普通物理實驗教學改進計劃

普通物理教學實驗

改進計劃

規劃者：普物實驗課程規劃小組

申請日期：96.04.16

普通物理教學實驗改進計劃

規劃者：普物實驗課程規劃小組

A. 計畫摘要：

普通物理實驗課為大學教育中一門極重要的基礎課程，且為支援全校性實驗教學之必修課程，96學年度將服務理、工、原子科學和生命科學等四個學院共21班1070位大一學生，可說是全校班級數最多、修課人數最龐大、使用率最高、負擔最重的實驗課程。然而，本校普物實驗除在1980年代時曾在教育部經費的補助下做過較大規模的變動和更新後，就未再有過大筆經費的補助進行較具規模的改善工作。近年來修習普物實驗的班級數和學生人數快速成長，但實驗儀器卻逐年損耗過時，相較台灣大學和中央大學近年來在普物實驗課程上的積極改善情形，以及國內多所成立較晚的新興大學而言，本校普物實驗的設備可說頗具歷史和年限。近一、二十年來國際上教學實驗設備的設計有很大幅度的改進，而本校所使用的設備遠遠落後許多。為爭取吸引全國資優學生來校就讀，並有效率地培育資優學生，則積極加速基礎教學實驗之儀器設備的改善、提升教學內涵和實驗品質是目前刻不容緩的工作。因此，本系積極規劃未來五個階段的普物實驗改善計畫。

本計畫將於不同階段陸續完成下列工作要項：

1. 實驗空間調整工程：因應修課班級數和人數的增加，亟需重新調整普物實驗空間的配置，建置一個具多元化功能的優質實驗教學環境，以大幅提升學生的學習效率。

2. 添補各實驗所欠缺的套數：每組實驗需至少補足30套器材，以因應各班學生陸續增加至60人的需求。

3. 逐年更新老舊儀器和過時的實驗：分年與階段逐步更新損壞率高且早已達報廢年限多年的實驗器材，並淘汰不合時宜的舊實驗，改以符合現今實驗趨勢和教學時代潮流之的實驗內容和設備替換之。

4. 重編中文版普物實驗講義和教材：並編製e-learning實驗教材和補充教材，以供學生課外進階學習。

5. 編撰英文版實驗講義及儀器操作之英文說明：以應外籍生學生人數的快速成長。

6. 建置虛擬式e化普物實驗室：於所有實驗室空間內建置無線上網的環境，並架設普物實驗教學網站，以利實驗教學時進行線上講解和線上動態展示，或供學生隨時查詢實驗的相關資料和數據。

7. 成立物理演示實驗室(Demonstration Lab.)暨物理博物館(Physics Museum)：規劃並製作一系列無法於一般普物實驗課程中進行的演示實驗，及收集本實驗室老舊不用的實驗器材和本系各研究實驗室所淘汰或即將報廢的實驗設備，將之整理為參觀者可動手觸摸的教學示範設備，建置一座全國唯一的物理博物館。此兩空間不僅可供一般普物課程之示範展示用，亦可供自然科學之通識課程之教學展示用，更可提供中學生或一般民眾來校參觀時展示用，以及辦理資優生科學活動營用。

The future Physics Museum at Tsing Hua University

B. 計畫內容：

一、普物實驗課程說明：

普通物理實驗課為大學教育中一門基本且重要的基礎課程，藉由實驗可讓學生熟悉所學之力學、熱學、流體力學、電磁學、基本電路、光學、光電及近代物理的現象和原理，於實驗過程中亦能教導學生認識，並熟悉基本測量工具及各式電子儀器，進而訓練學生獨立實驗、解決實驗困難及建立分析數據的能力。

本課程為支援全校性實驗教學之必修課程，目前總共服務理、工、原子科學和生命科學等四個學院共20班978位大一學生(不包括重修生和轉學的補修生)。96學年度將新增一班工學院學士班60位學生，故96學年度將共計21班預估將有1070位大一學生必修此課程。詳細的修課班級和人數統計資料見表一。

