人機料法環模式下大學物理實驗教學研究*

張 蕓

(陸軍步兵學院理化教研室 江西 南昌 330103)

大學物理實驗是軍隊院校高等教育學員的一門必修通用基礎課，它對于培養學員觀察分析物理實驗現象、運用實驗研究物理問題的能力，養成理論聯系實際、實事求是的科學作風，勇于探索、認真嚴謹的科學態度具有深遠的意義[1,2].深入貫徹習近平強軍思想，全面貫徹新時代軍事教育方針，適應“三位一體”新型軍事人才培養體系建設需求，結合陸軍步兵學院的自身特點，大學物理實驗課程應持續加力，厚實基礎，實現提質增效發展，全面滿足培養高素質新型步兵指揮軍官的目標要求，為戰育人.

1 基于人機料法環模式大學物理實驗教學的問題分析

人機料法環是全面質量管理理論中的5個影響產品質量的主要因素的簡稱[3].它不單被廣泛應用于全面質量管理研究領域，也在汽車專業情境教學[4]、應用型高校工商管理專業實驗教學[5]、機械應用型本科課程設置等方面[6]，有一定的應用研究，但是非常有限，而且尚未發現該模式應用于大學物理實驗教學的實踐研究，這也成為本文的切入點.由此，我們可嘗試使用人機料法環模式來分析大學物理實驗教學中的問題.陸軍步兵學院自2017年恢復高等學歷教育，大學物理實驗課程教學平穩有序開展，但是大學物理實驗在教學中暴露出的問題存在分析不夠徹底，解決不夠到位的現象.因此，全面分析大學物理實驗教學中存在的問題尤為重要.下面就從人、機、料、法、環5個方面進行詳細分析.

1.1 人的分析

1.1.1 教員

人的參與者主要是教員和學員.教員在教學中為戰育人思想體現的不夠明顯.大學物理實驗任課教員多為地方高校畢業后直接從教，對部隊了解較少，軍事素養水平不夠，為戰育人的思想體現的不夠明顯.

1.1.2 學員

學員基礎參差不齊.授課對象為大二高等教育學員，包括直接參加全國統一高考錄取的高中理科生學員和通過全軍考試招錄的士兵學員.兩者學習背景差別較大，基礎不一.

1.2 機的分析

機是指實驗中的各類儀器設備.實驗中儀器損壞較多，有的屬于正常損耗，例如鈉燈、汞燈、激光器等光源故障，也有的是人為導致的，主要是未按規程操作導致的損壞，特別是計量器具，如螺旋測微器.

1.3 料的分析

料包括教學中的教學內容和實驗中的易耗品.教學內容的設置源于培養理工科學士，通用于軍隊院校，理論性較強，與課程思政和軍事應用融合的不夠緊密，與學員未來任職需求有差距.另外，實驗中易耗品的管理還需進一步規范，特別是金屬類、電子類器材.由于南方天氣潮濕，容易導致金屬生銹或儀器故障.

1.4 法的分析

法與教學中的教學方法、手段相關聯.在教學中，側重理論知識的傳授，為了在規定的時限內完成教學大綱規定的教學內容，基本按照實驗背景、原理、儀器和步驟的流程進行講述[7]，方法較為傳統.另外，基本上都是先理論講述，后實驗操作，手段較為單一.教員講的多，而學員實操較少，“學員為中心”體現的不明顯.

1.5 環的分析

環主要涉及學習氛圍.軍校學員平時除了文化課程的學習，還有軍事體能訓練，學習任務和訓練繁重.而且部分學員對大學物理實驗不夠重視，存在預習不到位、課堂互動不活躍、上課打瞌睡或走神、數據處理記錄和處理不規范、實驗報告完成質量不高等現象，學習氛圍不夠濃.

2 基于人機料法環模式大學物理實驗教學的設計思路

文獻[4]提出將人機料法環滲透到汽車專業教學情境中，通過對學生、設備、材料、方法、環境的充分分析及效能的發揮，讓項目教學的老師積極啟發學生采取新思維學會學習、善于學習.其研究思路為大學物理實驗教學研究提供了有力指引.因此，針對大學物理實驗教學中在人機料法環方面存在的問題，我們選取典型性的基礎實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”為例，從人機料法環方面開展全面的大學物理實驗教學研究，同時自然融入思政元素和軍事應用，努力提升大學物理實驗教學質量水平，全面滿足培養高素質新型步兵指揮軍官的目標要求.

3 基于人機料法環模式大學物理實驗教學的實例探討

3.1 主導的人——教員

堅持以學員為中心，教員為主導，充分發揮教員的主導作用，在熟練掌握教學內容和熟曉儀器操作的基礎上，進一步深入挖掘思政元素，自然融入軍事應用，與學員未來任職需求相聯系，服務于培養高素質新型步兵指揮軍官的目標要求.

3.1.1 教員要熟練掌握教學內容

俗話說，教員要有一桶水，才能教給學員一碗水.教員必須要熟練掌握教材中的知識.具體可從以下2個方面進行實施.

