CUPT模式下的居家物理实验线上教学实践

蒲贤洁 吴小志 杨骏骏 王少明 方泽昊

(重庆大学1物理学院;2物理实验国家级实验教学示范中心;3能源与动力工程学院,重庆 401331)

CUPT(China Undergraduate Physics Tournament)模式,是近年来重庆大学物理学院在《大学物理》和《大学物理实验》课程改革中,逐步探索并完善的一种研究性教学模式[1]。在探索过程初期,以基础物理实验室为载体的CUPT 模式研究性教学实践统计结果表明,实验室固定的实验仪器和实验方案限制了学生在知识运用和实验设计这两方面的能力提升,不能较好地发挥CUPT 模式自主研究探索的优势。

2020年春季突发的新冠疫情,阻断了师生返校正常行课的教学计划[2]。响应教育部“停课不停学、停课不停教”的号召,线上教学从过去的辅助地位转为了特殊时期的主流手段,给学校教育带来机遇与挑战。随着疫情防控势态的发展,各高校形成并适时调整教学方案,图1所示为重庆大学物理实验课程在此期间形成的教学方案,主要分为四个阶段:由网络直播、虚拟实验、居家实验到返校后的线下实验,构成适应线上、虚实结合、回归线下的特殊时期物理实验教学体系。由科大奥锐公司提供的虚拟仿真实验平台及时开启了实验教学线上教育新模式,学生的学习和操作效果可以结合系统评分进行评判。居家实验因其实地操作性弥补了虚拟仿真实验缺乏真实感、自主性低而限制性强等缺陷,但因实验操作在时间、空间上的师—生及生—生分离,使其在教学成效的检验方面存在困难。

本文探索将CUPT 模式研究性教学、居家物理实验、线上教学三者有机结合,通过在时间、空间维度上拓宽物理实验教学的操作和检验范围来化解特殊时期的实验教学困境。并通过与前期线下CUPT 模式研究性实验教学实践效果进行对比,探讨居家实验项目在CUPT 模式研究性实验教学中的积极作用。

1.1 CUPT模式迁移

CUPT 中文全称为“中国大学生物理学术竞赛”,是借鉴国际青年物理学家锦标赛(International Young Physicists" Tournament,IYPT),由南开大学于2008年首次引入国内[3]。CUPT 针对17个开放性的问题(没有标准答案),要求学生既分工、又合作,就赛题的基本知识、理论分析、实验研究、结果讨论等进行辩论性比赛。这种竞赛方式很好地强调了学生的自主性,突破了传统理论和实验教学的框架,更加注重综合能力的培养[4-7]。

重庆大学自2012年首次组队参加CUPT,至今已连续参加十届。通过CUPT 培养拔尖本科生的同时,我们也在逐步探索将其回馈第一课堂,并于2017年起在《大学物理实验》教学中进行试点改革[1]。为适应基础物理实验教学,采用常规实验项目和学生组队完成实验、撰写实验报告后进行辩论式答辩的模式。然而,在基础物理实验项目框架下,现成的实验仪器、统一的实验方案、固定的实验步骤,限制了学生的自主性和创新性,因而难以发挥CUPT 模式的最大效能[8-10]。

突如其来的疫情变故既是挑战也是机遇。居家实验项目脱离了实验室环境,没有专业仪器设备的支撑,依靠发掘生活中可以利用的工具搭建实验装置,从而也减少了思维上的束缚,满足培养学生自主能力的需求,因而具备作为CUPT模式研究性实验项目的要素。而可能存在限制的是因居家隔离无法实现的现场面对面辩论。回归线下CUPT的开展,其本身具有实验探索和效果检验这两个过程在时间、空间上分离的特征,如图1 所示。将CUPT的“校内实验+赛场检验”,迁移为“居家实验+线上检验”模式,开展物理实验的居家环境中操作和线上展示辩论,解决居家实验的效果检验问题。

1.2 CUPT模式-居家实验-线上的结合

在CUPT 模式指导下,为形成教学班级之间的对抗形势,以2 个教学班(材料10 班、能动06班)为例,向2个班学生发布4个居家物理实验题目,分别为:单摆测重力加速度、光栅衍射测屏幕分辨率、空气中声速测量、透镜焦距的测量(注:这4个题目为重庆大学物理实验中心组织任课教师从开发建设的8个居家物理实验题目中选出)。4个题目分两轮,按每轮2个实验项目开展,如图2所示。每个班分为2个队,共4个队,每队指派1名队长,由队长负责队员组织和队内分组分工。两轮的场次和题目分配如图2所示,4个队在两轮中都会经历正方、反方各1次,每一场题目的正方和反方来自两个不同的班。

