丁雙紅，王中訓(xùn)，晉 剛

（煙臺大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，山東 煙臺 264005）

信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是進(jìn)入智能手機(jī)和移動互聯(lián)網(wǎng)時代，學(xué)習(xí)者在智能手機(jī)卓越的軟硬件環(huán)境和高速移動網(wǎng)絡(luò)的支持下，為大學(xué)教學(xué)改革提供了廣闊的空間［1］。智能手機(jī)具備無線接入互聯(lián)網(wǎng)以及多媒體應(yīng)用等功能，既方便隨身攜帶，又為軟件運(yùn)行和信息交流提供了廣闊的平臺。微信是應(yīng)用廣泛的移動社交平臺，擁有廣闊的流量入口，具有更強(qiáng)的互動性、娛樂性和便捷性，也是學(xué)生使用廣泛的手機(jī)應(yīng)用App。微信、微信公眾號和微信小程序更加符合學(xué)生的信息獲取和交流習(xí)慣，微信平臺在教學(xué)中的應(yīng)用可以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，所以被越來越多地用于教學(xué)［2］。

隨著技術(shù)的發(fā)展，智能手機(jī)普遍配有多種傳感器，例如加速度傳感器、聲傳感器、光傳感器等，同時眾多的App利用這些傳感器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)物理量的測量，例如Physic Stool Box、SensorKinetics、Phyphox等。智能手機(jī)除了實(shí)現(xiàn)通信功能之外，也成為普及率極高且功能強(qiáng)大的測量設(shè)備，近年來被越來越多地應(yīng)用于輔助教學(xué)和科研工作［3］。手機(jī)相機(jī)采用CMOS傳感器，目前常用的像素為1200萬。CMOS可以實(shí)現(xiàn)亮度、白平衡、邊緣增強(qiáng)等自動處理，可以說如今有些手機(jī)的拍照功能完全不亞于一臺專業(yè)的數(shù)碼照相機(jī)。手機(jī)相機(jī)的高性能亦被應(yīng)用于教學(xué)及科研，取得良好的效果［4］。

物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)是訓(xùn)練學(xué)生的光學(xué)實(shí)驗(yàn)操作與技能，加深對理論概念和理論的理解，同時培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，以及嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。受限于經(jīng)費(fèi)投入，實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備臺套數(shù)少，設(shè)備配套不完整。同時，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)教學(xué)不重視，缺乏學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性。本文運(yùn)用移動互聯(lián)網(wǎng)提供的信息傳輸及交互功能，利用智能手機(jī)在傳感、信息采集等方面的功能，探索基于移動互聯(lián)網(wǎng)與智能手機(jī)的“物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)模式。該教學(xué)模式在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個階段，充分利用移動互聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)的信息化功能，提高實(shí)驗(yàn)課程的管理效率，輔助實(shí)驗(yàn)的測量和記錄，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性。該教學(xué)模式在教學(xué)實(shí)踐中有效地提高了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量和效果，同時引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生將信息技術(shù)更多地運(yùn)用于獲得知識，提高認(rèn)知水平和提升創(chuàng)新能力上。

一、物理光學(xué)新教學(xué)模式的設(shè)計(jì)

經(jīng)過探索和實(shí)踐，建立的基于移動互聯(lián)網(wǎng)與智能手機(jī)的“物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)”課教學(xué)模式如圖1所示。“物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)過程總體分為三個階段：實(shí)驗(yàn)課前期準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程和實(shí)驗(yàn)課總結(jié)改進(jìn)，以形成獨(dú)立完整的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系，可以根據(jù)教學(xué)需要、學(xué)生需求及信息化技術(shù)發(fā)展等條件，實(shí)現(xiàn)持續(xù)迭代優(yōu)化。每個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)采用“實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)—實(shí)驗(yàn)操作—實(shí)驗(yàn)報(bào)告”的過程管理模式。該教學(xué)模式在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，充分利用移動互聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)的信息化功能，提高實(shí)驗(yàn)課程的管理效率，補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足，引導(dǎo)學(xué)生將移動網(wǎng)絡(luò)和智能手機(jī)作為學(xué)習(xí)的重要手段和工具，訓(xùn)練學(xué)生利用信息技術(shù)獲得知識的能力，提高認(rèn)知水平，提升創(chuàng)新能力。

