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1、第 卷 第 期 物 理 实 验 年 月 ， 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 大 学 物 理 实 验 及 教 材 的 建 设 与 探 索 何焰兰 ， 彭 刚 ， 刘振祥 ， 刘一星 ， 沈 志 ， 郑浩斌 （ 国 防科 技大学 文 理学 院 ， 湖南 长 沙 ） 摘 要 ： 建设了国 内首门大学物理实验 并 撰写了 配套教材 实 验 及教材 的建设 应立足 于信息 技术 与教育教学深度融合大环境下的新型教学培养模式，遵循科 学性、多元性、动态 性以及 实用性 的原则 、 ， ， 以此 建设的 大学 物理实验 以虚拟仿真实验 （ ）
2、， 自主实验以及远程控制实验为主体 ， 以案例式教学为特征 教学采取 对于给定实 验目 标 每个案例相互独立 以物理建模为主 线 充分挖掘实验思想以及关注模型成立条 件等方法 教材撰 写以同样理 念为 指导，有机整合课程平 台内容，同时在编排形式上进行了改 革 如正文中 对测量 模 型及 讨论的 套色加 框，空 白宽边 中的 提纲挚领，重点醒目突 出；余留的空白宽边可使学生与教材互动，有助于学习效率提升 关键词 大学物理 实验 教材 ： ； ； ；建模思想 ； 中图分类号 ： 文献标识码 ： ： “互 联 网 教 育 ”席 卷 全 球 ，而 基 于 实 验 的 ， 在实 验前 了解 和 学 习
3、，还 需 在物 理 实 验 中 进 一步 十 分少 见 建 设实验 不仅 仅 需要 ， 实践 完成 通过 互联 网 实现 的 实 践 主 体 功 能 还 必 须配 套相 应教 材 通过 对实 践性 的研 究， 年在 爱课 程和 梦课 平台 上率 先推出 了由 我校 物理 公共 课程 国家 级教 学团 队 倾 力打造 的大 学物 理实 验 大学物理实验 构建主体 实验 及 教材 的 建 设 应 立 足于 信 息 技 术与 教育 教学 深度 融合 大环 境下的 新型 教学 培养 模式 ，遵 循 科 学性 、多元 性 、动 态 性 以及 实 用 性的 图 大学物理实 验 功能模块 原则 依此建 设的
4、 大 学 物 理 实验 虚 拟实验 虚拟实验 （以相 关真 实实 验课 程为 原型 ）提供 实验 的基 础知 识 、虚 拟仿 真实 验 、自主实 验以 及远 可视化的 虚拟 实 验 环境 ，将 实验 室 中 各 种 仪 器设 程控 制的 一大 基 础 理论 和 三 大 实 践 模块 为 主 体 ， 如图 所 示 备的 工作 原理 、实验 步骤 、操 作过 程 、实 验现 象 、实 物 理实验 的基 础知 识 验结 果和 数 据 处 理 等 有 关 信 息 进 行 软 件 仿 真 模 拟，学生 可在远 程客 户机 上，通过 鼠标 的点击 以及 物理 实验 基础 知识 涉及 测量以 及伴 随测 量
5、所 产生 的误 差概 念，测 量结 果的 可靠 性到 底有 多大 ， 拖曳 操 作 实 验，在 终 端 完 成实 验 报 告 并 提 交 ， 实 影响 测量 结果 和客 观真 值之 间产生 差异 的因 素有 验中 待测 物理 量 可 以随 机 产 生 ， 实 验 可 能 产 生的 哪些 ，以 及对于 实验 数据 进行 处理 所常 用的 方法 ， 误差 也可 进行 模拟 自 主实验 用以 评价 实验 质量 的优 劣 等等 这部分 内容 不仅 涉及 到 误差 理 论的 入 门和 课程平台 上给 出 一 些 实 验 题目 ，让 学 生购 买 合理 简化 的内 容，更 是物 理实 验的 基础 ，不仅