每學期八個實驗，上下學期每位學生必須做16個實驗，實驗以兩人一組，故每一實驗每年度的使用率高達近500組次，1000人次；96學年度更將高達535組次，1070人次。因此，本實驗課程可說是全校班級數最多、修課人數最龐大、使用率最高、負擔最重的實驗課程。本年度各院開始推動雙主修班、下學年度亦將啟動繁星計畫，以及未來新系所的增設等，均將使得本課程所需服務的班級數和修課人數逐年增加。

二、本校普物實驗課程資源現況及與他校現況資源比較

近十年來各研究級大學為能有效爭取資優高中生入學，紛紛進行改善各校的基本教學實驗室和更新教學儀器設備，其中普物實驗室的改善和相關儀器設備的汰舊換新被列為第一改善目標。因普物實驗課程是一般高中生較容易理解、認知的大學實驗，也常被用以當做各校是否重視基礎實驗教學的參考指標之一。一個優質的普物實驗室，除提供全校性實驗教學外，亦可做為中學師生參訪大學校園的參觀重點，並可用以辦理資優生入學前的先修課程、承辦各式科學營活動，亦可向國科會科教處或教育部顧問室申請經費辦理大眾科普教育推廣活動。優質的普物實驗室和良好的教學成效，必能為學校爭取到許多資優學生，並獲取最佳的口碑，更可拉近大學校園和社會大眾間關係，消隬社會普羅大眾對物理科學的恐懼感和排斥心。

是以近年來國內不論國立或私立大學院校都積極於普物實驗教學的各項改善，如儀器設備的定期更新、年度維護費的提升、實驗內容和教材的更新、e-化線上學習教材編撰、演示實驗設計和製作等等多元化的工作。但諸多方面的更新和改善，需要至少一至兩位專任教師全心全力的投入，才能獲得實質有效的提升，如台大和中央大學普物實驗的即是在各聘任了數位專任或專案教師全職從事普物實驗規劃工作後，才獲得具體且大幅的實質改善。國內各校有鑑於好的基礎實驗教學才能為學生未來的研究基礎打好穩固的根基，故近年來各校亦積極於專任或專案實驗教師的聘任。如台大物理系於95學年度即特別以資深專任教授的職位禮聘國立高雄師範大學物理系前任系主任傅昭銘教

授，專職該系普物實驗的規劃和改善工作。台大物理系並特別向校方爭取了兩年兩仟多萬元的專案經費，並已開始著手積極進行普物實驗教學的改善工作，此外，並另有六位專任的助教和技術員專職支援普物實驗教學課程，及多位兼任助教和任課教師分別負責各班實驗課程，見表二之統計資料表。

另如國立中央大學物理系有鑑於普物實驗對大學基礎教學的重要性，故自91學年度即開始積極改善該校的普物實驗設施和課程內容。該實驗室近年來不僅在人力資源上投入許多人力，每學年度更投注了許多儀器設備費(詳見表二)，故近年該校普物實驗課程的教學品質獲大幅的成長，並獲教育部評鑑委員極高的肯定。近年並特別積極建置物理演示實驗室及開發各種有趣的演示實驗教具，以達最佳教學成效，廣獲高中及大學院校校師生肯定。

近一、二十來國內陸續成立的多所國立大學，由於這些學校成立較晚，故所添置的普物實驗設備相較本系之設備新穎且先進許多，本系普物實驗室內許多設備建置於1980年代，多已有超過20年以上的歷史。表二列出了國內幾所知名大學之普物實驗課程的人力資源和近年用於改善普物實驗的經費情形。從表中，不難看出本校普物實驗課程面臨了下列幾個困境，亟待解決。

1. 缺乏專職專任教師的人力資源，以致無法有較長程的規劃和大格局的具體改善計畫。

2. 缺乏較大筆的器材設備更新費用，以致無法進行有效具體的整體改善規劃和工作。

3. 缺乏與其他大學院校之普物實驗室間的競爭力

4. 對擬報考理工及生命科學系的高中資優生缺乏強而有力的吸引力

表二：國內幾所國立大學普物實驗課程之人力資源和近年改善經費補助情形。

[註*：僅統計全職負責普物實驗課程的人力，不包含帶普物實驗課程的教師]

