摘要：物理實驗的學(xué)習(xí)對學(xué)生進一步掌握物理理論知識，深化物理理論的思考有很大的幫助。不同的教學(xué)模式對學(xué)生的培養(yǎng)效果不同，而進行大學(xué)物理實驗多種教學(xué)模式的混合實施對學(xué)生的思考和創(chuàng)新能力會有良好的效果。本文對比了傳統(tǒng)大學(xué)物理實驗?zāi)Ｊ胶蛿?shù)字化實驗教學(xué)模式，分析了兩種教學(xué)模式的特點，并從實踐上驗證了PASCO數(shù)字化實驗平臺能較好地提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞：PASCO物理實驗；大學(xué)物理實驗；實驗教學(xué)模式

中圖分類號：O642.0文獻標識碼：A

一、物理實驗教學(xué)

實驗教學(xué)在提高學(xué)生的動手能力，改善學(xué)生的創(chuàng)新思維上有積極的作用。因而如何更好地開展實驗課程，改進實驗教學(xué)，對學(xué)生的能力培養(yǎng)有很大的幫助作用。由于當今世界的科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件、信息、網(wǎng)絡(luò)、半導(dǎo)體器件等高新技術(shù)的革新速度越來越快，社會對于人才培養(yǎng)的要求也相應(yīng)提高。因而在當下嚴峻的競爭環(huán)境中，如何適應(yīng)社會的需求去培養(yǎng)學(xué)生，則是學(xué)校教學(xué)改革思考中一個普遍面對的內(nèi)容。

大學(xué)物理實驗作為基礎(chǔ)實驗，在增加學(xué)生對物理概念的理解方面扮演著重要的角色，在學(xué)生磨煉自己的科學(xué)研究能力上也有很大的幫助。這些實驗給學(xué)生提供了實際操作設(shè)備的經(jīng)驗，給予他們應(yīng)用理論概念、分析數(shù)據(jù)進而得出有用結(jié)論的機會。此外，大學(xué)物理實驗還能在理論和實踐之間架起橋梁。由于課程和課本只給學(xué)生提供一些理論性的知識，實驗則讓學(xué)生能夠直觀地看到這些理論概念在實際生活中的應(yīng)用。通過動手操作實驗儀器，學(xué)生可以觀察現(xiàn)象、改變某些實驗變量以及驗證某些猜想，這種直接的體驗可以幫助他們鞏固思想并激發(fā)他們科學(xué)思考的能力。

物理實驗教學(xué)同樣幫助學(xué)生磨煉了科學(xué)研究及多種專業(yè)領(lǐng)域里需要用到的相關(guān)技能，這些技能包括設(shè)計實驗、數(shù)據(jù)搜集和分析以及對實驗結(jié)果進行科學(xué)的評估。通過計劃、實施和分析實驗，學(xué)生會學(xué)習(xí)到如何闡述問題、設(shè)計恰當?shù)难芯糠椒ê徒忉寣嶒灚@得的數(shù)據(jù)。這些技能不僅會對學(xué)生將來學(xué)習(xí)物理有有益的幫助，還會讓學(xué)生在其他需要分析思維和解決問題能力的職業(yè)以及科學(xué)技能的訓(xùn)練中游刃有余。物理實驗同樣促使大學(xué)生具有一種好奇而嚴謹?shù)奶剿骶?。通過實驗操作，學(xué)生會更有提出問題、開拓新想法的熱情，繼而對實驗的研究對象有一個更深刻的理解。他們學(xué)會了如何把猜想條理化、通過實驗試探答案和批判性的評估實驗結(jié)果。這種受好奇心驅(qū)使的學(xué)習(xí)經(jīng)歷不僅能增強學(xué)生的物理知識，還能讓學(xué)生對科學(xué)探索和科學(xué)發(fā)現(xiàn)抱有一份終生的熱情。

更進一步來看，大學(xué)階段的物理實驗教學(xué)讓學(xué)生參與團隊合作、加深組員交流并體驗協(xié)同工作的氛圍，從而豐富他們在這些情境下的經(jīng)驗。很多物理實驗都需要學(xué)生作為團隊中的一員開展工作，這種團隊合作的環(huán)境也對他們將來職業(yè)生涯的發(fā)展有很大的幫助。而學(xué)生在動手操作實驗儀器時，往往能夠主動收集實驗設(shè)備的相關(guān)信息，結(jié)合物理理論知識對實驗數(shù)據(jù)進行深入的思考分析。未來學(xué)生在面對更復(fù)雜的問題時，這種分析問題、解決問題的能力會幫助他們更好地找到方向，這種能力是符合國家對創(chuàng)新型人才的需求的。［1］當然，目前普遍的大學(xué)物理實驗教學(xué)模式只能部分滿足這種培養(yǎng)需要。因而，結(jié)合新型的實驗平臺，研究新型的實驗教學(xué)模式，將傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式與新型實驗教學(xué)模式相結(jié)合，則會更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

