人機(jī)料法環(huán)模式下大學(xué)物理實驗教學(xué)研究*

張 蕓

(陸軍步兵學(xué)院理化教研室 江西 南昌 330103)

大學(xué)物理實驗是軍隊院校高等教育學(xué)員的一門必修通用基礎(chǔ)課，它對于培養(yǎng)學(xué)員觀察分析物理實驗現(xiàn)象、運用實驗研究物理問題的能力，養(yǎng)成理論聯(lián)系實際、實事求是的科學(xué)作風(fēng)，勇于探索、認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度具有深遠(yuǎn)的意義[1,2].深入貫徹習(xí)近平強(qiáng)軍思想，全面貫徹新時代軍事教育方針，適應(yīng)“三位一體”新型軍事人才培養(yǎng)體系建設(shè)需求，結(jié)合陸軍步兵學(xué)院的自身特點，大學(xué)物理實驗課程應(yīng)持續(xù)加力，厚實基礎(chǔ)，實現(xiàn)提質(zhì)增效發(fā)展，全面滿足培養(yǎng)高素質(zhì)新型步兵指揮軍官的目標(biāo)要求，為戰(zhàn)育人.

1 基于人機(jī)料法環(huán)模式大學(xué)物理實驗教學(xué)的問題分析

人機(jī)料法環(huán)是全面質(zhì)量管理理論中的5個影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素的簡稱[3].它不單被廣泛應(yīng)用于全面質(zhì)量管理研究領(lǐng)域，也在汽車專業(yè)情境教學(xué)[4]、應(yīng)用型高校工商管理專業(yè)實驗教學(xué)[5]、機(jī)械應(yīng)用型本科課程設(shè)置等方面[6]，有一定的應(yīng)用研究，但是非常有限，而且尚未發(fā)現(xiàn)該模式應(yīng)用于大學(xué)物理實驗教學(xué)的實踐研究，這也成為本文的切入點.由此，我們可嘗試使用人機(jī)料法環(huán)模式來分析大學(xué)物理實驗教學(xué)中的問題.陸軍步兵學(xué)院自2017年恢復(fù)高等學(xué)歷教育，大學(xué)物理實驗課程教學(xué)平穩(wěn)有序開展，但是大學(xué)物理實驗在教學(xué)中暴露出的問題存在分析不夠徹底，解決不夠到位的現(xiàn)象.因此，全面分析大學(xué)物理實驗教學(xué)中存在的問題尤為重要.下面就從人、機(jī)、料、法、環(huán)5個方面進(jìn)行詳細(xì)分析.

1.1 人的分析

1.1.1 教員

人的參與者主要是教員和學(xué)員.教員在教學(xué)中為戰(zhàn)育人思想體現(xiàn)的不夠明顯.大學(xué)物理實驗任課教員多為地方高校畢業(yè)后直接從教，對部隊了解較少，軍事素養(yǎng)水平不夠，為戰(zhàn)育人的思想體現(xiàn)的不夠明顯.

1.1.2 學(xué)員

學(xué)員基礎(chǔ)參差不齊.授課對象為大二高等教育學(xué)員，包括直接參加全國統(tǒng)一高考錄取的高中理科生學(xué)員和通過全軍考試招錄的士兵學(xué)員.兩者學(xué)習(xí)背景差別較大，基礎(chǔ)不一.

1.2 機(jī)的分析

機(jī)是指實驗中的各類儀器設(shè)備.實驗中儀器損壞較多，有的屬于正常損耗，例如鈉燈、汞燈、激光器等光源故障，也有的是人為導(dǎo)致的，主要是未按規(guī)程操作導(dǎo)致的損壞，特別是計量器具，如螺旋測微器.

1.3 料的分析

料包括教學(xué)中的教學(xué)內(nèi)容和實驗中的易耗品.教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置源于培養(yǎng)理工科學(xué)士，通用于軍隊院校，理論性較強(qiáng)，與課程思政和軍事應(yīng)用融合的不夠緊密，與學(xué)員未來任職需求有差距.另外，實驗中易耗品的管理還需進(jìn)一步規(guī)范，特別是金屬類、電子類器材.由于南方天氣潮濕，容易導(dǎo)致金屬生銹或儀器故障.

