[出处] 教育教学论坛_2022年第5期

曾媛 姚旭峰 林伟民

[关键词] 大学物理实验课;绪论课;课前预习;翻转课堂

[作者简介] 曾 媛（1982—），女，江西吉安人，硕士，上海健康医学院医学影像学院工程师，主要从事光学仪器研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）05-0086-04 [收稿日期] 2021-08-21

“大学物理实验”是一门理论与实践相结合的基础课程，在掌握物理理论的基础上，具有丰富的实验思想和实验方法，又能提供综合性很强的基本实验技能的训练，是提高学生科学实践能力和动手能力，培养学生创新意识的一门重要课程。做好大学物理实验，对培养学生的物理思维、探索创新精神具有重要意义。然而，随着大学物理实验教学改革，实验课时不断压缩和精简，导致大学物理实验课的问题增多[1]。下面以上海某一应用型本科大学的大学物理实验课程为例，简述大学物理实验课普遍存在的问题，并探讨其解决方法。

一、大学物理实验课存在的问题

（一）实验基础知识不熟练

误差、不确定度、有效数字运算和数据处理是大学物理实验课的基础知识，是每一个实验都会运用到的通用知识，然而在实验过程中学生普遍存在误差和有效数字处理知识掌握不牢、处理错误的问题。学生提交的实验原始测量数据和实验报告存在误差，有效数字的记录和运算错误率都很高。

（二）实验课缺乏独立思考能力

实验课不同于理论课，其要求学生在规定的课时内，得出实验数据，并提交实验原始数据，因此学生在实验过程中，遇到困难或问题，多是求助于教师或同学，而不会自己查阅书本或资料，独立思考尝试解决问题。

二、原因分析

（一）实验基础知识不熟练的三个原因

1.大学物理课程课时有限，没有专门课时用于实验基础知识。以上海某一应用型本科大学的大学物理实验课为例，该大学物理实验课共12个课时，需完成3个实验，每个实验4个课时，没有专门的课时用于实验基础知识的讲解，导致教师只能用每个实验的前1～2个课时快速讲授基础知识。

2.大学物理实验基础知识较多且难度较大。大学物理实验基础知识常见的有误差、标准差、不确定度、有效数字和数据处理等内容，这些内容不仅知识点较多，而且知识难度不低。以有效数字及其运算法则为例，从有效数字的位数、所用仪器的精度和尾数取舍修约等概念，到有效数字的加减法、三角函数等运算规则，每一项内容都可以作为一个内容丰富、推理严谨的专题来讲。然而，受限于课时，这些丰富且实用性较强的实验基础知识，只能压缩到1～2个课时来快速讲解，导致学生无法深入理解知识点。

3.学生预习不充分。物理实验基础知识较多且难度较大，因此需要学生在课前认真预习，通过预习，自学简单的基础知识，将复杂或者抽象的疑难知识点记录下来，反馈给教师，这样教师就可以在有限的课时内，重点讲解具有普遍性的问题。然而，目前的状况是很少有学生对实验课进行预习，比起理论课，他们认为实验课只要测出数据就可以了。

（二）学生在实验课缺乏独立思考能力的主要原因

1.学生依赖心理重。比起理论课，侧重操作和仪器使用的实验课的课堂气氛比较活跃，学生不会像上理论课那样紧张，因此思维和精力不够集中。他们认为，只要按照教师所教的实验步骤操作，总会完成实验的，这种依赖心理严重制约了学生做实验的积极性和主动性。

2.实验教师手把手教学生做实验，没有给学生摸索和试错的机会。实验教师出于实验安全和保护实验仪器设施的考虑，往往倾向于手把手教学生做实验。一般是教师讲解一个步骤，让学生跟着操作一个步骤，这种按部就班的实验教学方法，的确可以减少实验的安全隐患，但也在很大程度上限制了学生独立摸索和思考如何提高做实验的能力，且学生无法理解实验步骤后的原因。这种手把手教学生做实验的方法，与开设大学物理实验课程，通过实验锻炼学生的动手能力，启发学生思考和创新思维的课程目标是相悖的。

3.传统的大学物理实验教学模式具有局限性。“大学物理实验”是一门传统且普遍开设的课程，目前国内大学普遍的实验教学方式是实验教师先讲述实验原理，然后示范一遍，最后让学生独立完成一遍实验[2]。在这种模式下，学生在做实验时会出现依葫芦画瓢的问题，模仿实验教师的示范步骤，遇到测不出来的数据或结果就举手问教师求助的现象。