图1 疫情防控期重庆大学物理实验教学方案

图2 CUPT 模式下的居家物理实验线上教学开展流程

发布题目和分组后,4个队根据发布内容(题目、基本原理简介),在每轮2周的准备时间里,自主讨论、查阅资料、选择器材、确定方案、搭建装置、测试数据、录制视频、分析数据、制作PPT 后进行线上辩论。

辩论在腾讯会议平台上开展,学生的展示内容包括PPT 讲解和直播实验(或录制的视频),每轮辩论均邀请了4位评委进行打分和点评,其中2位评委为上一学期刚修完大学物理实验课程的学生担任的助教(1人为CUPT模式研究性实验教学教改班学生,1人为普通教学班学生);1位评委为《大学物理》任课教师(也是CUPT 国赛、SWUPT西南地区赛裁判和教练);1位评委为《大学物理实验》任课教师。

2.1 线上辩论流程

图3 腾讯会议平台上的线上辩论流程

腾讯会议平台上的线上辩论流程如图3 所示。由这两个教学班的任课老师主持,包括开场介绍、整个过程的时间把控、全程记录、调节辩论中的节奏氛围等。每一轮分为两场,每场1个题目共50min。正方陈述展示中可以采用PPT 讲解实验原理、所选用实验器材、系统搭建、关键环节和数据处理分析,并以录制视频或直播实验的方式,呈现给反方和评委;而反方也可以在准备提问的5min内展示自方的实验关键环节,教师就可从中检验双方开展居家实验的效果,达到第一层目的。而双方的质辩和自由讨论则有利于使原本极易陷入误差困境的居家实验往精确细化方向发展,并可能发掘出新问题或者新方案。整个过程中,正、反方的陈述、组织、PPT 制作、实验环节展示、提问、答辩、总结都将综合体现学生的分工合作、对知识的掌握和运用、实验设计能力以及所付出的努力,而评分细则也是围绕这些方面制定,如表1所示。每一场题目的最后,设计了评委提问、点评环节,具有不同背景的4位评委,或将从物理理论、实验操作、CUPT 赛事等不同角度进行全方位的分析,有利于培养学生的综合素质和实践创新能力,从而达到第二层目的。

表1 线上CUPT模式辩论评分细则

续表

每一轮的两场题目完成后,4位评委分别根据自己的评分对4个队进行排序,私信发给主持人后,主持人将每队获得的4个序号数值相加作为该队的计分,计分数值越小则排名越靠前,如表2所示。

表2 评委排序汇总及计分、排名

2.2 学生展示——以透镜焦距测量为例

在线上辩论中,每一场题目,正、反方在内容组织、语言表达、实验展示、自由讨论环节都表现出了接近CUPT 全国赛的水平(其中1 位担任CUPT 裁判的评委点评)。以透镜焦距测量为例,发布居家实验题目时仅要求了二次成像法,正方却采用了自准直法、物距像距法和二次成像法这三种方法,从原理到实验均按照队里三个分组一一进行展示,并分析了三种方法的优缺点和误差来源,这让反方一开始感到措手不及。但是经过短暂时间的讨论后,反方迅速组织直播实验,利用中学时期购买的物理实验包中的透镜工具(图4(a)所示),配合快速的作图,指出并说明正方在简陋实验条件下等高共轴调节方面的不足,还提出了改进方案(图4(b)所示)。该方案中,首先将激光笔开关开启,放置在平台上,利用手机水平仪调节平台的前后高度,使激光光线保持与地面水平,标记激光在墙上的光点位置A;然后放置透镜,此时光线在透镜作用下会发生偏折,标记墙上的光点位置B;调节透镜高度,使光点在墙上移动与A点重合,根据图示可以发现光线是通过中心的,再将光源安放在激光笔的位置,激光笔则向左平移,这时可在透镜上安装磨砂塑料片,激光会在塑料片上产生光点,标记光点位置,并保证实验过程中移动透镜时光点在塑料片上的位置不改变,在没有光具座的情况下尽量做到等高共轴。