圖1 基于移動互聯(lián)網(wǎng)與智能手機(jī)的“物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)”課教學(xué)模式

二、教學(xué)模式的構(gòu)建與實(shí)施

（一）實(shí)驗(yàn)課前期準(zhǔn)備

光學(xué)實(shí)驗(yàn)有其特殊性，學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室之前，需要學(xué)習(xí)相關(guān)的預(yù)備知識，以保證教學(xué)效果，同時保障人員及設(shè)備的安全。學(xué)生實(shí)驗(yàn)課前期預(yù)備階段需要了解的知識有：（1）實(shí)驗(yàn)安全教育，包括實(shí)驗(yàn)室安全及光學(xué)實(shí)驗(yàn)安全教育；（2）光學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識，包括基本光路調(diào)節(jié)方法、常用光源等；（3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理，包括有效數(shù)字、誤差分析、數(shù)據(jù)處理等；（4）實(shí)驗(yàn)課程要求，包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程管理方法、實(shí)驗(yàn)課評分標(biāo)準(zhǔn)等；（5）手機(jī)輔助教學(xué)功能，了解微信平臺、微信公眾平臺及小程序用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。了解智能手機(jī)普遍配有多種傳感器，利用相關(guān)App可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)物理量的測量，輔助實(shí)驗(yàn)測量和記錄；了解智能手機(jī)相機(jī)性能及拍攝模式，可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

在本階段，教師收集相關(guān)材料，利用手機(jī)拍照及拍攝視頻，制作實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料。智能手機(jī)的多媒體功能可以把文本、圖片、圖像、動畫和聲音等形式的信息結(jié)合在一起，通過微信公眾號“光學(xué)Lab”上傳教學(xué)資料，大大方便了信息的發(fā)布與傳遞。建立課程微信群，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排和通知。通過微信群與學(xué)生進(jìn)行在線交流和答疑。學(xué)生通過微信公眾號學(xué)習(xí)相關(guān)資料，通過手機(jī)端隨時隨地學(xué)習(xí)，通過多媒體資源（包括視頻、文本、圖片等）學(xué)習(xí)，提高學(xué)生預(yù)習(xí)效果。通過課程微信群預(yù)約實(shí)驗(yàn)時間。通過微信群交流答疑等。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

實(shí)驗(yàn)課程是一門實(shí)操課程，在考查學(xué)生理論知識掌握情況的同時，也更加重視學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)后的總結(jié)及數(shù)據(jù)處理也是重要的考查環(huán)節(jié)。因而每個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用“實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)—實(shí)驗(yàn)操作—實(shí)驗(yàn)報(bào)告”的過程管理模式，注重過程考核，分階段考查學(xué)生的完成情況，各階段成績占比為20%、40%、40%［5］。

1.課前預(yù)習(xí)。此階段，教師收集實(shí)驗(yàn)相關(guān)材料，利用手機(jī)拍照及拍攝視頻，制作實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求等。通過微信公眾號“光學(xué)Lab”上傳各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目資料：邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)、法布里—珀羅干涉實(shí)驗(yàn)、偏振光的檢測與干涉實(shí)驗(yàn)及晶體電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)。通過課程微信群，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排和通知，與學(xué)生在線交流和答疑。學(xué)生利用微信公眾號線上預(yù)習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求等，書寫實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告。通過課程微信群預(yù)約實(shí)驗(yàn)時間及接收課程通知。通過微信群交流答疑等。