1.4 法的分析

法與教學(xué)中的教學(xué)方法、手段相關(guān)聯(lián).在教學(xué)中，側(cè)重理論知識的傳授，為了在規(guī)定的時限內(nèi)完成教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容，基本按照實驗背景、原理、儀器和步驟的流程進(jìn)行講述[7]，方法較為傳統(tǒng).另外，基本上都是先理論講述，后實驗操作，手段較為單一.教員講的多，而學(xué)員實操較少，“學(xué)員為中心”體現(xiàn)的不明顯.

1.5 環(huán)的分析

環(huán)主要涉及學(xué)習(xí)氛圍.軍校學(xué)員平時除了文化課程的學(xué)習(xí)，還有軍事體能訓(xùn)練，學(xué)習(xí)任務(wù)和訓(xùn)練繁重.而且部分學(xué)員對大學(xué)物理實驗不夠重視，存在預(yù)習(xí)不到位、課堂互動不活躍、上課打瞌睡或走神、數(shù)據(jù)處理記錄和處理不規(guī)范、實驗報告完成質(zhì)量不高等現(xiàn)象，學(xué)習(xí)氛圍不夠濃.

2 基于人機(jī)料法環(huán)模式大學(xué)物理實驗教學(xué)的設(shè)計思路

文獻(xiàn)[4]提出將人機(jī)料法環(huán)滲透到汽車專業(yè)教學(xué)情境中，通過對學(xué)生、設(shè)備、材料、方法、環(huán)境的充分分析及效能的發(fā)揮，讓項目教學(xué)的老師積極啟發(fā)學(xué)生采取新思維學(xué)會學(xué)習(xí)、善于學(xué)習(xí).其研究思路為大學(xué)物理實驗教學(xué)研究提供了有力指引.因此，針對大學(xué)物理實驗教學(xué)中在人機(jī)料法環(huán)方面存在的問題，我們選取典型性的基礎(chǔ)實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”為例，從人機(jī)料法環(huán)方面開展全面的大學(xué)物理實驗教學(xué)研究，同時自然融入思政元素和軍事應(yīng)用，努力提升大學(xué)物理實驗教學(xué)質(zhì)量水平，全面滿足培養(yǎng)高素質(zhì)新型步兵指揮軍官的目標(biāo)要求.

3 基于人機(jī)料法環(huán)模式大學(xué)物理實驗教學(xué)的實例探討

3.1 主導(dǎo)的人——教員

堅持以學(xué)員為中心，教員為主導(dǎo)，充分發(fā)揮教員的主導(dǎo)作用，在熟練掌握教學(xué)內(nèi)容和熟曉儀器操作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入挖掘思政元素，自然融入軍事應(yīng)用，與學(xué)員未來任職需求相聯(lián)系，服務(wù)于培養(yǎng)高素質(zhì)新型步兵指揮軍官的目標(biāo)要求.

3.1.1 教員要熟練掌握教學(xué)內(nèi)容

俗話說，教員要有一桶水，才能教給學(xué)員一碗水.教員必須要熟練掌握教材中的知識.具體可從以下2個方面進(jìn)行實施.

一方面，教員可嘗試從學(xué)員的角度，采取通讀教材的方法，對原理、儀器、操作進(jìn)行熟悉.如實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”中，教員可自己推導(dǎo)光杠桿法的原理，切身了解楊氏模量測定儀的調(diào)整和使用方法、光杠桿法、逐差法作為實驗的重難點知識難在哪，把握內(nèi)容主次，提煉精華部分，為教學(xué)的開展奠定基礎(chǔ).

另一方面，教員也要根據(jù)實際情況，提前做好預(yù)案.為了在課堂上能有效解決學(xué)員提出各種問題或遇到各種狀況，教員要在充分解讀教材基礎(chǔ)上，從學(xué)員的角度思考，可能存在疑問的地方.如實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”中，光杠桿法的不足之處在哪？還有沒有其他辦法測量楊氏模量？提前做好準(zhǔn)備.

