大学物理实验教学“自预习”网络平台的搭建与实施

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　　摘 要：本文通过建立“自预习”网络平台，要求学生在实验前对物理实验进行“自预习”。其中包括基础实验模块、实验物理学史模块、实验原理模块、实验预习检测模块。通过网络平台检测预习成绩与预习报告相结合的方式提高预习效果。这样做可使学生在实验前就对该实验设计原理、历史背景、及其在实际生活中的应用都有所了解。可以大大提高上课效率，培养学生们的创新能力与探究能力。
　　关键词：“自预习”网络平台 物理学史 探究能力
　　传统物理实验课教学模式一般为学生在课前通过实验参考用书完成预习，在规定的时间到实验室中，在指导教师的讲解及演示下将实验完成。课后进行实验数据处理，将报告提交后该实验即告完成。在这样的教学环节中学生们几乎不关心实验内容涉及到的物理学史背景，也就是说这个实验的设计理论是在什么样的背景下由谁提出并设计实施的，它的设计原理怎样等这些背景学生们都不清楚，而这些背景正是培养学生建立物理思维和创新能力最需要解决的问题。我们通过建立“自预习”网络平台，要求学生在实验前对相关的物理知识进行“自预习”。其中包括基础实验模块、实验物理学史模块、实验原理模块、实验预习检测模块。根据预习知识写好预习报告。这样做可使学生在实验前就对该实验设计原理、历史背景、及其在实际生活中的应用有所了解。可以大大提高上课效率，并能提高学生们的创新能力与探究能力。
　　一、建立“自预习”网络平台是提高物理实验预习效果的有效手段
　　1.“自预习”网络平台模块搭建
　　“自预习”网络平台分为四个模块，（1）基础实验模块（2）实验物理学史模块（3）实验原理模块（4）实验预习检测模块。
　　基础实验模块：主要介绍一些基础的物理实验技能。例如：误差计算、不确定度计算、实验图像处理、有效数字等知识。学生通过阅读这些平台的相关内容可以掌握完成实验的基本知识。
　　实验物理学史模块：主要提供一些传统实验的设计历史背景，设计原理及其应用。例如：迈克尔逊干涉仪、磁光现象、牛顿环等实验的发现过程、设计原理及其在相关领域的应用。学生通过查阅相关知识可以充分认识这些实验的设计与原理。在阅读这些材料时学生可以发现一些看似“高大上”的实验往往都是在一些简单实验条件下来完成的，这样可以培养学生的创新能力。
　　实验原理模块：主要介绍实验的原理、公式、规律及一些实验步骤，实验仪器的使用注意事项等相关知识。学生通过阅读这些内容可以掌握相关实验的知识，同时也清楚要在实验中解决哪些问题，会出现那些现象。
　　预习实验检测模块：主要通过设置实验预习题目以问答的方式检测学生们的预习效果。每个实验设置20个问题，需要学生在10分钟内随机回答3个相关问题，回答结果教师可以在后台查阅到，平台也会根据学生回答的情况给出一个优秀、良好、合格的评价。设置这样的模块主要是检测学生们的预习效果，同时也为实验操作打下良好的基础。图一：电桥实验“自预习”模块
　　2.“自预习”网络平台与传统预习实验的最大区别
　　“自预习”网络平台设置了预习实验检测功能。学生只有在完成实验理论、实验步骤、实验背景、实验仪器等相关内容后才能回答“自预习”网络平台上的随机问题。针对以往学生预习实验时只是照书抄写实验报告，对于实验设计的历史背景、实验原理、仪器选择等方面的知识根本不予关注，导致实验课时仪器使用注意事项、实验原理等相关知识根本不清楚，基本上处于“拷贝”老师的实验操作。通过设置与实验题目相关的知识要求学生在网上进行回答，教师通过后端数据统计掌握学生预习情况，并根据每位学生回答问题的情况作为实验预习成绩评定的依据。这些实验预习问题需要实验教师在网络平台上设置，包括实验设计背景、实验原理、实验步骤、实验仪器及一起使用注意事项、实验现象等知识。学生在10分钟内需要随机回答3个问题，满分100分，网上提交答案。平台根据学生回答情况给出网络预习成绩。
　　目前该平台处于调试阶段，但从学生的预习动力上看，已经有了很大的提高，学生实验课操作效果也有了一定提高。