一方面，教員可嘗試從學員的角度，采取通讀教材的方法，對原理、儀器、操作進行熟悉.如實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”中，教員可自己推導光杠桿法的原理，切身了解楊氏模量測定儀的調整和使用方法、光杠桿法、逐差法作為實驗的重難點知識難在哪，把握內容主次，提煉精華部分，為教學的開展奠定基礎.

另一方面，教員也要根據實際情況，提前做好預案.為了在課堂上能有效解決學員提出各種問題或遇到各種狀況，教員要在充分解讀教材基礎上，從學員的角度思考，可能存在疑問的地方.如實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”中，光杠桿法的不足之處在哪？還有沒有其他辦法測量楊氏模量？提前做好準備.

3.1.2 教員要熟曉儀器操作

大學物理實驗作為一門實踐課，教會學員如何操作儀器開展實驗，是最基本的要求.作為教員更是應該提前了解儀器的基本信息，掌握操作流程，明確注意事項，做好充分準備，確保實驗的有序開展.實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”中，儀器設備包括楊氏模量測定儀、游標卡尺、螺旋測微器、卷尺等.首先，教員要根據實驗儀器說明書和標簽信息，了解儀器的規格參數，并根據教材中的實驗步驟，進行操作，記錄并處理數據.其次，根據教學實際情況，確定儀器操作中的注意事項.例如，操作螺旋測微器測量金屬絲直徑時，應先旋轉粗調旋鈕至逼近被測物，然后改用細調旋鈕接觸被測物，至棘輪發出“咔咔”兩聲，進行讀數.而學員在操作時，往往直接使用粗調旋鈕直接擰緊，導致金屬絲實驗數據偏小，也使螺旋測微器損壞較多.因此，在教學中，可以將螺旋測微器的操作細則作為注意事項，適當進行強調.

3.1.3 教員要深入挖掘思政元素

教學中思政元素的融入，能有效提高教學質量，助力培養德才兼備的人才.思政元素包括社會主義核心價值觀、科學精神等，可以從課程的人文背景知識中挖掘，也可以通過實驗課程的開展進行深入研究.實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”中，首先，從實驗相關的科學家入手.通過介紹楊氏模量提出者托馬斯·楊天賦異稟，卻又刻苦努力，在許多領域都有建樹，被譽為“世界上最后一個什么都知道的人”，以此激發學員謙虛、不要驕傲、努力拼搏的科學精神.其次，從實驗操作和數據記錄挖掘.例如，實驗的加力過程中，超出預加載力值時，不能反旋施力螺母，這個操作看似無關緊要，但是以彈性滯后的相關理論作為支撐，要求學員嚴格按要求操作，結合數據記錄中有效數字的取位、單位的書寫、表格的設計等情況，教員采取鼓勵、引導的方式，讓學員發現問題、解決問題，以此培養學員大膽實驗、嚴謹認真的態度.

3.1.4 教員要恰當融入軍事應用

軍事應用的融入，能體現教學為戰育人的特點，也能滿足學員未來任職的需要，激發學習興趣.根據教學內容的基本概念和儀器特點，嘗試將軍事應用融入到課程的方方面面.實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”中，首先由主要概念楊氏模量入手.楊氏模量主要用于表征材料的力學性能，楊氏模量越大，越不容易發生變形，剛性越好.各種軍用裝備設施離不開材料，可知楊氏模量與軍用裝備密切相關.結合學院培養新型步兵指揮官這一特點，探討步兵分隊的常用配置機槍架在射擊過程中產生的彎曲變形與楊氏模量的聯系.然后，將儀器操作與學員的訓練實踐相聯系.例如，將實驗中望遠鏡的調節與軍用望遠鏡相結合，讓學員自己摸索望遠鏡的調節，教員適當引導，然后總結操作細則和注意事項.

3.2 到位的機、料、環——儀器、易耗品、實驗室條件和學習氛圍

充足的儀器、易耗品和完善的實驗室條件，為實驗的順利開展提供了物質基礎，體現在了日常的使用、維護和保養方面.教員在開課前對儀器設備的數量、使用狀態、精確程度等逐一進行檢查，開課期間，及時記錄上報發現的問題，開課結束后，再次全面進行檢查并記錄上報，確保后續實驗的正常運行.

實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”中，開課前嚴格按照實驗步驟，對每臺儀器都進行實驗，得到金屬絲的楊氏模量，同時在測量的過程中，記錄哪些儀器加力時數值不穩定、望遠鏡中的標尺像不水平、測量結果誤差較大等問題.根據實際情況，分析哪些能自己解決，如果有不能解決的問題，如儀器傳感器故障導致加力數值不穩定，則總結上報給實驗室負責人，聯系專業人員進行維護.其次，及時充實易耗品儲備.實驗中的易耗品有螺旋測微器、光杠桿裝置、金屬絲等，根據教學需求，提前做好采購需求.