三、普物實驗室空間之現況和改善需求

本系普物實驗室的空間包含3間實驗室、3間實驗講解室及3間實驗器材儲存、維修暨準備室，共9間。以下說明目前空間和設備不足的幾個窘境：

1. 目前每一間實驗室僅能容納26組實驗52位學生同時做實驗，但本學年度已有許多班級的修課人數多於52人，96學年度將有9班學生人數超過55人，甚至有4班高達60人以上。屆時這些班級的部分學生必需被拆散到其他班級做實驗，若果如此將嚴重影響到這些學生選課、排課和做實驗的權益困難。因此，未來實驗室調整為至少能夠容納30組實驗的空間，並儘速增添所欠缺的實驗桌和實驗椅，已成為目前本改進計畫當務之急的工作項目。96學年度數學系和化學系兩班的學生數將分別達65人和63人，故每班仍有幾位同學必須3人一組，如此勢必無法符合教育部所規定兩人一組實驗的基本要求，或多的同學必須轉至其他班修課。另一解決之道是將超過60人上的班級拆成兩班，但使之維持在同一天下午上實驗課，以避免影響該班其他課程的時段安排。但若如此，則必須增設一間新實驗室，使每一時段同時可有四個實驗室可做實驗，此法亦將面臨空間重整問題，但可解決儀器設備套數的短缺問題。

2. 目前2間講解室各僅可容納約100人聽講，必須修改成至少能夠容納120人的空間。此外，原來的講解室並非梯型教室，所以，坐在後面一大半的同學易被前面同學擋住視線，而不易看到前面黑板的解說，更看不到擺置在講台上做為講解用的儀器設備和器材的展示。因此，如何做一些適當的空間設計和改善，以使教師講解時室內所有同學都能清楚地看到黑板上、螢幕上以及講台上的儀器示範操作和說明，也是當務之急的要務。

3. 3間器材室除存放設備器材外，亦做為兩位實驗技術人員的辦公室和維修室，但由於空間有限，儀器置放架幾乎已架到接近室頂了。此外，由於空間嚴重的不足，以致技術人員的小辦公桌必須同時充當儀器維修桌。然而，有許多儀器長度較長較佔空間，維修時又必需使用到其他檢測設備和維修工具，以致小小辦公桌兼做為維修桌實在不恰當，故亦有調整空間的需求，並添購標準型維修桌專供儀器維修使用，以利安全。

4. 由於空間的重新配置，故空調裝置亦需隨之調整。此外，普物實驗空間內許多空調裝置已經相當老舊，冷房效率極低，若持續使用老舊不堪的高消耗冷氣裝置，則不僅無法得到良好的空調效果，更徒然增加使用時不當的電力消耗。因此，擬更換數台已不堪使用的冷氣裝置，以達到節能省電的功效。

5. 擬於1,2樓教室外走廊的空間規劃建置一物理演示走廊，做為示範實驗和物理實驗發展史的展示空間，以有效充分利用普物實驗的空間範圍，並使普物實驗的資源充分發揮多元化教學的功能，提升學生課外的學習興趣和效率。進一步的規劃詳見「七、成立物理演示走廊」一節的說明。

基於上述原因，本計畫首要之務是實驗空間調整改善工程，建置一個優質的實驗教學環境，以期能夠大幅提升學生的學習品質和效率。且寄望此工程能儘速在96年暑假進行，以因應96學年度修課班級數和學生人數的增加，且必須於96學年度開學之前完成，以應上課的需求。

四、實驗器材現況和改善需求

目前上課所做的18個實驗，每個實驗備有26-28套器材，未來每一個實驗至少需備足30套設備，另必須預留2-5套做為講解和備套實驗用。因此，短期內必須儘速補足各實驗所欠缺的套數，每組實驗至少需補足30套器材，以因應各班學生陸續增加至60人的需求。96學年度數學系和化學系兩班的學生數更將分別高達65人和63人，故每班仍有幾位同學必須3人一組，如此勢必無法符合教育部所規定兩人一組實驗的基本要求。另一解決之道是將超過60人上的班級拆成兩班但於同一天下午上實驗課，但若如此，則必須增設一間新實驗室，使每一時段同時可有四個實驗室可做實驗，此法亦將面臨空間重整問題，但可解決儀器設備套數的短缺問題。