6、需要 ： （ ） ， ： ； 一些简便 分立 元器 件，配 合身 边一 些易 得的 仪器 ， ； 基金项目 国防科学 技术大学教育教学研究重点课题 国防科学技术大学 教育训练项目一般课题 国家 自然科学 基金（）；国防科学技术大学校 预研项目（ ） 作者简介 ： 何焰兰（），女，四川南充人，国防科学技 术大学文理 学 院教 授，博 士，主要从事 大学物 理实验教 学与声学相关研究 物 理 实 验 第 卷 独立 完成 实验 （上 传 实 验 过 程视 频 和 实 验 报 告）， 体验 真实 实验 过程 远 程控制 实验 远程 控制 实验（如自 主开 发的 “牛 顿环测 平凸 透镜 曲率 半径 ”
7、实 验 ）基 于 网 络 远 程 控制 ，通 过互 联网 ，实 时操作 位于 实验 现场 的真 实仪 器，实 验现 象和 结果 可通 过视 频实时 反 馈这 类 实验 无 疑能 增强 学生 对真 实 实验 情 境 的 感 触，弥 补 虚 拟 仿真 实验 无法 实现 的 真实 实 验 体 验 ，学 生 在 课 程 平台 上完 成实 验并 上传 实验 报告 大学物理实验 的教学设计 为特 征，即教学 目 标（各 种 要 素）蕴 涵 于 实 验 项目 中本 课程教 学 将 以 建 模 为 主 线，串 起 “散 落 ”的 针对 每个 案例 性 实 验，录 制 了 相 应 模块 化 的 教学 视频 （每
8、 个 视 频 不 超 过 ，以 免 学 生 视 实验 原 理、实 验仪 器 、实 验 步 骤、相 关应 用 和 总结 与探 讨等 模块 组 成 转 变学习 习惯 和思 维模 式 ， 以建模 方式 获得 测 量模型 （ 公 式 ） 大学 物理 实验 的 主 要 对 象 是刚 从 中 学迈 进大 学的 学 生群 体 ，实践 教 学 要 关 注 中 学和 大学 学习 思维 方 式的 差 异 ，尽 快 地 让 学 生 从 所谓 对于 每个 案例 性 实 验 而 言，以 某 个 物理 量 测 量目 标为 牵引 ，让 学 生 进 行综 合 素 质 的 培 养 和训 虽然 “测量 公式 ”和 “测量 模型
9、”对 应的内 容一 样，但 蕴 含的 意义 截然 不 同因 此，对于 实验 原理 的讲 授或 撰写 ，必须 摈弃 平铺 直叙 ，采 取先明 确实 验思 想，再以提 供的 实验 仪器 和条 件为 基础 ，以设 问（类似 研讨）、推理 方式 环环 相扣 ，得 到最终 的测 量模 型的 方式 呈现 ，最后 对所 涉及 的物 理量 、测量 模型 成立 条件 以 及注 意 事 项 等 进 行 分析 ，完 成实 验原 理部 分的 教学 注 重实验 思想 的提 炼和 实验 关联 新颖 巧妙 的实 验方 法往 往成为 解决 问题 的直 接突 破口 实 验的 结论 只有 通 过科 学 思维 才 能真 正把 握
10、其 可 靠 性教 学 视 频 中，有 意 识 地 挖 掘蕴 涵于 实验 项目 中的 实验 思想 、实验 方法 等要 素，使 其显 性化 ，以 免 学 生在 学 习 和 实 践 的过 程 中 忽 视 这 些 重 要 的 内 容如 “非 良 导 体 热 导 率 的 测 定律 进行 热导 率 的 测定 ，而 傅里 叶 定 律 建 立 的思 想和 方法 十分 值 得 思考 ，在 实验 背 景 中 给 出 了相 应的 介绍 法 国数 学 家 、物 理 学 家 傅 里叶 于 年提 出的 傅里 叶 定 律，并 非 由热 力 学 第 一 定 律导 出，而是 基于实 验的 归纳 总结 ，实 验事 实的基 础就