另外，確保實驗室其他條件到位.實驗授課在專門的實驗教室開展，實驗室負責人要根據實驗的最大容納人數，核實教室的桌椅數量和使用情況及時調整，還需要對多媒體設施、空調、水電、衛生條件等提前做好保障.

良好的學習氛圍，是教學活動開展的有力保障.通過參觀演示實驗，讓學員親身體驗、感受有趣的實驗現象，為物理實驗的學習打下積極的感情基礎；借助課程介紹和往期實驗競賽中取得的成果展示等，讓學員了解物理實驗的重要性，激發學員學習的興趣；課堂上采取多樣化的教學方式，增加課堂互動，提高課堂參與度；與學員隊干部、學員骨干溝通交流，強調課程的重要性，嚴格規范課堂秩序管理，通過檢查實驗預習情況、批閱實驗報告單、實驗成績反饋等方式，提高學員的重視程度.

3.3 恰當的法——教學方法和教學手段

根據教學內容和學情，在理論部分，采用多媒體教學，結合講授、儀器演示、提問互動等方式，引導學員分析問題，解決問題.實踐部分，以學員動手為主，教員輔助指導，鼓勵學員多思考、多動手、多實踐，培養學員的動手實踐能力.結合學員基礎參差不齊的情況，以及實驗課程的特點，主要采取如下的方法：

(1)以問題為牽引，采用激勵措施激發學習熱情

根據“是什么、為什么、怎么辦”的邏輯思維，提出實驗的主要問題，再結合目標、課程思政和軍事應用要求，拆分小問題，由簡入難，環環相扣，逐步遞進，以問題為牽引，開展教學活動，激發學員的學習興趣，調動學習的積極性和主動性，提升學員的綜合素養.實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”中，提出“什么是楊氏模量?楊氏模量有哪些用途?如何通過拉伸法測得楊氏模量?”3個大問題.在“什么是楊氏模量?”中，分解出“哪位科學家提出了楊氏模量？”，積極融入思政元素；在“楊氏模量有哪些用途?”中，以軍事應用為導向，體現軍事特色；在“如何通過拉伸法測得楊氏模量?”中，拆分成“楊氏模量測定儀由哪些部件組成?望遠鏡如何進行調節?實驗的工作原理是什么?”等問題.恰當融入軍事應用，借助提問互動和加分獎勵，鼓勵學員積極回答問題.然后，教員通過黑板板書或PPT演示總結歸納，兼顧基礎較弱的學員.

(2)以學員為中心，嘗試采用先實驗操作后原理總結

參考通過現象觀察揭示物理規律的研究思路，嘗試先實驗操作后原理總結的方法，讓學員多動手，多實踐，體現以學員為中心.實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”中，首先，以提出的3個大問題為牽引，依次講述實驗背景、儀器、步驟、數據處理，開展實驗操作.在實驗操作的過程中，穿插問題引導，例如，讓較快調試好儀器的學員講述自己的經驗，教員再加以適當歸納，鼓勵其他學員主動獨立完成實驗.然后，數據記錄中，以異常數據為例，指引學員正確操作儀器.例如，某學員測量光杠桿常數為67.13 mm.由于實驗要求使用游標卡尺測量光杠桿常數，游標卡尺的精度為0.02 mm，由此可知測量值異常，分析可能是利用了直尺測量或者不會使用游標卡尺進行正確讀數，這就需要教員了解情況，采取適當的解決辦法.最后，在完成楊氏模量測量的基礎上，通過提問互動，讓學員自己結合自己的操作流程，來總結實驗儀器的工作原理，更好地理解實驗設計的初衷.

(3)以人機料法環模式，開展實驗誤差分析

在實驗報告的誤差分析撰寫中，多數學員無從下筆，或者分析不全面不徹底，在此可引導學員基于人機料法環模式，對實驗誤差來源進行分析.實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”中，對比楊氏模量測量值和理論值的差異，分析誤差來源的思路如下：

人，主要與學員有關，如操作習慣、個人判別能力、知識儲備等；

機，指實驗中的儀器設備，楊氏模量測定儀和測量工具的精確度、靈敏度、穩定性等；

料，指實驗中的金屬絲，如金屬絲生銹、直徑分布不均勻、彎折等；

法，主要指實驗中測量的原理方法，如實驗中光杠桿法測量的前提是θ角很小，而實際操作中光杠桿前后足之間的距離比較近時，則會產生誤差；

環，指實驗環境的影響，如實驗臺面是否平穩無振動、測試時是否無風、溫度是否穩定等.

4 結論

基于全面質量管理理論中的人機料法環模式，對大學物理實驗教學中存在的問題進行了較為全面的分析，以基礎性實驗“拉伸法測金屬絲的楊氏模量”為例，通過發揮教員的主導作用，儀器、易耗品、實驗室條件和環境的到位協助，教學方法和教學手段的恰當應用，探討了如何有效開展大學物理實驗教學.但是由于實踐經驗還不夠充足，后續還需要不斷實踐探索，汲取經驗教訓，不斷提升大學物理實驗教學質量，全面滿足培養高素質新型步兵指揮軍官的目標要求.