3.1.2 教員要熟曉儀器操作

大學(xué)物理實驗作為一門實踐課，教會學(xué)員如何操作儀器開展實驗，是最基本的要求.作為教員更是應(yīng)該提前了解儀器的基本信息，掌握操作流程，明確注意事項，做好充分準(zhǔn)備，確保實驗的有序開展.實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”中，儀器設(shè)備包括楊氏模量測定儀、游標(biāo)卡尺、螺旋測微器、卷尺等.首先，教員要根據(jù)實驗儀器說明書和標(biāo)簽信息，了解儀器的規(guī)格參數(shù)，并根據(jù)教材中的實驗步驟，進(jìn)行操作，記錄并處理數(shù)據(jù).其次，根據(jù)教學(xué)實際情況，確定儀器操作中的注意事項.例如，操作螺旋測微器測量金屬絲直徑時，應(yīng)先旋轉(zhuǎn)粗調(diào)旋鈕至逼近被測物，然后改用細(xì)調(diào)旋鈕接觸被測物，至棘輪發(fā)出“咔咔”兩聲，進(jìn)行讀數(shù).而學(xué)員在操作時，往往直接使用粗調(diào)旋鈕直接擰緊，導(dǎo)致金屬絲實驗數(shù)據(jù)偏小，也使螺旋測微器損壞較多.因此，在教學(xué)中，可以將螺旋測微器的操作細(xì)則作為注意事項，適當(dāng)進(jìn)行強(qiáng)調(diào).

3.1.3 教員要深入挖掘思政元素

教學(xué)中思政元素的融入，能有效提高教學(xué)質(zhì)量，助力培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞娜瞬?思政元素包括社會主義核心價值觀、科學(xué)精神等，可以從課程的人文背景知識中挖掘，也可以通過實驗課程的開展進(jìn)行深入研究.實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”中，首先，從實驗相關(guān)的科學(xué)家入手.通過介紹楊氏模量提出者托馬斯·楊天賦異稟，卻又刻苦努力，在許多領(lǐng)域都有建樹，被譽(yù)為“世界上最后一個什么都知道的人”，以此激發(fā)學(xué)員謙虛、不要驕傲、努力拼搏的科學(xué)精神.其次，從實驗操作和數(shù)據(jù)記錄挖掘.例如，實驗的加力過程中，超出預(yù)加載力值時，不能反旋施力螺母，這個操作看似無關(guān)緊要，但是以彈性滯后的相關(guān)理論作為支撐，要求學(xué)員嚴(yán)格按要求操作，結(jié)合數(shù)據(jù)記錄中有效數(shù)字的取位、單位的書寫、表格的設(shè)計等情況，教員采取鼓勵、引導(dǎo)的方式，讓學(xué)員發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，以此培養(yǎng)學(xué)員大膽實驗、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度.

3.1.4 教員要恰當(dāng)融入軍事應(yīng)用

軍事應(yīng)用的融入，能體現(xiàn)教學(xué)為戰(zhàn)育人的特點，也能滿足學(xué)員未來任職的需要，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣.根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的基本概念和儀器特點，嘗試將軍事應(yīng)用融入到課程的方方面面.實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”中，首先由主要概念楊氏模量入手.楊氏模量主要用于表征材料的力學(xué)性能，楊氏模量越大，越不容易發(fā)生變形，剛性越好.各種軍用裝備設(shè)施離不開材料，可知楊氏模量與軍用裝備密切相關(guān).結(jié)合學(xué)院培養(yǎng)新型步兵指揮官這一特點，探討步兵分隊的常用配置機(jī)槍架在射擊過程中產(chǎn)生的彎曲變形與楊氏模量的聯(lián)系.然后，將儀器操作與學(xué)員的訓(xùn)練實踐相聯(lián)系.例如，將實驗中望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)與軍用望遠(yuǎn)鏡相結(jié)合，讓學(xué)員自己摸索望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)，教員適當(dāng)引導(dǎo)，然后總結(jié)操作細(xì)則和注意事項.