11、是 “所 有 的 热 运 动 取 决 于 温 差 ”同 一 时 期，毕 奥、泊松 等人也 热衷 于热 传导 的研 究，傅里 叶远超 过他 人的 原因 在 于：没 有 给 热流 以 任 何 假 设 的物 理模 型，主要通 过 建 立 并 求解 热 传 导 的 微 分方 程 来展 开其 理论 ，依 靠 把 热 传导 问 题 转 化 为 分析 学 问题 的策 略使 他获 得了 极大 的成功 大学 物理 实验 也 应 该 对 实 验中 涉 及 的方 法、实验间 的关 联作 深入 细致 的研 究与 探讨 ， 将其 蕴 含 的 要 素 展现 给 学 生 比 如：同 一 个 量可 以用 不同 的方 法 测
12、量，与 其 他实 验 的 关 联 性 的 提 示以 及评 价能 很好 地启 发学 生思维 起到 举一 反三 的作 用当 然，也要 给学 生 留一 些思 考空 间，并提 出一 些有 意义 的开 放性 问题 例如 ，在 “声 速 的测 图 实验关联表述示意 与实 验间 关联 的内 容还 涉及到 不同 实验 中有 些看 起来 相似 的仪 器 ，它 们 之 间 的 “异 或 同 ”完全 被学 生忽 视，以致被 问及 时竟 “无言 以 对 ”例如 ， 在 “示波 器原理 与 使 用 ” （实验 ）实 验 中 有利 用李 萨 如 图形 测 量 未知 正 弦 信 号 频 率的 内 容 ，要 用到 函数 信号
13、 发生 器 （该 实 验所 用 信 号 发 生 器能 产生 以 下 的 正 弦 波 信 号），而 在 声 速 的 测定 实验 中要 用到 左 右 的正 弦 波 信 号作 为驱 动压 电换 能 器 的电 信 号 ，但 是 实 验 中 却 用了 另一 个专 用电 源，学 生不 仅回 答不 出原 因，且在整 个实 验过 程中 ，如果 不提 醒，他们 自己 也不会 发现 “ ” ， ， ）， 、 “ ” “ ” ， 、 ， 定 ” （实验 ）实验中 的实 验思 想是依 据傅 里叶 第 期 何焰兰，等：大学物理实验 及教材的建设与探索 这个 问 题 因 此 在实 验 仪 器 模 块 的内 容 中 ，强调
14、 、 ， 分布 的感 性认 识 （ ） 在自 主式 直 流电 桥 测 量 电 阻实 学生 关注 仪器 结构 基本 原理 和主 要功 能参 量 特 验 实验 中 为 了加 深 学 生 对电 桥 灵 敏 度 的感 别是 使用 条件 和范 围 教学 不 能仅 满 足实 验 仪器 性认 识 ，也录 制 了 相 应 视 频 这 种 方 式 也 符 合教 对于 特定 目标 的测 量要 求，还 要学 生能 举一 反三 ， 将仪 器作 用发 挥到 极致 这 种 能力 的 培养 将 使他 们在 今后 的创 新实 践活 动中 受益无 穷 对于 这一 部分 内容 ，由于 模块 化的 视 频等 资料 零散 分 布于
15、课 程 平 台 ，不 利 于 学 生 连贯 思考 ，当 将其整 理编 写于 教材 ，在 关联性 的理 解上 更有 利于 学生 一书 在手 ，整体 于胸 ，这 也是教 材的 重要 作用 之一 在每 一个 实验 项 目 的 背 景、原 理、仪 器 、总 结 与探 讨等 章节 中融 入 品 位 （科 学 性 ）、趣 味 以 及军 味（军事 应用） 位物 理学 不同 领 域 的专家 把 关比 如 在迈 克 耳孙 界万 众瞩 目的 引 力 波 事 件 引 入 在 声 速的 测 定 显示 技术 的 成 果 ，等 等 同 时 在 实 验 背 景 中 讲 述物 理学 家与 本 实验 相 关 的 故 事 或 历