二、傳統(tǒng)實驗教學(xué)

為了讓學(xué)生能夠親自動手操作實驗，并從實驗操作中獲得對實驗對象的深入理解，學(xué)校很長時間以來都是在大學(xué)物理實驗課程中采用傳統(tǒng)的實驗教學(xué)手段。雖然這些實驗教學(xué)方法為學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了很多好處，但客觀地認識到這種教學(xué)方法的不足之處對更好地促進學(xué)生能力的發(fā)展也會有很大的幫助。

（一）傳統(tǒng)實驗教學(xué)的優(yōu)點

由于使用可以直接進行實驗教學(xué)的實驗儀器，大大縮短了教學(xué)準備時間，且傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式經(jīng)歷了長久的發(fā)展，相關(guān)內(nèi)容經(jīng)過多年的積累已非常成熟。教師在進行傳統(tǒng)教學(xué)的過程中，如果遇到相關(guān)的問題，也有以往的很多教學(xué)經(jīng)驗可以參考。學(xué)生使用成熟的實驗儀器進行實驗的過程中，也能從網(wǎng)絡(luò)中尋找類似的資源，從而方便實施學(xué)生自己的學(xué)習(xí)計劃。

傳統(tǒng)實驗教學(xué)采用的成熟實驗儀器可以使教學(xué)活動迅速展開，學(xué)生能夠從這些實驗儀器本身的設(shè)計思路上學(xué)習(xí)老一輩物理學(xué)家搭建實驗的技巧，這些巧妙的實驗設(shè)計能夠啟發(fā)學(xué)生的思維，學(xué)生操作過程中能夠再次體會到理論與實驗的完美結(jié)合。這種思想是以這些實驗儀器為載體的。這些承載在實驗儀器上的物理思想，通過儀器本身而傳遞，讓一代又一代的學(xué)生在操作過程中完成這種人類璀璨知識結(jié)晶的傳承。

同時，動手操作實驗設(shè)備也使學(xué)生能夠?qū)⒗碚摳拍顟?yīng)用到真實的物理現(xiàn)實中，從而獲得對物理法則和理論應(yīng)用更直觀實用的理解。這種理論同實驗的結(jié)合讓學(xué)生無意間就把各種復(fù)雜的概念融會貫通并能夠牢牢地保存在記憶深處。物理實驗還能鍛煉學(xué)生動手解決問題的能力。在設(shè)計實驗環(huán)節(jié)，履行操作步驟的過程中，一旦在某個操作環(huán)節(jié)遇到故障，都需要學(xué)生運用縝密的思維去排查可能的問題?？茖W(xué)嚴謹?shù)乃季S、正確有效的推理思路都會在這一階段讓學(xué)生獲得鍛煉和發(fā)展，而有些困難還需要學(xué)生們互相幫助協(xié)作才可能解決，這樣就培養(yǎng)了學(xué)生在團隊中的溝通交流和組織合作的能力，而這些都只有在人與人直接交流的傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式下才能實現(xiàn)。

（二）傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足

傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式能夠很好地讓學(xué)生學(xué)習(xí)優(yōu)秀的實驗物理學(xué)家的思想，他們在思考物理理論時獲得靈感，并將這些靈感通過實驗儀器展現(xiàn)出來，通過與儀器直觀的接觸就能讓學(xué)生很好地體會到這些內(nèi)容。

但實驗教學(xué)不僅僅是對已有知識的學(xué)習(xí)，也是要讓學(xué)生通過操作儀器而鍛煉他們的動手能力，更重要的是要讓學(xué)生通過對實驗的學(xué)習(xí)獲得一種創(chuàng)新能力，也就是能夠提出更新穎的實驗設(shè)計思路的能力。而成熟的實驗儀器由于被設(shè)計得十分完善，經(jīng)過多年的工藝改良也使得它集成化程度過高，無法滿足學(xué)生后期對實驗設(shè)備繼續(xù)進行改裝的要求。實驗儀器設(shè)計的歷史悠久，使用年限較長。由于這些儀器多年未更新，教學(xué)內(nèi)容變得陳舊落后，已無法滿足新時代的實驗教學(xué)要求。較為固化的實驗教學(xué)也會降低學(xué)生對物理實驗的探究熱情，這在教師對實驗教學(xué)效果的總結(jié)和反思中都有提及。