3.2 到位的機(jī)、料、環(huán)——儀器、易耗品、實驗室條件和學(xué)習(xí)氛圍

充足的儀器、易耗品和完善的實驗室條件，為實驗的順利開展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，體現(xiàn)在了日常的使用、維護(hù)和保養(yǎng)方面.教員在開課前對儀器設(shè)備的數(shù)量、使用狀態(tài)、精確程度等逐一進(jìn)行檢查，開課期間，及時記錄上報發(fā)現(xiàn)的問題，開課結(jié)束后，再次全面進(jìn)行檢查并記錄上報，確保后續(xù)實驗的正常運行.

實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”中，開課前嚴(yán)格按照實驗步驟，對每臺儀器都進(jìn)行實驗，得到金屬絲的楊氏模量，同時在測量的過程中，記錄哪些儀器加力時數(shù)值不穩(wěn)定、望遠(yuǎn)鏡中的標(biāo)尺像不水平、測量結(jié)果誤差較大等問題.根據(jù)實際情況，分析哪些能自己解決，如果有不能解決的問題，如儀器傳感器故障導(dǎo)致加力數(shù)值不穩(wěn)定，則總結(jié)上報給實驗室負(fù)責(zé)人，聯(lián)系專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù).其次，及時充實易耗品儲備.實驗中的易耗品有螺旋測微器、光杠桿裝置、金屬絲等，根據(jù)教學(xué)需求，提前做好采購需求.

另外，確保實驗室其他條件到位.實驗授課在專門的實驗教室開展，實驗室負(fù)責(zé)人要根據(jù)實驗的最大容納人數(shù)，核實教室的桌椅數(shù)量和使用情況及時調(diào)整，還需要對多媒體設(shè)施、空調(diào)、水電、衛(wèi)生條件等提前做好保障.

良好的學(xué)習(xí)氛圍，是教學(xué)活動開展的有力保障.通過參觀演示實驗，讓學(xué)員親身體驗、感受有趣的實驗現(xiàn)象，為物理實驗的學(xué)習(xí)打下積極的感情基礎(chǔ)；借助課程介紹和往期實驗競賽中取得的成果展示等，讓學(xué)員了解物理實驗的重要性，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)的興趣；課堂上采取多樣化的教學(xué)方式，增加課堂互動，提高課堂參與度；與學(xué)員隊干部、學(xué)員骨干溝通交流，強(qiáng)調(diào)課程的重要性，嚴(yán)格規(guī)范課堂秩序管理，通過檢查實驗預(yù)習(xí)情況、批閱實驗報告單、實驗成績反饋等方式，提高學(xué)員的重視程度.

3.3 恰當(dāng)?shù)姆ā虒W(xué)方法和教學(xué)手段

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)情，在理論部分，采用多媒體教學(xué)，結(jié)合講授、儀器演示、提問互動等方式，引導(dǎo)學(xué)員分析問題，解決問題.實踐部分，以學(xué)員動手為主，教員輔助指導(dǎo)，鼓勵學(xué)員多思考、多動手、多實踐，培養(yǎng)學(xué)員的動手實踐能力.結(jié)合學(xué)員基礎(chǔ)參差不齊的情況，以及實驗課程的特點，主要采取如下的方法：

(1)以問題為牽引，采用激勵措施激發(fā)學(xué)習(xí)熱情

根據(jù)“是什么、為什么、怎么辦”的邏輯思維，提出實驗的主要問題，再結(jié)合目標(biāo)、課程思政和軍事應(yīng)用要求，拆分小問題，由簡入難，環(huán)環(huán)相扣，逐步遞進(jìn)，以問題為牽引，開展教學(xué)活動，激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)習(xí)的積極性和主動性，提升學(xué)員的綜合素養(yǎng).實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”中，提出“什么是楊氏模量?楊氏模量有哪些用途?如何通過拉伸法測得楊氏模量?”3個大問題.在“什么是楊氏模量?”中，分解出“哪位科學(xué)家提出了楊氏模量？”，積極融入思政元素；在“楊氏模量有哪些用途?”中，以軍事應(yīng)用為導(dǎo)向，體現(xiàn)軍事特色；在“如何通過拉伸法測得楊氏模量?”中，拆分成“楊氏模量測定儀由哪些部件組成?望遠(yuǎn)鏡如何進(jìn)行調(diào)節(jié)?實驗的工作原理是什么?”等問題.恰當(dāng)融入軍事應(yīng)用，借助提問互動和加分獎勵，鼓勵學(xué)員積極回答問題.然后，教員通過黑板板書或PPT演示總結(jié)歸納，兼顧基礎(chǔ)較弱的學(xué)員.