2.實(shí)驗(yàn)課上。教師通過微信小程序組織學(xué)生簽到，采用問卷方式檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，作為評價預(yù)習(xí)成績的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)前講解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置及操作、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求、手機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)記錄和測量的方法等。課堂上通過微信群發(fā)送照片或視頻，進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)演示，可以使每個學(xué)生都能實(shí)時看到實(shí)驗(yàn)操作過程。實(shí)驗(yàn)過程中，手機(jī)錄制視頻和拍照，記錄學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況，作為評價實(shí)驗(yàn)過程成績的依據(jù)。查看課程微信群或公眾號里學(xué)生分享的實(shí)驗(yàn)視頻及照片，及時發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)行講解和交流。學(xué)生通過手機(jī)查閱與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的一些問題，從而拓展知識面。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生利用智能手機(jī)的視頻錄制和拍照功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程的記錄。在課程微信群或公眾號里，學(xué)生分享實(shí)驗(yàn)視頻及照片，進(jìn)行探討和交流。利用智能手機(jī)上運(yùn)行Excel及科學(xué)計(jì)算器等數(shù)據(jù)處理軟件，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理，通過數(shù)據(jù)分析，自行判斷操作過程的正誤，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、解決問題的實(shí)踐能力。智能手機(jī)具有光傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器等功能，利用相關(guān)軟件可以直接測量光強(qiáng)、壓力、溫度及濕度，輔助實(shí)驗(yàn)測量和觀察。

3.實(shí)驗(yàn)課后。教師課程微信群或公眾號里，學(xué)生上傳的實(shí)驗(yàn)過程中拍攝的實(shí)驗(yàn)視頻及照片，作為影像資料進(jìn)行考核備案，并選取實(shí)驗(yàn)過程記錄及實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)秀的手機(jī)視頻和照片發(fā)布在網(wǎng)上供學(xué)生觀摩學(xué)習(xí)；整理制作實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫作規(guī)范、數(shù)據(jù)處理范例、實(shí)驗(yàn)報(bào)告優(yōu)秀范例等，上傳微信公眾號“光學(xué)Lab”；收取及批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告，再結(jié)合預(yù)習(xí)及實(shí)驗(yàn)過程情況給出成績，通過微信群線上答疑等。學(xué)生學(xué)習(xí)公眾號相關(guān)資料，查閱網(wǎng)絡(luò)相關(guān)資料，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，對實(shí)驗(yàn)視頻和照片進(jìn)行處理，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析總結(jié)，書寫完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，通過微信群交流答疑等。

（三）實(shí)驗(yàn)課總結(jié)改進(jìn)

在教學(xué)實(shí)踐過程中，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，分析問題，接收學(xué)生的反饋意見，結(jié)合信息技術(shù)的發(fā)展，對實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行改進(jìn)，包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容充實(shí)、實(shí)驗(yàn)流程優(yōu)化、教學(xué)管理環(huán)節(jié)優(yōu)化及手機(jī)及移動互聯(lián)網(wǎng)輔助教學(xué)的功能開發(fā)，完善公眾號課程資料，開發(fā)實(shí)驗(yàn)課小程序。學(xué)生通過微信交流和反饋實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)感受，就手機(jī)及移動互聯(lián)網(wǎng)輔助教學(xué)提出建議，開發(fā)小程序及手機(jī)實(shí)驗(yàn)。

三、教學(xué)實(shí)踐效果與思考

經(jīng)過近三年的探索和實(shí)踐，形成了較為系統(tǒng)可行的基于移動互聯(lián)網(wǎng)與智能手機(jī)的“物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)模式，取得了良好的效果。同時，該教學(xué)模式仍有多方面的不足，需要進(jìn)一步改進(jìn)提升。