三、解决方法

（一）解决或改善学生掌握实验基础知识不熟练问题的方法

对上海某一应用型本科大学医学院的学生采用以下方法，使学生掌握实验基础知识不熟练的现状明显得到改善。

1.增加大学物理实验绪论课实验。绪论课实验一般按照4个课时设计，实验教师利用前3～3.5课时讲解大学物理实验的基础知识：可以利用一个简单的小实验作为实验引入，如直径和高度的测量实验或游标卡尺的测量实验。有了这些小实验的数据引入，教师就可以具体地讲解测量和误差、不确定度评定、有效数字及其运算法则及数据处理等四大主要基础知识。在具体实验的基础上讲解实验基础知识，学生能更加容易理解和学习。

笔者以上海某一应用型本科大学2020级临床工程技术专业1班和2班为例，1班增加一次大学物理实验绪论课后再进行实验课;2班不增加绪论课，直接进行第一次实验课。

1班的实验绪论课以下述方式开展：第一，引入实验基础知识。引入用螺旋测微计测量圆柱体的直径和用游标卡尺测量圆柱体高度的测量实验。在测量直径和高度的过程中，可以教授学生如何规范地测量和读数。通过两个测量实验，学生学会了仪器的精度、如何估读数据、如何记录数据，以及直接读数时的有效数字和估读数字等测量的基本知识。尤其是在测量圆柱体直径和高度两个物理量时，教师可以有意引入3～5个误差较大的数据，从而引入误差的概念。第二，引入不确定度的概念。不确定度是整个绪论最难的部分，完整而严密的不确定度表达涉及很广的误差理论和专业知识，已超出大学物理实验课的学习范围。在确保科学合理的前提下，结合物理实验教学的实际情况，拟采用一种简化的方法进行不确定度的表述，使初学者便于接受，对不确定度有一个基础认知。通过演示圆柱体直径D的平均值、圆柱体高度的平均值和圆柱体体积的三次计算，引入不确定度及不确定度的合成与传递，最后将测量结果的不确定度表示出来。通过实际演算，学生对不确定度有了具体的认知。第三，有效数字及其运算法则。在圆柱体的直径、高度和体积三个物理量的平均值及不确定度的评定都完成的基础上，学生已经了解了有效数字的概念和记录方法。在此基础上，教师开始讲解有效数字的一般概念和运算法则。有效数字的处理内容较多，但是知识点不难，因此教师可以让学生多做一些关于有效数字的练习题，以达到加深和强化有效数字运算规则的目的。第四，数据处理模块。数据处理是绪论的最后一部分，比较容易。教师根据大学物理实验课的特点，选取逐差法、作图法这两种数据处理方法进行重点讲解。

通过对比，1班在第二个实验中，从测量、读数、原始数据记录到有效数字处理的错误率约为10%，而2班在第二个实验中，数据记录和处理的错误率为30%。由此可见，增加一堂单独的实验绪论课对大学物理实验的学习有十分明显的帮助和提升。

2.课前预习视频与课前多次讲解。对于没条件增加课时的学校，可以采取课前预习视频和课前多次讲解的方法。课前预习视频是指实验教师在第一次实验课的前一周，提前录制好大学物理实验课基础知识的讲解视频，并发给学生，让学生通过视频提前预习实验基础知识。对于录制预习视频，教师既可以自己制作，也可以对MOOC、微课等公开网络教学资源进行合并和删减，结合需讲授的实验基础知识制作预习视频。学生既可以反复观看预习视频，还可以根据自己的进度调节播放速度，因此学生通过视频学习实验基础知识，比看实验课教材更有效。

基于学生对基础知识的预习，教师在每次实验课的前半节课中，以对学生进行提问或小测验等方式检验学生对知识的掌握程度。对通过提问或测验发现的难点和薄弱点，教师可以再次当堂面授。这样通过多次课前讲解的方式，可以反复加深学生对难点和薄弱点的理解和掌握，以达到学生完全掌握实验基础知识的教学目标。

（二）解决学生缺乏独立思考能力的方法

1.引入翻转课堂。翻转课堂是当前大学物理实验教学中应用频率比较高的一种教学模式，其是建立在互联网与多媒体先进科学技术基础之上的一种新型教学模式。翻转课堂一举打破了传统教学的时空限制，为大学物理实验教学开辟了一个全新的发展空间[3]。在大学物理实验课中引入翻转课堂，首先要制作微课视频。教师分段录制微课视频，每段视频控制在5～10分钟，每段视频都要留下思考题。提前将微课视频发给学生，让学生进行预习。在发布视频的同时，告知学生尽可能地掌握视频里的知识，并完成思考题，实验课堂随机抽取10名学生上台讲课。

