應用型本科大學物理實驗課的常見問題與解決方法的探討

曾媛 姚旭峰 林偉民

[摘 要] 針對應用型本科大學物理實驗課存在的基礎知識不熟悉和學生實驗過程缺乏獨立思考的兩個常見問題，從多方面、多角度分析了原因，提出了開設單獨的緒論實驗課、課前預習微視頻和翻轉課堂等解決方法。通過實踐證明，引入單獨緒論實驗課、課前預習微視頻和翻轉課堂等方法，能明顯有效地提高學生的自主學習能力和動手能力，并極大地提高了大學物理實驗課的教學效果。

[關鍵詞] 大學物理實驗課;緒論課;課前預習;翻轉課堂

[作者簡介] 曾 媛（1982—），女，江西吉安人，碩士，上海健康醫(yī)學院醫(yī)學影像學院工程師，主要從事光學儀器研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）05-0086-04 [收稿日期] 2021-08-21

“大學物理實驗”是一門理論與實踐相結合的基礎課程，在掌握物理理論的基礎上，具有豐富的實驗思想和實驗方法，又能提供綜合性很強的基本實驗技能的訓練，是提高學生科學實踐能力和動手能力，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識的一門重要課程。做好大學物理實驗，對培養(yǎng)學生的物理思維、探索創(chuàng)新精神具有重要意義。然而，隨著大學物理實驗教學改革，實驗課時不斷壓縮和精簡，導致大學物理實驗課的問題增多[1]。下面以上海某一應用型本科大學的大學物理實驗課程為例，簡述大學物理實驗課普遍存在的問題，并探討其解決方法。

一、大學物理實驗課存在的問題

（一）實驗基礎知識不熟練

誤差、不確定度、有效數(shù)字運算和數(shù)據(jù)處理是大學物理實驗課的基礎知識，是每一個實驗都會運用到的通用知識，然而在實驗過程中學生普遍存在誤差和有效數(shù)字處理知識掌握不牢、處理錯誤的問題。學生提交的實驗原始測量數(shù)據(jù)和實驗報告存在誤差，有效數(shù)字的記錄和運算錯誤率都很高。

（二）實驗課缺乏獨立思考能力

實驗課不同于理論課，其要求學生在規(guī)定的課時內(nèi)，得出實驗數(shù)據(jù)，并提交實驗原始數(shù)據(jù)，因此學生在實驗過程中，遇到困難或問題，多是求助于教師或同學，而不會自己查閱書本或資料，獨立思考嘗試解決問題。

二、原因分析

（一）實驗基礎知識不熟練的三個原因

1.大學物理課程課時有限，沒有專門課時用于實驗基礎知識。以上海某一應用型本科大學的大學物理實驗課為例，該大學物理實驗課共12個課時，需完成3個實驗，每個實驗4個課時，沒有專門的課時用于實驗基礎知識的講解，導致教師只能用每個實驗的前1～2個課時快速講授基礎知識。

2.大學物理實驗基礎知識較多且難度較大。大學物理實驗基礎知識常見的有誤差、標準差、不確定度、有效數(shù)字和數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，這些內(nèi)容不僅知識點較多，而且知識難度不低。以有效數(shù)字及其運算法則為例，從有效數(shù)字的位數(shù)、所用儀器的精度和尾數(shù)取舍修約等概念，到有效數(shù)字的加減法、三角函數(shù)等運算規(guī)則，每一項內(nèi)容都可以作為一個內(nèi)容豐富、推理嚴謹?shù)膶ｎ}來講。然而，受限于課時，這些豐富且實用性較強的實驗基礎知識，只能壓縮到1～2個課時來快速講解，導致學生無法深入理解知識點。

3.學生預習不充分。物理實驗基礎知識較多且難度較大，因此需要學生在課前認真預習，通過預習，自學簡單的基礎知識，將復雜或者抽象的疑難知識點記錄下來，反饋給教師，這樣教師就可以在有限的課時內(nèi)，重點講解具有普遍性的問題。然而，目前的狀況是很少有學生對實驗課進行預習，比起理論課，他們認為實驗課只要測出數(shù)據(jù)就可以了。