此外，教學(xué)中需要使用豐富的資源，其中可能會包括某些特種設(shè)備和材料，對這些資源內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有限了解會妨礙學(xué)生動手實驗的效果。大學(xué)課程的標準學(xué)時也可能會限制可以開設(shè)實驗項目的種類，從而縮小了學(xué)生可以接觸到的實用型應(yīng)用的范圍。一些物理實驗中也會遇到安全方面的隱憂，比如較高的電壓、輻射或者是危險的生化藥品等。在面對這種實驗物品的時候必須使用嚴格的安全防護措施，但也同時降低了學(xué)生直接接觸操作的實驗體驗。這些對安全的考慮有可能約束實用性實驗的深度和影響范圍，從而全方位地縮減了傳統(tǒng)實驗教學(xué)想要達到的教學(xué)效果。

在物理實驗中，一些研究變量的可重復(fù)性和可調(diào)節(jié)性是獲得準確和有用實驗結(jié)果的重要條件，然而由于大學(xué)環(huán)境與真實環(huán)境在實際使用時的一些差異，使有效的調(diào)節(jié)和重復(fù)實驗變量變得頗具挑戰(zhàn)，這會在闡釋數(shù)據(jù)時存在潛在的錯誤和矛盾，并且降低實驗結(jié)果的可信賴性和正確性。另外，傳統(tǒng)實驗教學(xué)可能無法滿足多樣化學(xué)習(xí)風(fēng)格以及幾乎全體學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。某些學(xué)生也許對動手操作實驗情有獨鐘，但另一些學(xué)生則對不同種類的學(xué)習(xí)工具感興趣。因此，將多種實施教學(xué)的方法和不同的學(xué)習(xí)風(fēng)格以及個性化的實驗學(xué)習(xí)體驗相結(jié)合對學(xué)生的物理實驗教學(xué)是非常有必要的一種嘗試。

總之，傳統(tǒng)實驗教學(xué)為學(xué)生提供了包括實用性、辯證思維、團隊合作和學(xué)習(xí)積極性等多種方面的好處，但也在實驗條件和實驗時間受限、安全設(shè)施的采用、在重復(fù)實驗和控制實驗變量方面的困難以及個性化學(xué)習(xí)方案的需要等方面存在一定的不足。為了能夠最大程度地發(fā)揮物理實驗教育的效果，一些對傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法進行補充的新型實驗平臺也需要在學(xué)校課程的設(shè)計中被考慮進來，并使傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法與新型實驗平臺在實驗教學(xué)中相互補充，共同促進學(xué)校在培養(yǎng)學(xué)生綜合能力方面的教學(xué)效果。

三、數(shù)字化實驗平臺

物理學(xué)通常需要依賴實驗來幫助我們獲得對真實世界的更深層次的理解，但傳統(tǒng)實驗室條件下的物理實驗對實驗數(shù)據(jù)的處理和修改與當前社會的計算機技術(shù)水平有很大的脫節(jié)。數(shù)字化實驗平臺很好地將傳統(tǒng)實驗設(shè)備的操作與當下快速發(fā)展的計算機技術(shù)整合到一起，為更好地拓展學(xué)生學(xué)習(xí)和研究范圍提供了可能。

（一）數(shù)字化實驗平臺的優(yōu)勢

數(shù)字化實驗平臺在實驗儀器的使用上仍然和傳統(tǒng)實驗教學(xué)相同，這保證了學(xué)生依然可以像以前一樣與真實的實驗儀器接觸，鍛煉動手能力。而在實驗數(shù)據(jù)的收集和處理方面，數(shù)字化實驗平臺則充分發(fā)揮計算機技術(shù)的優(yōu)勢，將學(xué)生操作儀器后獲得的實驗數(shù)據(jù)自動記錄到計算機中，從而能夠快速高效地實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的收集、處理和圖形化等一系列工作，極大地節(jié)約了學(xué)生在傳統(tǒng)實驗室完成實驗的時間，使學(xué)生能夠?qū)W習(xí)到更多的實驗項目。實時的數(shù)據(jù)分析也使快速和精確地展開實驗變得更加便利，使學(xué)生能夠及時對數(shù)據(jù)結(jié)果做出判斷并整理出有意義的實驗結(jié)論。此外，方便的數(shù)據(jù)收集和處理也能讓學(xué)生更好地專注實驗操作，增加學(xué)生反復(fù)搭建和操作實驗的次數(shù)，強化學(xué)生對實驗的理解，增強學(xué)生對關(guān)鍵物理概念的掌握。