16、史 背 景 ，包 括物 理学 家思 维的 过程 、情感 态度 以及 价值 观，包 括实 事求 是、坚 持不 懈的 精神 ，并 尽可能 将最 新物 理学 发展 通过 相关 链接 的途 径让学 生知 道 趣味 ：书中 的 每 一个 实 验 或 以 与 该 实 验 项 目 相关 的历 史，或 与 身 边 物 理相 关 且 易 于 实 践 的故 事为 出发 点，旨 在提 升学 生的 兴趣 ，让 其知道 物理 与日 常 生 活 息 息相 关 ，所 学的 知 识 无 处 不 在例 目 中，以 学 生 为 主 角 ，从 如 何 向 他 的 祖 父 母 澄 清 、 乃 至 老 式 胶 盘 唱 片 记 录 和
17、存 储 歌 曲 信 息的 方式 引入 实验 的题 目和 要求等 基于 互联 网的 虚拟 仿真 实验的 教学 存在 有别 于真 实课 堂身 临 其境 的 限 制 ，为 了 更 好 地 启 发学 生，可以 以视频 的方 式展 现实 验中 的一 些现 象，或 以情 景剧 方式 （站在 学生 的角 度，让学生 讨论 的场 景再 现）引发学 生思 考，这种 教学 效果往 往比 直接 叙述 原 理 更 佳例 如 大 学 物 理 实验 绪 论 （即 物理 实验基 础知 识）章节 中以 学生实 际测 量为 背景 的情 景剧 ，目 的 让 学 生能 够 明 确 测 量 以 及对 测量 结 果 评 价 的意 义
18、引 入 高 斯 分布 概 念 时 ，学 生可 观看 有关 伽 尔顿 板 实 验 视 频，以 增 加 对 高斯 育理 论，即从学 生 身 边 的 物理 这 一 最 近 发 展区 生 军味 ：军 事高技 术处 于当 代科 学技 术前 沿，它 的许 多成 果来 源 于 物理 学 的 基 本 原 理和 思 想 ，与 物理 学 有 着 千丝 万 缕 的 联 系本实 验 力 图将 实验 背景 和 运 用与 军 事 紧 密 结 合，使 学 生知 道正 在进 行的 大学 物理 实验 是怎样 延伸 到当 代科 学技 术以 及军 事 技 术 例 如 光 电 效 应 实 验 （实验 图 军事应用背景示例 大学物理实
19、验 的教学实施 大学 物理 实验 案 例 性 实 验 任意 一 个 项目 都涉 及到 若 干 知识 领 域 ，与 理 论 课 层 层 递进 的知 识结 构特 征 大 不相 同 ，理论 课 每 堂 课 的 内容 仅仅 是 结 构 中 的 一小 部 分 因 此 开 课时 ，适 合将 所有 实验 项目 同 时 对学 生 开 放 ，可 以 让 学 生 有充 裕的 时间 进行 学习 实 验预习 ）实 验 前 ，要 求 学 生 先 观 看 绪 论 课 视 频 和 ； 供学 生预 习，另外 相 对应 的 虚 拟仿 真 实 验预 实 验 ）按 照大 纲 要 求，进 入虚 拟 仿 真实 验 考 试大 厅完 成虚
20、 拟仿 真实 验 项 目，网 上提 交实 验报 告； “ ” ： ， 干涉 仪实 验（实验 ）中 ，及时 将 年物 理学 （ ） ， “ ” ， 物 理 实 验 第 卷 验过 程视 频，网 上提 交实 验报 告； 上提 交实 验报 告 思 考题和 讨论 区 ， ，网 除了理解 上述意图外 ，还希望能有效 地利 用不同 于 传 统教材 的排版方式和 策略（包括撰 写实 验报告 的 要素和理 由）进 行有 效的 学 习和 实践 ，使 得教 材 的 学习和实 验完美结合 ，能力提 升螺 旋式 发展 前 言 ， 、 按照 要求 完成 思 考 题 ， 并 要 求 学 生 进入 讨 论 部分充分 体现学