（二）學生在實驗課缺乏獨立思考能力的主要原因

1.學生依賴心理重。比起理論課，側重操作和儀器使用的實驗課的課堂氣氛比較活躍，學生不會像上理論課那樣緊張，因此思維和精力不夠集中。他們認為，只要按照教師所教的實驗步驟操作，總會完成實驗的，這種依賴心理嚴重制約了學生做實驗的積極性和主動性。

2.實驗教師手把手教學生做實驗，沒有給學生摸索和試錯的機會。實驗教師出于實驗安全和保護實驗儀器設施的考慮，往往傾向于手把手教學生做實驗。一般是教師講解一個步驟，讓學生跟著操作一個步驟，這種按部就班的實驗教學方法，的確可以減少實驗的安全隱患，但也在很大程度上限制了學生獨立摸索和思考如何提高做實驗的能力，且學生無法理解實驗步驟后的原因。這種手把手教學生做實驗的方法，與開設大學物理實驗課程，通過實驗鍛煉學生的動手能力，啟發(fā)學生思考和創(chuàng)新思維的課程目標是相悖的。

3.傳統(tǒng)的大學物理實驗教學模式具有局限性。“大學物理實驗”是一門傳統(tǒng)且普遍開設的課程，目前國內(nèi)大學普遍的實驗教學方式是實驗教師先講述實驗原理，然后示范一遍，最后讓學生獨立完成一遍實驗[2]。在這種模式下，學生在做實驗時會出現(xiàn)依葫蘆畫瓢的問題，模仿實驗教師的示范步驟，遇到測不出來的數(shù)據(jù)或結果就舉手問教師求助的現(xiàn)象。

三、解決方法

（一）解決或改善學生掌握實驗基礎知識不熟練問題的方法

對上海某一應用型本科大學醫(yī)學院的學生采用以下方法，使學生掌握實驗基礎知識不熟練的現(xiàn)狀明顯得到改善。

1.增加大學物理實驗緒論課實驗。緒論課實驗一般按照4個課時設計，實驗教師利用前3～3.5課時講解大學物理實驗的基礎知識：可以利用一個簡單的小實驗作為實驗引入，如直徑和高度的測量實驗或游標卡尺的測量實驗。有了這些小實驗的數(shù)據(jù)引入，教師就可以具體地講解測量和誤差、不確定度評定、有效數(shù)字及其運算法則及數(shù)據(jù)處理等四大主要基礎知識。在具體實驗的基礎上講解實驗基礎知識，學生能更加容易理解和學習。

筆者以上海某一應用型本科大學2020級臨床工程技術專業(yè)1班和2班為例，1班增加一次大學物理實驗緒論課后再進行實驗課;2班不增加緒論課，直接進行第一次實驗課。

1班的實驗緒論課以下述方式開展：第一，引入實驗基礎知識。引入用螺旋測微計測量圓柱體的直徑和用游標卡尺測量圓柱體高度的測量實驗。在測量直徑和高度的過程中，可以教授學生如何規(guī)范地測量和讀數(shù)。通過兩個測量實驗，學生學會了儀器的精度、如何估讀數(shù)據(jù)、如何記錄數(shù)據(jù)，以及直接讀數(shù)時的有效數(shù)字和估讀數(shù)字等測量的基本知識。尤其是在測量圓柱體直徑和高度兩個物理量時，教師可以有意引入3～5個誤差較大的數(shù)據(jù)，從而引入誤差的概念。第二，引入不確定度的概念。不確定度是整個緒論最難的部分，完整而嚴密的不確定度表達涉及很廣的誤差理論和專業(yè)知識，已超出大學物理實驗課的學習范圍。在確?？茖W合理的前提下，結合物理實驗教學的實際情況，擬采用一種簡化的方法進行不確定度的表述，使初學者便于接受，對不確定度有一個基礎認知。通過演示圓柱體直徑D的平均值、圓柱體高度的平均值和圓柱體體積的三次計算，引入不確定度及不確定度的合成與傳遞，最后將測量結果的不確定度表示出來。通過實際演算，學生對不確定度有了具體的認知。第三，有效數(shù)字及其運算法則。在圓柱體的直徑、高度和體積三個物理量的平均值及不確定度的評定都完成的基礎上，學生已經(jīng)了解了有效數(shù)字的概念和記錄方法。在此基礎上，教師開始講解有效數(shù)字的一般概念和運算法則。有效數(shù)字的處理內(nèi)容較多，但是知識點不難，因此教師可以讓學生多做一些關于有效數(shù)字的練習題，以達到加深和強化有效數(shù)字運算規(guī)則的目的。第四，數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理是緒論的最后一部分，比較容易。教師根據(jù)大學物理實驗課的特點，選取逐差法、作圖法這兩種數(shù)據(jù)處理方法進行重點講解。