（二）PASCO實驗平臺介紹

美國PASCO公司生產(chǎn)的數(shù)字化物理實驗平臺可以很好地幫助學(xué)生進行創(chuàng)新性實驗設(shè)計，將實驗儀器模塊化，學(xué)生可以利用這些模塊進行多種實驗項目的自由搭建。同時，使用數(shù)字化物理實驗平臺也是對物理實驗數(shù)字化教學(xué)的一次實踐探索。［2］該實驗平臺主要由三個部分組成，包括物理實驗涉及的光電力熱等傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分析軟件，能夠讓學(xué)生實現(xiàn)多種實驗項目的操作學(xué)習(xí)，這些實驗覆蓋力熱光電磁等物理內(nèi)容。簡單的軟件操作讓學(xué)生能夠更快地進行實驗，且數(shù)據(jù)采集快速方便，從而縮短學(xué)生獲得實驗數(shù)據(jù)的時間，并大大提高學(xué)生處理實驗數(shù)據(jù)的效率。通過設(shè)備和軟件的配合自動采集實驗數(shù)據(jù)，也能降低學(xué)生做實驗時測量實驗數(shù)據(jù)的誤差。與傳統(tǒng)實驗平臺不同，數(shù)字化實驗平臺簡化了實驗數(shù)據(jù)處理的過程，將學(xué)生實驗操作的重心轉(zhuǎn)向?qū)嶒灤罱ㄉ希寣W(xué)生利用數(shù)字化實驗平臺提供的模塊化實驗儀器，根據(jù)課程要求進行一定程度上的自由組合。

（三）數(shù)字化實驗教學(xué)的開展

教師開展課程時可以不嚴格按照書本內(nèi)容，通過提前給出實驗?zāi)康牡姆绞?，讓學(xué)生自己動手實踐，嘗試把不同功能的實驗儀器進行組合搭配，從而完成對實驗儀器的熟悉。由于這種實驗課程的開展方式并不局限于固定的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生可以在操作實驗的過程中充分發(fā)揮自己的想法，開拓更多完成實驗?zāi)康牡姆绞健?/p>

數(shù)字化實驗平臺在實驗數(shù)據(jù)處理上的優(yōu)勢使學(xué)生可以減少實驗課程中在處理實驗數(shù)據(jù)上花費的時間，將更多的時間花在熟悉實驗儀器的功能及設(shè)計實驗上，通過對實驗內(nèi)容的仔細思考，對不同實驗設(shè)計思路的嘗試，學(xué)生會比在傳統(tǒng)實驗課堂上學(xué)到更多的實驗儀器的原理和理論知識，在達成實驗?zāi)康牡倪^程中不斷進行實驗方法的試錯，則能夠磨煉學(xué)生的實踐技巧，提高學(xué)生的實驗設(shè)計能力。

由于數(shù)字化實驗教學(xué)內(nèi)容的靈活性，學(xué)生在參與實驗時需要對實驗內(nèi)容有一個熟悉的過程，教師在實施數(shù)字化實驗教學(xué)時也需要讓學(xué)生經(jīng)過不同難度的課程內(nèi)容，逐漸熟悉如何進行數(shù)字化實驗內(nèi)容的學(xué)習(xí)。因此，數(shù)字化實驗教學(xué)通常采取分階段的形式開展。［3］在實驗開展初期，可以讓學(xué)生嘗試一下比較簡單的實驗項目，通過這些初期階段的實驗項目，學(xué)生將對數(shù)字化實驗平臺的儀器有一個大致的了解，比如對各種傳感器的使用方法、一些特殊的實驗儀器的組合方法等。經(jīng)過第一個階段的實驗內(nèi)容的教學(xué)后，學(xué)生對整個數(shù)字化實驗平臺會有一個整體的印象，能夠?qū)W習(xí)到如何使用實驗平臺的數(shù)據(jù)處理軟件對一些簡單的實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理。待學(xué)生通過這些簡單的實驗項目熟悉了實驗平臺的基本操作之后，就能夠讓學(xué)生進一步開始嘗試一些較為復(fù)雜的實驗，以及某些需要學(xué)生自己設(shè)計才能實現(xiàn)的創(chuàng)新型實驗，這種開展實驗的方式要求數(shù)字化實驗課的授課對象應(yīng)該是學(xué)生人數(shù)不多的實驗小組。