21、习 主体 的重 要 性 统 一 思想 达 成 区 进 行讨 论 并 进行 相应 的活 跃度 评分 共识也是 确保课堂平台 有效教与学 的前提 实验教材的建设 实验 教材 反映 课程 教学 理念 以 及排 在信 息 技 术 与 教 育 教 学 深 度 融 合 的 大 环 境 版形 式探 究 通常 实 验 教 材 对 排 版 形 式 不 太 关 注 实 际 下，理论 、操作 和 学 科层 面 的 教学 理 念，以 及 新教 上，教材 的排版 形式 对学 生学 习的 效率 影响 很大 学模 式与 教学 方 法的 课 程 设 计 的 目 标追 求 ，这一 部分 的主 要思 想虽 然在 课程 平台上 的
22、视 频授 课以 此相 对应 的实 验教 材既 希望 既能反 映教 育理 念和 教学 内容 ，又能 使各 模块 整体 连贯 ，具 备较强 的系 前 言内容 应起 到统 一思 想 、 凝聚共 识的 作用 作为 首次 与学 习 者 见 面 的 前言 ，应 该是 编 写 者对 读者 就本 书 在 建构 方 面 所 作 的 分析 与 说 明 ， 是编 写者 向读 者对 学什 么、怎 样学 、为 什么要 学的 精要 分 析 ，是 作 者 与 读 者 沟通 的 窗 口 与 桥 梁教 材的 读者 至少 有 两 类 人 教 师 和 学 生 ，因此 应 该关 注教 师的 教法 和学生 的 学法 这 种理 念 也贯
23、 彻在 文 献中，其中 前 言 分为 部 分：一 部 分适 用于 所有 人群 ，这 一 部 分 主要 介 绍 作 者 撰 写 本书 的用 心，如融入 教材 的 教学 理念 、方 法以及 编排 特 色，也希望 引起同行的关 注和 讨论 另 一部 分主 要 针对学习 者（学 生）的前 言，这 里，旨在 让 学生 明 白 比 如 若 教 材 排 版 充 满 整 个 版 面 ，密 密 麻 麻，阅 读 宽边 ，章 节标题 套色 ，重 要部 分以 底色 加重强 调等 不同 于传 统实 验教 材手 段，可 以看 到，这种 变化不 仅仅 体现 在形 式 上，更 重 要 的是 能 有 效 地 提 升教 材使 用
24、和 读 者 学习 的效 率这 种排 版 借鉴 了 美国 （且 书中 的思想 和 理 念 与 本文 作 者 多 年 的 思考 不 下面 将以 大学 物理 实验 教 材为 例，进行具 体讨 论 大学 物理 实验 的 教 学 以 单 个具 有 特 定目 标的 实验 项 目组 成 ，因此 ，教材 中 对 每 个 “实 验目 标 ”描述具 体 ，宽边 空 白 处 重 复 提示 ，力 求学 生重 视，学生以 完 成 每 个 特定 的 目 标 进 行 类似 科 研过 程的 初级 训练 ，如图 所 示，自主 式直流 电桥 图 以 底 色 加 重 实 验 思 想 以 及 测 量 模 型 实验目标描述示例图 （
25、公 对于 以提 供 的 实验 仪 器 和 条 件 为基 础 ，以设 式 ）， 突出 建模 教学 理念 教材 中所 有的 标 题 用 蓝 色 套色 加 重 ，以教 材 ，对 建立 问、推理 方式环 环相 扣，得到 最终 的测 量模型 的表 方式 也不 仅仅 给出 测 量 模 型 （或 测 量 公 式），还有 实验 测量 模型 的 实 验思 想 以 灰 底 色 为背 景 强 调 ， 加大 对象 与背 景 的差 别 ，使重 要 内 容 占 据 显 著地 对该 模型 物理 意 义，模 型 中 各物 理 量 符 号 的 意义 和量 纲以 及该 模型 适用 条件 和使用 时的 注意 事项 等的 描述 ）
