原創 唐艷妮 楊衛軍 等 物理與工程
摘 要
近年由于新冠疫情的影響，很多課程都嘗試開展了線上教學，文章從實驗課角度對開展大學物理設計性研究性實驗在線教學做了具體分析，為大學物理設計性、研究性實驗開展及實驗課程線上教學提供參考。文章主要從大學物理設計性、研究性實驗線上教學實施條件、實施過程、教學效果進行了探索實踐和分析。通過對學生調查問卷和感受反饋，分析了大學物理設計性研究性實驗在線教學中學生各方面能力培養的問題，同時針對能力培養提出了一些設計性、研究性實驗開展的建議。
關鍵詞 物理實驗；設計性；研究性；在線教學；開放
Abstract Due to the influence of COVID-19, many courses have tried to carry out online teaching recently. From the perspective of experimental class, this paper makes a concrete analysis of the online teaching of designing and researching experiments in college physics, providing reference for conducting such experiments and online teaching. This paper mainly explores and analyzes the implementation conditions, implementation process and teaching effect of on-line teaching practice of designing and researching experiments. Based on the questionnaire and feedback of students, this paper analyzes how to cultivate well-rounded students in the online teaching practice and puts forward some suggestions for it.
設計性和研究性物理實驗是一種介于基礎教學實驗與科學實驗之間的教學實驗，它的主體是學生，由學生自己動手，在實驗過程中，認識到這些物理實驗反映的物理本質，從而形成正確的物理概念，建立正確的物理規律[1-2]。相較于傳統實驗，設計性和研究性實驗的教學目標重在培養學生綜合運用所學知識分析解決實際物理問題的能力、開放性思維和創新意識。因為設計性實驗所設計的方案、儀器、設備需要通過實驗進行研究、改進、調試和驗證。而研究性實驗則更需要對原理、思路、方案、手段進行認真的設計，因此兩者沒有嚴格界限[3]，以下把兩者作為同一實驗類型討論。為保證疫情防控期間教學進度和教學質量，我校物理實驗中心制定了學生開放性選題、自制儀器、撰寫論文，教師網絡指導的大學物理設計性、研究性實驗在線教學模式，獲得了較好的教學效果。
1 設計性、研究性實驗在線教學實施條件
1.1 教學大綱要求
我校新版《院校教學大綱》提出“在大學物理實驗課程中設計性或研究性實驗最低學時比例不低于 10%”，要求學生要理解實驗的設計思想，掌握常用的實驗方法；能夠完成簡單設計性實驗方案的設計、實驗方法以及儀器選擇、測量條件確定等，會做設計性、研究性或具有設計研究性內容的實驗；能夠按照課題要求，查閱資料、擬定研究方案、完成課題的實驗任務。
1.2 基礎知識儲備
大學物理實驗課程一般分兩個學期完成，第一學期一般為實驗數據處理相關理論、基礎性和綜合性實驗，通過一學期的學習，學生已經掌握了基本的實驗方法、實驗設計思路、實驗結果分析等基本技能，同時大學物理、高等數學等通識課程均已開設，學生有一定的理論基礎和數學功底。
1.3 測量條件保障
實驗課與理論課在線教學相比，最大的困難在于測量條件保障，目前的智能手機中配置有大量的傳感器，如：加速度、壓力、磁力計、光強、GPS、陀螺儀等傳感器，利用這些傳感器可以實現力、熱、電、光等實驗數據的測量，如 phyphox、音頻頻譜分析儀、聲音發生器等手機應用，還有手機的視頻拍攝功能、計時功能，這些都為居家開展設計性、研究性物理實驗提供了保障。
2 設計性、研究性實驗在線教學實施過程
在“非物理類理工學科大學物理實驗課程教學基本要求”里指出，“設計性或研究性實驗的目的是使學生了解科學實驗的全過程、逐步掌握科學思想和科學方法，培養學生獨立實驗的能力和運用所學知識解決給定問題的能力”，并要求“各校應根據實際情況設置該類型的實驗內容”[4]。所以設計性、研究性實驗沒有固定的內容限制，基本宗旨就是以動手操作、解決問題、掌握實驗方法和實驗思想為主。
2.1 實驗選題庫擬定
考慮疫情期間，學生居家，沒有統一的實驗儀器，且是初次接觸設計性、研究性實驗，大部分學生在選題時會比較茫然，鑒于此，選題方案采取選題資源庫和自由選題相結合的方式。實驗中心組織教師編寫設計性、研究性實驗項目選題庫，每個實驗項目只提供大的研究方向，每個研究方向下按照基礎、提升、進階和選做，逐步提高難度，分階段設置研究問題，引導學生研究。通過設置分層次實驗項目資源庫，既能保證學生對研究方向的需求，又讓學生有自主研究空間。既能保證基礎薄弱的學生可以完成基本的實驗任務，又能讓有能力的學生有挑戰發揮空間。自由選題，指學生可以根據自己的興趣或擅長的知識領域進行題目設計，如通過變通測量物理量、測量方法、測量儀器等方式設計新的研究內容，或從生活實際出發，研究生活現象。建議參加 CUPT 競賽及物理實驗競賽的學生把競賽題目作為設計性、研究性實驗選題，深入研究。
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