普物實驗現有儀器設備和器材多為數十年來陸續添購，並經技術人員長期以來用心的維護和精心改良才有如此完整的設備，但即使最經得起磨損和使用的設備，在每年度500多組次的高度使用率，和長年的使用下總有破損，甚至達不堪使用的時候。此外，許多實驗器材原來的製造商不是早已不存在，就是早已不再生產舊器材和零件，致使許多過於舊型的儀器或器材無法維修或更換，目前即有許多組實驗面臨零件和耗材遍尋不到的困境。因此，未來擬分年逐步更新不合宜，以及損壞率高且早已達報廢年限多年的實驗器材，並以符合未來教學時代潮流的實驗設備和內容替代之。

根據力、熱、聲光、波、電磁、近物、奈米、能源等領域逐年更新1-2個領域的新實驗模組，每一套實驗各需30組設備和器材。

未來本課程的改進目標將著重在下列幾個方向：

(1)為提高普物實驗的內涵、學生的學習興趣和提升學生發揮創造力的空間，建議應儘速增聘專精於實驗教學方法與器材的專任教師，以專職於發展具教學效率及具演示效果的新實驗。但本系由於教學人力嚴重不足，除物理系的普物實驗課是由本系專任教授擔任外，其他科系的普物實驗課則由資深博士班研究生以兼任講師的身份擔任之，通常一位兼任講師負責兩班。各班並配一位碩士班研究生擔任兼任助教，負責實驗的進行和改實驗報告。系內雖有指派一位專任教授擔任普物實驗課程的召集人(不一定有帶普物實驗課)，但此召集人完全無開課學分抵免的補償，加上召集人亦有其他教學研究的負擔，故實在無法放置太多的心力在普物實驗的各方項規劃和改進上。故建議參考目前國內各校，聘用專任或專案教師專職負責普物實驗課程的總規劃和各項改善工作，以使用全部休習普物實驗課的學生能夠獲得最佳的學習成效。

(2)大多數物理實驗方法的精密與複雜性是人工記錄數據或控制步驟所難以勝任，使用電腦化實驗控制與數據擷取分析近年來已成為教學實驗發展的必然趨勢。實驗數據擷取與控制分析的自動化也是產業界自動化流程及製造的必備基礎和技能。故未來本課程部分實驗的改進亦將朝結合電腦自動化控制的方向設計更新。使學生一方面可驗證物理知識，另一方面可學習自動化控制與分析的實用方法；量測精度與實驗效率若能顯著提昇，則自然可以使得學習效果與學習興趣顯著地增加。

(3)本課程的實驗大都為10至20年前所建立，目前的實驗器材老舊，易故障，極需汰舊換新。一些實驗內容亦需大幅更新，期望能與現今的奈米科技、光電量測及生醫工程等作密切的結合，以符合工學院、原科院和生命科學院的課程需求。擬添置的實驗器材，以實驗模組為單元，其未來的擴充性比較有彈性和開發性也比較高。未來逐年擬添購的各模組名稱、預估單價、可取代原老舊之實驗數、以及可衍伸的實驗數詳見表三。

(4)基本電子學實驗與光學實驗為本系光電組同學和多個相關科系之必備之基礎常識和實驗技能，故擬加強此兩領域的實驗內涵。

(5)除此之外，希望積極建立一些可增進學習興趣與教學效果的展示實驗，這些展示實驗亦可用於普物教學，建立展示實驗所需經費第一年為50萬元，第二至五年每年為55萬元。負責這部份的教學改進與實驗設計的教師則是成敗關鍵，此專任教學教師的每年薪資約110萬元。