（四）數(shù)字化實驗教學(xué)實踐

通過傳統(tǒng)實驗和數(shù)字化實驗教學(xué)模式的對比和探索，以及學(xué)校前期的一些研究經(jīng)驗。［4］本校利用學(xué)生參加物理實驗競賽的機會，讓學(xué)生嘗試使用PASCO實驗儀器進行探究性實驗。學(xué)生選擇了實驗平臺提供的測量光譜的實驗項目對日常生活中使用的節(jié)能燈進行簡單的光譜分析。

學(xué)生通過操作光柵、透鏡及光感應(yīng)傳感器等實驗儀器，學(xué)習(xí)了它們的使用方法。在嘗試了一些初步的測量步驟后，使用實驗平臺自帶的Capstone軟件對測量結(jié)果進行了簡單的分析，大致掌握了該軟件的使用方法。經(jīng)過前期的經(jīng)驗積累，參賽學(xué)生對儀器的使用方法日趨熟稔，從而可以繼續(xù)后續(xù)的光譜分析的實驗內(nèi)容。最終在指導(dǎo)教師和參賽同學(xué)的共同嘗試下，完成了常見照明光源的光譜分析實驗的所有內(nèi)容，并在競賽中取得了不錯的成績。

通過這次數(shù)字化實驗室的教學(xué)實踐活動，學(xué)生不僅更好地學(xué)習(xí)了實驗儀器的操作，也完成了對光譜測量原理的理論學(xué)習(xí)，對波的干涉等物理知識點也進行了強化復(fù)習(xí)，更是通過對儀器的改裝和組合鍛煉了實驗創(chuàng)新能力。

結(jié)語

數(shù)字化實驗教學(xué)模式能夠更全面地培養(yǎng)學(xué)生，在教學(xué)效果方面比傳統(tǒng)實驗教學(xué)更好，但由于開展起來需要較高的條件，不能像傳統(tǒng)教學(xué)那樣按照固定的模式統(tǒng)一授課。且兩者培養(yǎng)的目標不同，不能簡單地用一種模式去完全替代另一種模式。更好的方式是把傳統(tǒng)實驗教學(xué)與數(shù)字化實驗教學(xué)進行有機的結(jié)合，合理安排兩種模式的教學(xué)時間，達到混合式教學(xué)的目的，這樣既能利用傳統(tǒng)實驗教學(xué)的優(yōu)點，滿足大部分同學(xué)練習(xí)實驗的需求，又能為少數(shù)有創(chuàng)新實驗設(shè)計興趣的學(xué)生提供實驗條件，達到創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求。

參考文獻：

［1］程小燕，陶靈平，王雷妮.淺談創(chuàng)新人才培養(yǎng)下大學(xué)物理實驗教學(xué)的改革研究［J］.內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2020（020）：209-210.

［2］李穎.大學(xué)物理實驗數(shù)字化教學(xué)改革的探索［J］.大學(xué)物理實驗，2016（4）：5.

［3］汪連城，吳慶春，金遠偉，等.基于PASCO平臺的設(shè)計性物理實驗教學(xué)［J］.科技視界，2021（20）：2.

［4］孫權(quán)海，駱海峰，史浩，等.基于PASCO實驗軟件的大學(xué)物理探究性實驗設(shè)計［J］.電腦知識與技術(shù)，2018（9X）：2.

基金項目：基于計算機數(shù)據(jù)采集的PASCO實驗教學(xué)模式研究（21zlgc056）；基于PBL的混合式大學(xué)物理實驗教學(xué)模式探索（22zlgc077）

*通訊作者：張廣文（1988—），男，漢族，安徽，碩士，講師，研究方向：中微子物理。

作者簡介：王雅婷（1999—），女，漢族，安徽人，碩士，助教，研究方向：理論物理；

程小燕（1987—），女，漢族，安徽人，碩士，講師，研究方向：光學(xué)。