（一）彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足

目前開設(shè)了邁克爾遜干涉儀、法布里—珀羅干涉實(shí)驗(yàn)、偏振光檢測及干涉實(shí)驗(yàn)、晶體電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)等。采用智能手機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)的測量和觀測，解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺套數(shù)少、實(shí)驗(yàn)設(shè)備配套不足等問題，很好地完成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，取得了良好的效果。例如，實(shí)驗(yàn)室沒有F-P干涉儀實(shí)驗(yàn)設(shè)備，利用邁克爾遜干涉儀進(jìn)行改裝。實(shí)驗(yàn)室沒有配套的觀察F-P干涉圖像的望遠(yuǎn)鏡，眼睛直接觀察，雖然可以觀察到干涉圖，但觀察困難，難以完成鈉光雙線波長差的測量任務(wù)。實(shí)驗(yàn)中，采用手機(jī)相機(jī)代替望遠(yuǎn)鏡，可以清晰便捷地觀察干涉圖樣，實(shí)現(xiàn)了波長差較高精度的測量。偏振光檢測及干涉實(shí)驗(yàn)中，利用手機(jī)光敏傳感器及陀螺儀，基于布儒斯特角測量原理進(jìn)行了三棱鏡折射率的測量，實(shí)驗(yàn)中測量了手機(jī)屏發(fā)光的偏振態(tài)等。手機(jī)相機(jī)觀察和記錄了偏振干涉及邁克爾遜干涉的干涉圖樣，手機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)干涉條紋的自動計(jì)數(shù)等。

（二）提升教學(xué)管理效率

采用微信、微信公眾號、小程序等，教師隨時更新教學(xué)資料，及時發(fā)布課程通知，與學(xué)生及時交流。新的教學(xué)模式提升了教學(xué)管理效率，解決了實(shí)驗(yàn)人員不足的問題。

（三）激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

新的教學(xué)模式極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新熱情。特別是采用智能手機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)的測量和觀測，學(xué)生紛紛學(xué)習(xí)自己手機(jī)中相機(jī)及探測器的性能；查閱相機(jī)的性能參數(shù)，探索用于實(shí)驗(yàn)記錄的最優(yōu)拍攝模式；廣泛查閱手機(jī)具有的傳感器性能參數(shù)，了解各類手機(jī)測量及數(shù)據(jù)處理App開發(fā)的基于手機(jī)傳感器的實(shí)驗(yàn)；嘗試開發(fā)實(shí)驗(yàn)專用App及小程序等。

（四）進(jìn)一步建設(shè)展望

“物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)”新的教學(xué)模式取得了良好的效果，同時該教學(xué)模式仍有多方面的不足，需要進(jìn)一步改進(jìn)提升。實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料有待進(jìn)一步充實(shí)和完善，更多地采用微課的形式，更多以視頻的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)資料的展示。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)心理，設(shè)計(jì)思維導(dǎo)圖，組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)習(xí)資料，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和意愿。

本文基于微信社交平臺的優(yōu)勢開發(fā)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，利用微信公眾號構(gòu)建教學(xué)平臺，利用課程微信群進(jìn)行交流，課堂簽到、提問等需要采用不同的微信第三方小程序，切換頻繁。計(jì)劃未來開發(fā)課程專用小程序，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、干涉條紋計(jì)數(shù)、課堂簽到、提問等功能，最終實(shí)現(xiàn)微信公眾號+微信小程序的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，進(jìn)一步提升學(xué)生的學(xué)習(xí)感受和教學(xué)效果。

結(jié)語

本文利用移動互聯(lián)網(wǎng)提供的信息傳輸及交互功能，開發(fā)利用手機(jī)的傳感、信息采集、信息處理等功能，探索基于移動互聯(lián)網(wǎng)與智能手機(jī)的“物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)”新的教學(xué)模式。該教學(xué)模式能充分利用移動互聯(lián)網(wǎng)和移動端的信息化功能，補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足，提高教學(xué)管理效率，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性。教學(xué)實(shí)踐表明，該教學(xué)模式可以有效地提高“物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)質(zhì)量和效果。