表三：擬添置的實驗模組名稱、單價、需求數量、總價需求預估表

5. 普物實驗講義現況與改善規劃：

現有實驗講義僅中文版教材，為十多年前物理系集諸多教授一起編製完成的，目前則尚無英文版講義和英文儀器操作手冊(部分操作手冊甚至是日文版)。由於部分老舊儀器或器材因原零件已不易購得或種種原因，已使用其他替代品取代之，所以部分實驗器材和實驗步驟已經和原來實驗講義內所描述的內容多有不符之處。因此，實驗講義有迫切重新大幅更新的必要性。並擬編製e-learning實驗教材和補充教材，以供學生進階學習。另因應外籍生人數的快速成長，英文實驗講義及英文儀器操作說明的編撰工作，也勢在必行。

5. 建置無線上網的教學環境和虛擬式普物實驗室：

目前僅技術人員的維修室設有網路線，其他實驗室和講習室均沒有網路連線的配置和電腦裝置，以致所有實驗室空間沒有可上網教學或查詢瀏覽資料的功能，對老師和助教的教學講解、以及學生學習有許多的不便。故規劃於短期內建置無線上網的環境，以利實驗時的線上講解和線上動畫展示，或供學生隨時查詢實驗的相關資料。未來並將建置一個虛擬式學習的普物實驗室，提供一般未修課者在家進行虛擬實驗。

5. 成立物理演示走廊：

規劃並製作一系列無法於一般普物實驗課程中進行的演示實驗，亦可供一般普物課程之示範解說物理原理用。也可提供中學生或一般民眾來校參觀時展示用。此外，擬利用一、二樓教室外的走廊部分規劃物理演示走廊，設計一些有趣的示範展示實驗或可動手操作的教具呈列於走廊上所設計的展示空間，讓同學在實驗之餘可學習更多有趣的物理現象和實驗。亦可將一些淘汰下來的普物實驗器材，或精選系內將淘汰下的研究設備，經整理維修後，做為「科學實驗歷史演進回顧篇」的展示內容。一般的普物教學課程，教授亦可因應教學需求，帶領學生和要求學生觀摩學習。校外人士來校參觀訪問或學校辦理大眾科學教育活動時，亦可做為參觀的景點或演示活動用。期使本實驗室的資源得到充分的利用，並大幅提高普物實驗多元化教學的功能和效益。希望「演示走廊」的功能能夠在善盡教學之效外，亦能成為本校特色之一。

5. 經費需求：

表四列出本計畫依五個階段(5 phases)逐段改進所執行的工作項目和所需的經費，以及預估可能執行的學年度。

表四：依五個階段(5 phases)逐段改進所執行的工作項目和所需的經費，及預估的學年度。

九、預期成果：

未來的實驗課程不應再只是侷限於課堂上有限時間的實驗操作與學習，優質實驗課程的基本條件除了須能隨時提供可跟得上教學和研究潮流的實驗內容和器材外，亦要求能夠提供多元化的教學方式及多管道的學習方式，始能大幅提升學生的學習成效。本計畫即根據以上原則和基礎所規劃的改善計畫，我們相信透過這些改進後，必能提供同學一個優質的實驗學習環境和資源，對學生未來更近一階段的學習必會有很大的幫助。

附錄一：普通物理實驗課程的教學改善建議和規劃構想

規劃者：普物實驗規劃小組；規劃日期：96/03/10

改善規劃首重在提升學習成效之教學方式的調整，其次是實驗內容和儀器方面的改善，同時製作一套適性且多功能化的數位化學習教材、建置線上學習網站和數位學習環境。最後，我亦建議應該將所製作的中文化本土教材，翻譯成英文版本，使清華物理系多年所累積的教學成果，也能成為國際上其他師生廣為引用的優質教材。以下針對前述所提之建議改善的部分作分項說明。

一、實驗教學方式的改善：建議可改由修課同學上台自行作簡報

現代教學的主旨不在教的多、教的深，而在學生是否能獲得實際的學習成效和提升其積極學習的樂趣，進而提升學生學習的自信心。然而，現今大部分教學體系中的基礎實驗教學，特別是普通物理和化學實驗課程，教育工作者對學習者總是採用較為消極的被動式教學方式，即由教師或助教於實驗前先講解實驗目的、原理和實驗操作過程，並要求學生於課前做好預習的實驗報告，然後到了實驗課堂上，即讓學生直接開始進行實驗。但學生通常依傳統習性將講義上的資料原封不動地抄錄下來，以致大部分同學在此種較屬消極式的規定下，並未真正於實驗前充分了解實驗的內涵和流程。此種方式和教學流程雖然簡單方便，且節省課堂時間，但卻剝奪了學生對學習動機的培養和學習樂趣的激發，更剝奪了學生於實驗前訓練自我準備的精神，以致學習成效不易彰顯。