通過對比，1班在第二個實驗中，從測量、讀數(shù)、原始數(shù)據(jù)記錄到有效數(shù)字處理的錯誤率約為10%，而2班在第二個實驗中，數(shù)據(jù)記錄和處理的錯誤率為30%。由此可見，增加一堂單獨的實驗緒論課對大學物理實驗的學習有十分明顯的幫助和提升。

2.課前預習視頻與課前多次講解。對于沒條件增加課時的學校，可以采取課前預習視頻和課前多次講解的方法。課前預習視頻是指實驗教師在第一次實驗課的前一周，提前錄制好大學物理實驗課基礎知識的講解視頻，并發(fā)給學生，讓學生通過視頻提前預習實驗基礎知識。對于錄制預習視頻，教師既可以自己制作，也可以對MOOC、微課等公開網(wǎng)絡教學資源進行合并和刪減，結合需講授的實驗基礎知識制作預習視頻。學生既可以反復觀看預習視頻，還可以根據(jù)自己的進度調節(jié)播放速度，因此學生通過視頻學習實驗基礎知識，比看實驗課教材更有效。

基于學生對基礎知識的預習，教師在每次實驗課的前半節(jié)課中，以對學生進行提問或小測驗等方式檢驗學生對知識的掌握程度。對通過提問或測驗發(fā)現(xiàn)的難點和薄弱點，教師可以再次當堂面授。這樣通過多次課前講解的方式，可以反復加深學生對難點和薄弱點的理解和掌握，以達到學生完全掌握實驗基礎知識的教學目標。

（二）解決學生缺乏獨立思考能力的方法

1.引入翻轉課堂。翻轉課堂是當前大學物理實驗教學中應用頻率比較高的一種教學模式，其是建立在互聯(lián)網(wǎng)與多媒體先進科學技術基礎之上的一種新型教學模式。翻轉課堂一舉打破了傳統(tǒng)教學的時空限制，為大學物理實驗教學開辟了一個全新的發(fā)展空間[3]。在大學物理實驗課中引入翻轉課堂，首先要制作微課視頻。教師分段錄制微課視頻，每段視頻控制在5～10分鐘，每段視頻都要留下思考題。提前將微課視頻發(fā)給學生，讓學生進行預習。在發(fā)布視頻的同時，告知學生盡可能地掌握視頻里的知識，并完成思考題，實驗課堂隨機抽取10名學生上臺講課。

實驗課開始后，第一節(jié)課設置為翻轉課堂，讓學生替代教師上講臺授課，請10名左右的學生，每人講5分鐘。這樣學生在講臺上完成了實驗的講解，教師則記錄上臺講課的學生的表現(xiàn)，如其對知識講解的正確度、思考題的理解程度等。這種通過微視頻預習和學生講解的方式，讓學生變被動為主動，學生為了臺上的5分鐘，必然會反復觀看視頻，反復演練如何組織語言講解實驗。

通過翻轉課堂，教師可以總結和發(fā)現(xiàn)學生對于該實驗的難點和薄弱點，并針對這些難點和薄弱點進行專門的講解，這樣既避免了教師全程“填鴨式”灌輸，又提高了學生的聽課效率。

2.筆者以“拉伸法測楊氏模量”的實驗為例，對上海某應用型本科大學臨床醫(yī)學專業(yè)1班采用翻轉課堂的方式，2班采用傳統(tǒng)的教師講解的方式。通過對比，可以看到采用翻轉課堂方式的1班學生的學習效果顯著高于2班。

針對臨床醫(yī)學專業(yè)1班的學生，教師用Camtasia studio或愛剪輯等軟件將“拉伸法測楊氏模量”錄制成4個小視頻，每段視頻約10分鐘，整個實驗預習視頻共計40分鐘。在實驗視頻中，教師留下2～3道思考題。要求學生結合視頻、實驗教材及相關資料進行預習，并完成思考題。在實驗課上隨機抽取10名學生上臺講課。