26、， ， ， ， ， 教授 撰写 的 一书 ）， ， （ ） ， ， 第 期 何焰兰，等：大学物理实验 及教材的建设与探索 图 所有 实验涉及的实验思想均用灰底色背景强调示意 提纲挚 领 、 宽边 巧用 图 测量模型表述示意图 搭建纸质教材与实验 平台的桥梁 的 教材 中每 版留 有 一 列 宽 边，约 占 版 面总 宽 度 宽 边中 ，有 一些 对 实 验 内容 和 要 素 （包括 ） ， 实验 因 其基 于互 联网 络，具备 纸质化 图 的 提纲 挚领 使 得学 生能 对 重点 一 目了 然 ， 除 教材 所不 及的 能包 含丰 富网 络数字 化资 源和 可实 ， 此之 外的 宽边 均 为空
27、 白 学生 可 使 用 宽 阔 的 边缘 时更 新的 特点 且 课 程 平 台网 址 的 相 对 固 定性 致 记录 阅读 时遇 到的 问题 ，记下 得到 的结 果，标 记重 使可 以充 分利 用信 息化 技术 方法 为 在宽 边 相应 要思 路，填写 缺失 步骤 ，记 录 见解 这种 以人 为本 ， 章节 设置 二维 码，通 过 扫 描可 以 随 时 进 入 课程 平 ， 的排 版方 式可 使 阅读 者 有 参 与 的 积 极性 边 缘的 台 查看 相应的 课程 授课 视频 和最 新进 展 记录 和评 论这 种渐 悟的 过程 可导致 学生 最终 的顿 如图 所 示 的 大 学 物 理 实 验
28、 教 材 悟，有助 于能力 的提 升 宽边 上参 见视 频的 例子（箭头 指示 所示 ） 结束语 图 教材中与 平台素材之间的链接示意 好的 手段 ，但 是需要 投入 较多 的资 金，一般 的院校 很难 做 到 ，商 业 公 司 也 会 因为 效 益 望 而 却 步我 互联 网上 的实 验 罕见 ，主 要的限 制就 们建 设的 大学 物 理 实 验 对 虚 拟 仿 真 实验 是实 践主 体的 构建 虚 拟仿 真 实验 固 然是 一 个很 之外 的自 主 实 验 和 远 程 控 制 实 验 进 行 了 一 点 尝 物 理 实 验 第 卷 试，对基 于互联 网的 与实 践 课 程信息 化融 何 焰
29、 蓝 ，彭 刚 ，黎 双 ，等 合进 行了 初步 的 探究 ，真 切希 望 给 同 行 或 拟开 设 以及其课 程实 践 以华 盛顿 大学物 理 学导论的 教学 为 例大 学 物理， ， （ ）： 实践 的老 师们 一点 启示 参考文献 ： 何焰蓝 ，黎双 ，杨筱 ，等 美国华盛顿 大学 的物理 实 ： 验教学 以华盛顿 大学 物理 学导 论的 教学 为 例 大学物理， ， （）： ， ？ ， 何焰 兰 ，彭 刚 ，刘振 祥 ，等 大 学物 理 实验 （ 高智琛 王永会浅谈 高校实验 教材的建 设 实 ， ， （）： 教材）北京：高等 教育出版社， 验室科学 何焰蓝，何彪，丁道一，等 博雅理念
30、在大学物 理实 彭刚，黎双，何焰兰，等 大学物 理实验 建 设探讨 工业与信息化教育， （）： 验教学中 的实践 物理 实验 ， ， （）： ， ， ， 何焰兰 彭刚 刘一星 等 加拿大瑞尔森大学 物理 课程设置及 教 材 ： 介绍 物理与工程， ， （）： 王合英，孙文博，陈宜保，等 白艺术物理实验， 实验物理教学中 的留 ， （）： 易仕和，何霖，田立丰，等 纳 米示踪 平面 激光散 射 技术在激波复杂流场测量中的应用力学进展， 乐永康，龚新高，苏卫锋，等 虚实结合的物理 实验 教学 物理实验， ， （）： ， ， ， ， ， （ ， ， ： ， （ ， ） ？ ， （）： ， ） ， ， ， ， ， ； ： ； ； ； ； ，