　　二、“自预习”物理学史模块是提高课堂效率与探究能力的有效平台
　　1.“自预习”物理学史模块是提高课堂效率的有效手段
　　通过“自预习”网络平台设置了物理实验的物理学史模块，该模块介绍了传统实验的设计依据，实验理论、用途等相关信息。例如：迈克尔逊干涉仪，这个实验许多学生都理解为是研究光的干涉现象包括等倾干涉、等厚干涉。迈克尔逊干涉仪最初是迈克尔逊为了探测“以太风”而设计的，大量的实验结果表明，在地面参考系中，光速在任何情况下都不受地球运动速度的影响。这就是迈克尔逊-莫雷实验。迈克尔逊利用这种干涉仪器测量过保存在巴黎的标准米尺的长度。并得出1m=1553163.5λcd， λcd为镉（Cd）红外的波长。1968年国际计量会议决定用氪（Kr）发射的橙色线在真空中的波长λkr作为标准，m=1650763.73λkr。迈克尔逊干涉仪的主要特点是两相干光束的光路分得很开，并且利用移动反射镜，或在光路中插入另外的媒质的方法，来改变两光束的光程差，这就使干涉仪具有广泛的用途，如用于测长度、测量折射率、检查光学元件的质量等。通过这些物理学史知识的讲解，同学们首先会想到，如何利用迈克尔逊干涉仪测量“以太风”？又是如何实现长度定量的呢？带着这些疑问预习该实验，他们就会从实验仪器的设计原理、理论分析等方面弄清楚他的本质，实验课堂的效率得到很大提高。
　　2.“自预习”物理学史模块是培养学生创新能力的有效手段
　　“自预习”网络平台中物理学史模块不仅介绍了一些传统仪器的设计由来，还介绍了其最初的设计原理及应用。一些看似“高大上”的实验许多都是在较为简单的实验条件下完成的，例如：安培的分子电流实验。就是把一个绝缘的导线绕许多圈，固定在竖直支架上，沿着这个线圈內缘，用绝缘弦丝悬挂一个闭合的薄铜环，铜环旁边放置一个马蹄形磁铁 。固定线圈通过强电流时，如果铜环中由于出现分子电流而产生磁性，就会驱使铜环摆动，实验证明了分子电流的存在。
　　以往分析分子电流时同学们一般都会从微观入手研究，但是安培却转换成宏观作用来解释分子电流的存在。这也正是研究物理问题的一种有效手段，即微观作用通过宏观现象反映来证明微观作用存在。学生们通过“自预习”物理学模块掌握这种方法后进行实验设计与创新。如同学们自己设计了布朗运动演示仪、霍尔电压演示仪。
　　三、“自预习”物理实验平台中存在的问题
　　1.实验教师需要对所有实验进行预习设问，每个实验都要设定20个左右的题目，并且要给出相应的参考答案。一些参考答案的解释要结合相应的实验设备，例如测量杨氏模量的实验方法就很多，这就需要教师在设定相应问题时，一定要结合实验室所开设的实验器材方法进行设问，教师的工作量还是很大的。
　　2.学生在利用网络平臺进行预习时无法确定是否本人操作。虽然我们设置了登录窗口，需要学生输入学号后才能登录，但无法确定是否本人，因此在进行实验操作时教师还需要抽查大家的预习报告及回答相应问题。随着网络平台的使用与教师抽查相结合的方式运作一段时间后这种现象会有所改观，对于一些预习实验不认真的学生，我们还得通过实验操作考试进一步评价。
　　3.由于登陆时间较集中有时会出现回答问题时提交不够及时。遇到这样的问题就可能需要同学们多登录几次，当然也会产生重复登陆的情况，目前我们所用的服务器带宽100M ，2.2GCPU，6核12线程，内存16G。基本上能满足100人同时登陆需求，但如果都在观看视频文件，这会出现无法登陆或滞后的情况。这也是需要我们进一步改进的地方。
　　总之，通过“自预习”网络平台的搭建可以一定程度上解决目前实验预习中存在的问题，学生在查阅相关物理学史模块后能在实验创新与设计上有所提高。在实验教学中充分利用现代教学手段为将来培养优秀的物理人才打下良好的基础。
　　作者简介
　　孟庆国（1973.10—），男，汉族，副教授，硕士导师，从事大学物理实验教学改革及实验教具制作研究。
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