實驗課開始后，采用學生主動舉手或隨機點名等方式，請10名學生上臺講課，每人講5分鐘，采用接龍講課的方式，在約50分鐘內(nèi)合力完成一個實驗的講解，這一步是整個翻轉課堂的關鍵所在。在10名學生進行接龍講解實驗的過程中，教師要全程記錄每一位學生的表現(xiàn)，具體記錄以下幾個方面：（1）講解正確的部分;（2）講解有誤的部分;（3）沒講清楚的問題;（4）遺漏的問題。隨后教師總結出普遍性的問題?；?0名學生的講課表現(xiàn)，教師總結1班學生的整體預習程度和普遍性的問題，教師根據(jù)這些普遍性的問題，利用第二節(jié)課的半節(jié)課再次重點講解。

1班學生獨立完成“拉伸法測楊氏模量”實驗。1班學生進行現(xiàn)場操作實驗，一人一組獨立完成實驗。每個學生進行實驗操作、設計記錄表格、記錄數(shù)據(jù)、判斷實驗結果、分析誤差原因等步驟。當學生在實驗過程中遇到困難時，可以和同學討論交流，或利用教師提供的教學文檔、教學視頻解決問題。在學生進行實驗操作的過程時，教師要觀察和記錄每一位學生的實驗操作表現(xiàn)。

針對臨床醫(yī)學2班，教師不采用翻轉課堂，仍沿用傳統(tǒng)的實驗教學方式，即教材預習，教師講解實驗原理和過程，學生獨立做實驗的模式。

通過對比實驗發(fā)現(xiàn)，臨床醫(yī)學1班的學生在獨立操作實驗的過程中，只有1位學生舉手求助了教師，而臨床醫(yī)學2班的學生中有9位學生舉手求助了教師。實踐證明，基于翻轉課堂的大學物理實驗教學模式能有效地降低學生的求助率，提高實驗的教學效率和教學效果。

3.教師要“舍得放手”。大學物理實驗課是鍛煉大學生的動手和動腦能力的課程。教師要“舍得放手”，讓學生自己摸索和試錯。學生是實驗的主體，遇到問題要讓學生自導，促進自主實驗的進行，即要讓學習好的、動手能力強的學生當“輔導員”，為動手能力差的學生導學，調動其積極性，讓其會做實驗。若有錯誤要讓他們自我改正，從失敗的教訓中悟出道理，總結正反兩方面的經(jīng)驗教訓，留下深刻的印象。故在做實驗時，教師不要包辦，應讓學生動手獨立操作，增強其自尊心和自信心，克服懶惰和依賴心理[4]。

當然，自主實驗要注意加強師生之間、學生之間的合作，在和諧愉快的氣氛中，盡量調動學生進行實驗的主動性和創(chuàng)造性[5]。愛因斯坦曾經(jīng)說過：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決一個問題也許是一個數(shù)學上或實驗上的技能問題，而提出新的問題、新的可能性，從新的角度看舊問題，卻需要創(chuàng)造性的想象力，而且標志著科學的真正進步?！惫试趯嶒炛?，教師要發(fā)揮主導作用，要善于引導學生發(fā)現(xiàn)問題與提出問題、探索問題與解決問題，例如讓學生提出改進實驗或設計新的實驗，以探索新的問題;要針對學生實驗操作的情況及提出的問題，及時補充問題，要求學生回答或者再做某些補充實驗操作，要當面對每個學生進行實驗講評及成績評定，指出學生掌握知識和實驗操作、實驗修養(yǎng)等方面的優(yōu)缺點等，并提出今后進一步努力的方向。

大學物理實驗課是鍛煉學生自主學習能力、實驗動手能力、創(chuàng)新能力的最佳課程，為了讓這門課程的優(yōu)勢和作用發(fā)揮出來，我們對目前大學物理實驗課程的兩個常見問題加以分析，提出了增加緒論課實驗、實施翻轉課堂教學模式等解決辦法，為解決大學物理實驗課目前存在的這兩個常見問題，提供了參考。但也仍存在不完善之處，如教師如何保證學生的預習效果、如何設計思考題、如何激發(fā)學生的學習主動性，以及如何開發(fā)高質量的視頻等問題，還需要廣大大學物理實驗教師和實驗教學管理部門的不斷探索及研究。

參考文獻

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