图4 线上辩论学生展示内容(以透镜焦距测量为例)

图5 居家物理实验线上CUPT 模式辩论调查问卷(七点量表形式)

为了考查CUPT 模式下居家物理实验线上教学的效果,在“问卷星”网络平台采用李克特七点量表形式编制了调查问卷,每轮结束后发放给参与者,如图5所示,为第一轮线上辩论后发放给参与学生和评委的问卷内容。选项1～7表示受测者对该项陈述的认同程度,分数越高,受测者的感受越符合当前描述。本次问卷内容的设计参照了CUPT 模式研究性实验教学探索初期的问卷调查内容[1],第1、2题是针对每轮开展的两个居家实验项目具体内容设置;第3～6题是考查学生通过这项教学活动在文献查阅、文献分析、知识运用、实验设计方面获得的能力提升,以便与前期开展的线下基于基础大学物理实验内容的CUPT 模式研究性实验教学进行对比研究[1];第7、9题记录参与的题目、小组和学号,用于统计分析;第8题填写建议,学生普遍反映这种形式的实验教学“对自主学习能力和团队协作能力的提升有很大帮助”,也有学生经过思考提出“讨论的成分应该大于辩论的成分”……参与者的感悟和建议对于持续改进CUPT 模式研究性实验教学具有非常重要的意义。

两轮问卷调查统计结果如图6所示,分析可得:(1)所有题项平均分都高于中间分值4分,整体评价偏正面;(2)自己亲自参与的居家实验项目,评分高于未参与而旁听观战的项目,例如图6(a)中,重力加速度正、反方在量表第1题“重力加速度”问题的评分高于其在第2题“屏幕分辨率”问题的评分,而屏幕分辨率正、反方在量表第1题“重力加速度”问题的评分则低于其在第2题“屏幕分辨率”问题的评分,图6(b)同理可得相同结论;(3)第一轮的两场题目(图6(a)上、下图),反方均值高于正方,分析可知这是由于反方在参与过程中需要寻找问题而更加细致,这点由学生填写的建议“作为反方做实验的时候,比自己做实验更加注重细节”得到印证。然而对于第二轮(图6(b)),这个现象不统一,排除小组的评分习惯(例如:第一轮重力加速度正方即为第二轮透镜焦距反方,评分习惯性偏低),在知识运用和实验设计方面,反方评分都具有高于正方的趋势;(4)图6(c)所示为学生评价和评委评价综合统计结果,评委和学生的评分均值趋势一致。由于学生样本量较评委大,所以标准差较小,特别是评委在关于文献查阅、文献分析、知识运用方面的评价标准差较大,这与四位评委的背景有关;(5)不管是评委还是学生,在知识运用、实验设计方面的评价,都高于文献查阅、文献分析,对比于前期线下CUPT 模式教学问卷后测(图6(d))[1],出现了反转,说明居家实验项目内容和线上CUPT 模式结合,在知识运用和实验设计上,能更好地调动学生的积极性和自主性,而线下模式中实验室固定的实验仪器和实验方案限制了学生这两方面能力的提升,不能较好地发挥CUPT 模式自主研究探索的优势。因此,居家实验的开放环境、CUPT 模式的自主基调、线上展示的自由发挥,三者有机结合,极大地发挥了CUPT模式的效能。

图6 问卷统计

本文在2020 年疫情变故带来的挑战和机遇中,将CUPT 模式研究性教学、居家物理实验和线上教学三者有机结合,开展CUPT 迁移模式的物理实验居家环境操作和线上展示辩论,化解特殊时期的实验教学困境。实践表明,CUPT 模式可以在时间、空间维度上拓宽物理实验教学的操作和检验范围。进一步的量表评价对比研究,说明脱离了实验室环境的居家物理实验项目在知识运用和实验设计方面,能更好地发挥CUPT 模式培养学生自主研究探索能力的效能。因此,居家物理实验不仅可作为特殊时期的必要教学方案,亦可作为CUPT 模式研究性实验教学的常规项目。本项教学实践的教学设计、开展流程及量表统计分析结果,将为后疫情时期的研究性实验教学和学生综合素质及实践创新能力的培养提供参考。