gòu)買(mǎi)新器材. 可見(jiàn)，學(xué)生選課最注重的是實(shí)驗(yàn)條件的“易得性”，這與線下實(shí)驗(yàn)課中越簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)選課人數(shù)越多的現(xiàn)象有明顯差別. 從表1可以看出，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中缺少電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)，這也是居家物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的普遍性問(wèn)題[4,8]，主要原因是電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)需要的萬(wàn)用表等基本測(cè)量?jī)x器是學(xué)生居家普遍不具備的. 因此，今后開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室內(nèi)外、線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中最需要關(guān)注的是實(shí)驗(yàn)條件，盡量設(shè)計(jì)學(xué)生用現(xiàn)有的條件就能完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，或者直接為學(xué)生提供小型、低價(jià)的實(shí)驗(yàn)器材[3]. 例如，南開(kāi)大學(xué)光學(xué)課程為學(xué)生配備了激光筆，為疫情期間開(kāi)展相關(guān)的居家實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了良好條件[4].

2)“趣味性”是學(xué)生選做實(shí)驗(yàn)的重要因素. 例如，第1批推出的聲學(xué)系列實(shí)驗(yàn)3～5引起了學(xué)生的極大興趣，實(shí)驗(yàn)4和5的選做比例都很高，通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)聲音尤其是樂(lè)音有了科學(xué)的認(rèn)識(shí)，而第2批推出的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)21和22盡管簡(jiǎn)單易行但選課人數(shù)卻很少，因?yàn)槎鄶?shù)學(xué)生轉(zhuǎn)而嘗試其他感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目. 比較實(shí)驗(yàn)8，9，13和14這4個(gè)激光衍射實(shí)驗(yàn)也容易看出，盡管光柵衍射實(shí)驗(yàn)要求的內(nèi)容最多，但選課人數(shù)也多，因?yàn)橥ㄟ^(guò)衍射方法測(cè)量光盤(pán)容量和手機(jī)屏幕分辨率的內(nèi)容更容易引起學(xué)生的興趣. 令人比較意外的是實(shí)驗(yàn)20這個(gè)看似“乏味”的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)(該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的工作量很大)，選課人數(shù)卻很多，學(xué)生在理論課中都學(xué)過(guò)隨機(jī)誤差的分布規(guī)律，但是對(duì)親自驗(yàn)證這個(gè)規(guī)律仍然具有濃厚的興趣. 正如1位學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中所說(shuō)：“說(shuō)實(shí)話，一開(kāi)始我對(duì)隨機(jī)誤差是有點(diǎn)懷疑的，但實(shí)際情況出乎我的意料. 這也提醒我對(duì)于物理問(wèn)題不要用生活經(jīng)驗(yàn)想當(dāng)然地下結(jié)論，只有親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)才能發(fā)現(xiàn)生活中的現(xiàn)象都是符合物理規(guī)律的.” 可見(jiàn)，興趣是最好的老師，新穎、有趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)學(xué)生更有吸引力.

3)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的難易程度也是影響選課結(jié)果的因素. 實(shí)驗(yàn)12和18所需的條件是居家容易獲得的，實(shí)驗(yàn)12甚至是直接從玩具改造而來(lái)的，但是因?yàn)榇罱▽?shí)驗(yàn)裝置或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)處理等方面較復(fù)雜，而且難度很大，導(dǎo)致這2個(gè)實(shí)驗(yàn)的選課人數(shù)較少. 這說(shuō)明在具備實(shí)驗(yàn)條件和滿足自身興趣的前提下，如果有足夠的選擇空間，學(xué)生仍然會(huì)避重就輕，選擇相對(duì)容易完成的實(shí)驗(yàn).

5 結(jié)束語(yǔ)

疫情期間推出的以“真做實(shí)測(cè)，寓教于樂(lè)”為特色的居家DIY物理實(shí)驗(yàn)課程取得了良好的教學(xué)效果，這得益于物理實(shí)驗(yàn)中心多年來(lái)在DIY自主創(chuàng)新性物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)方面的積累[14]. 近年來(lái)的線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐表明：DIY物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一方面能夠使學(xué)生深度參與到實(shí)驗(yàn)課程中來(lái)，從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的被動(dòng)學(xué)習(xí)方式向自己動(dòng)手設(shè)計(jì)、搭建實(shí)驗(yàn)裝置、分析測(cè)試結(jié)果的主動(dòng)探究式學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變，另一方面能夠與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和理論聯(lián)系實(shí)際的能力. 本學(xué)期的居家物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐說(shuō)明:實(shí)驗(yàn)室外的物理實(shí)驗(yàn)課程在一定程度上改變了學(xué)生學(xué)習(xí)和認(rèn)知的方式，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)和人才培養(yǎng)方式的改革提供了新的契機(jī);有助于促進(jìn)由“教師中心”向“學(xué)生中心”的轉(zhuǎn)變，從過(guò)去注重教師“我教了什么”到更加注重學(xué)生“我學(xué)到了什么”，引導(dǎo)學(xué)生探究式與個(gè)性化學(xué)習(xí)，從而培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力. 后疫情時(shí)代的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)外、線上線下混合式物理實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)當(dāng)?shù)玫匠浞种匾?，開(kāi)展此類實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作時(shí)，應(yīng)在保證學(xué)生具備實(shí)驗(yàn)條件的前提下設(shè)計(jì)兼具科學(xué)性和趣味性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)權(quán)衡實(shí)驗(yàn)的難易程度，提出不同層次的實(shí)驗(yàn)要求，吸引學(xué)生參與到課程學(xué)習(xí)中來(lái)，通過(guò)主動(dòng)的探究性學(xué)習(xí)提升理論聯(lián)系實(shí)際能力，更好地發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的作用.

致謝：感謝在“哈工大宅家實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)”上對(duì)“居家DIY物理實(shí)驗(yàn)”課程進(jìn)行點(diǎn)評(píng)的專家張?jiān)雒鹘淌?、蔡志崗教授和李雪春教授，以及交流?huì)主持人李金環(huán)教授. 感謝在“黑龍江省高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)研討會(huì)”和“哈工大一校三區(qū)青年教師在線教學(xué)交流會(huì)”上對(duì)居家物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提出寶貴意見(jiàn)的各位同仁. 感謝《物理實(shí)驗(yàn)》雜志公眾號(hào)對(duì)哈爾濱工業(yè)大學(xué)居家物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的推介. 感謝各線上交流群、網(wǎng)站、公眾號(hào)等為居家物理實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)提供的有益參考.