(2)以學(xué)員為中心，嘗試采用先實驗操作后原理總結(jié)

參考通過現(xiàn)象觀察揭示物理規(guī)律的研究思路，嘗試先實驗操作后原理總結(jié)的方法，讓學(xué)員多動手，多實踐，體現(xiàn)以學(xué)員為中心.實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”中，首先，以提出的3個大問題為牽引，依次講述實驗背景、儀器、步驟、數(shù)據(jù)處理，開展實驗操作.在實驗操作的過程中，穿插問題引導(dǎo)，例如，讓較快調(diào)試好儀器的學(xué)員講述自己的經(jīng)驗，教員再加以適當(dāng)歸納，鼓勵其他學(xué)員主動獨立完成實驗.然后，數(shù)據(jù)記錄中，以異常數(shù)據(jù)為例，指引學(xué)員正確操作儀器.例如，某學(xué)員測量光杠桿常數(shù)為67.13 mm.由于實驗要求使用游標(biāo)卡尺測量光杠桿常數(shù)，游標(biāo)卡尺的精度為0.02 mm，由此可知測量值異常，分析可能是利用了直尺測量或者不會使用游標(biāo)卡尺進(jìn)行正確讀數(shù)，這就需要教員了解情況，采取適當(dāng)?shù)慕鉀Q辦法.最后，在完成楊氏模量測量的基礎(chǔ)上，通過提問互動，讓學(xué)員自己結(jié)合自己的操作流程，來總結(jié)實驗儀器的工作原理，更好地理解實驗設(shè)計的初衷.

(3)以人機(jī)料法環(huán)模式，開展實驗誤差分析

在實驗報告的誤差分析撰寫中，多數(shù)學(xué)員無從下筆，或者分析不全面不徹底，在此可引導(dǎo)學(xué)員基于人機(jī)料法環(huán)模式，對實驗誤差來源進(jìn)行分析.實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”中，對比楊氏模量測量值和理論值的差異，分析誤差來源的思路如下：

人，主要與學(xué)員有關(guān)，如操作習(xí)慣、個人判別能力、知識儲備等；

機(jī)，指實驗中的儀器設(shè)備，楊氏模量測定儀和測量工具的精確度、靈敏度、穩(wěn)定性等；

料，指實驗中的金屬絲，如金屬絲生銹、直徑分布不均勻、彎折等；

法，主要指實驗中測量的原理方法，如實驗中光杠桿法測量的前提是θ角很小，而實際操作中光杠桿前后足之間的距離比較近時，則會產(chǎn)生誤差；

環(huán)，指實驗環(huán)境的影響，如實驗臺面是否平穩(wěn)無振動、測試時是否無風(fēng)、溫度是否穩(wěn)定等.

4 結(jié)論

基于全面質(zhì)量管理理論中的人機(jī)料法環(huán)模式，對大學(xué)物理實驗教學(xué)中存在的問題進(jìn)行了較為全面的分析，以基礎(chǔ)性實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”為例，通過發(fā)揮教員的主導(dǎo)作用，儀器、易耗品、實驗室條件和環(huán)境的到位協(xié)助，教學(xué)方法和教學(xué)手段的恰當(dāng)應(yīng)用，探討了如何有效開展大學(xué)物理實驗教學(xué).但是由于實踐經(jīng)驗還不夠充足，后續(xù)還需要不斷實踐探索，汲取經(jīng)驗教訓(xùn)，不斷提升大學(xué)物理實驗教學(xué)質(zhì)量，全面滿足培養(yǎng)高素質(zhì)新型步兵指揮軍官的目標(biāo)要求.