实验课开始后，第一节课设置为翻转课堂，让学生替代教师上讲台授课，请10名左右的学生，每人讲5分钟。这样学生在讲台上完成了实验的讲解，教师则记录上台讲课的学生的表现，如其对知识讲解的正确度、思考题的理解程度等。这种通过微视频预习和学生讲解的方式，让学生变被动为主动，学生为了台上的5分钟，必然会反复观看视频，反复演练如何组织语言讲解实验。

通过翻转课堂，教师可以总结和发现学生对于该实验的难点和薄弱点，并针对这些难点和薄弱点进行专门的讲解，这样既避免了教师全程“填鸭式”灌输，又提高了学生的听课效率。

2.笔者以“拉伸法测杨氏模量”的实验为例，对上海某应用型本科大学临床医学专业1班采用翻转课堂的方式，2班采用传统的教师讲解的方式。通过对比，可以看到采用翻转课堂方式的1班学生的学习效果显著高于2班。

针对临床医学专业1班的学生，教师用Camtasia studio或爱剪辑等软件将“拉伸法测杨氏模量”录制成4個小视频，每段视频约10分钟，整个实验预习视频共计40分钟。在实验视频中，教师留下2～3道思考题。要求学生结合视频、实验教材及相关资料进行预习，并完成思考题。在实验课上随机抽取10名学生上台讲课。

实验课开始后，采用学生主动举手或随机点名等方式，请10名学生上台讲课，每人讲5分钟，采用接龙讲课的方式，在约50分钟内合力完成一个实验的讲解，这一步是整个翻转课堂的关键所在。在10名学生进行接龙讲解实验的过程中，教师要全程记录每一位学生的表现，具体记录以下几个方面：（1）讲解正确的部分;（2）讲解有误的部分;（3）没讲清楚的问题;（4）遗漏的问题。随后教师总结出普遍性的问题。基于10名学生的讲课表现，教师总结1班学生的整体预习程度和普遍性的问题，教师根据这些普遍性的问题，利用第二节课的半节课再次重点讲解。

1班学生独立完成“拉伸法测杨氏模量”实验。1班学生进行现场操作实验，一人一组独立完成实验。每个学生进行实验操作、设计记录表格、记录数据、判断实验结果、分析误差原因等步骤。当学生在实验过程中遇到困难时，可以和同学讨论交流，或利用教师提供的教学文档、教学视频解决问题。在学生进行实验操作的过程时，教师要观察和记录每一位学生的实验操作表现。

针对临床医学2班，教师不采用翻转课堂，仍沿用传统的实验教学方式，即教材预习，教师讲解实验原理和过程，学生独立做实验的模式。

通过对比实验发现，临床医学1班的学生在独立操作实验的过程中，只有1位学生举手求助了教师，而临床医学2班的学生中有9位学生举手求助了教师。实践证明，基于翻转课堂的大学物理实验教学模式能有效地降低学生的求助率，提高实验的教学效率和教学效果。

3.教师要“舍得放手”。大学物理实验课是锻炼大学生的动手和动脑能力的课程。教师要“舍得放手”，让学生自己摸索和试错。学生是实验的主体，遇到问题要让学生自导，促进自主实验的进行，即要让学习好的、动手能力强的学生当“辅导员”，为动手能力差的学生导学，调动其积极性，让其会做实验。若有错误要让他们自我改正，从失败的教训中悟出道理，总结正反两方面的经验教训，留下深刻的印象。故在做实验时，教师不要包办，应让学生动手独立操作，增强其自尊心和自信心，克服懒惰和依赖心理[4]。

当然，自主实验要注意加强师生之间、学生之间的合作，在和谐愉快的气氛中，尽量调动学生进行实验的主动性和创造性[5]。爱因斯坦曾经说过：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许是一个数学上或实验上的技能问题，而提出新的问题、新的可能性，从新的角度看旧问题，却需要创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”故在实验中，教师要发挥主导作用，要善于引导学生发现问题与提出问题、探索问题与解决问题，例如让学生提出改进实验或设计新的实验，以探索新的问题;要针对学生实验操作的情况及提出的问题，及时补充问题，要求学生回答或者再做某些补充实验操作，要当面对每个学生进行实验讲评及成绩评定，指出学生掌握知识和实验操作、实验修养等方面的优缺点等，并提出今后进一步努力的方向。

大学物理实验课是锻炼学生自主学习能力、实验动手能力、创新能力的最佳课程，为了让这门课程的优势和作用发挥出来，我们对目前大学物理实验课程的两个常见问题加以分析，提出了增加绪论课实验、实施翻转课堂教学模式等解决办法，为解决大学物理实验课目前存在的这两个常见问题，提供了参考。但也仍存在不完善之处，如教师如何保证学生的预习效果、如何设计思考题、如何激发学生的学习主动性，以及如何开发高质量的视频等问题，还需要广大大学物理实验教师和实验教学管理部门的不断探索及研究。