個人建議可安排每一組同學一學期中至少負責一個實驗的簡報，並上台講解，取代傳統由老師或助教做講解安排，要求同學除實驗課本上所成列的基本資料外，另應自行收集相關資料，做成簡報檔案和完整的資料報告，並於課堂時間上台簡報自己所準備的資料。

開辦的第一學年可先選擇物理系和一、兩個其他理工系班級先試行之，以作為日後是否全面推廣的可行性評估。該實施方式建議可申請國科會科教處計畫或教育部顧問室相關的教學改進計畫協助實施和經費的補助。

二、增加同學彼此間評量之功能：可增進同學間彼此觀摩學習的機會

要求台下同學為上台報告的同學進行評量，由教學組負責人事先設計一份評量表以供使用。如此不僅可增加學生實驗前的準備工作和學習樂趣外，更可同時訓練同學製作簡報資料和上台報告的能力。而台下同學為進行評量和考核，則將可大大提升其聽講的注意力和為同學評分的樂趣，上台報告的同學事後也可根據同學的評量結果檢討自己的缺點，以做為未來改進的參考和依據。

教學小組或助教可將優質的簡報和所收集的資料經適當修改後，張貼到普物實驗課程的教學網站上，供其他同學參考討論。

三、實驗學習成果競賽：於學期末了辦理觀摩展示和競賽活動

每學期由普物實驗室的經費中，撥出一小部分經費，於學期末了時，辦理一場成果展示和競賽，可要求每組同學將整個學期(或學年)內所寫的實驗報告裝訂成冊，並於會場中展示，並從自己的報告中挑選一份寫得最好的報告，製成海報參加展示和競賽。邀請所有普物實驗老師或各系系主任擔任評審，選出成果表現最優異的班級頒給最佳團體獎、個人最佳成果獎和數個佳作，並頒給適當的獎金和獎狀，以資鼓勵。展示和競賽內容亦可有部分是以創意實驗之設計作為競賽內容，以激發學生的創造力和實驗設計能力。

表現優異的海報亦可做為次一學年度普物實驗室內佈置美化用，如此可使普物實驗室每年均有新的氣象和佈置作品。

四、DIY普物實驗設計：

要求兩組同學於一學年中合作設計出一個DIY普物實驗，內容可不在原有的實驗內容中，但須在普物課程的範圍內。

五、修訂或更新實驗內容：以三年為期，逐年修訂或更新之

更新的原則和考量以新的物理主題和實際應用相關的主題，盡量考慮以能在台灣自製和維修或實驗室內可自製的儀器為實驗設備的實驗項目做為優先更新的實驗。

六、建置數位教材和數位教學網站

1. 美化原實驗課本的印製內容和編排，提升普物實驗課本整體內涵和印製品質

2. 製作實驗簡報：為每一個實驗製備一份完整的上課簡報檔案。

3. 拍攝每一實驗操作影片

4. 建置「線上普物實驗室」數位化網站---網站內包含下列功能和資訊：

   1. 課程介紹：

   2. 實驗室成員介紹：包含教師、技士、助教成員的介紹和聯絡方式

   3. 修課班級清單、課表和學生名單：

   4. 實驗講義：含目的、背景、原理和實驗步驟

   5. 實驗儀器：包含儀器設備和器材之實物照片、儀器規格、使用說明和注意事項

   6. 實驗步驟：增加實驗流程圖

   7. 實驗操作影片

   8. 建議與注意事項

   9. 相關知識

   10. 相關實驗

   11. 優質相關網路連結

   12. 小測驗(QUIZ)

   13. 進階物理實驗

   14. 經典實驗介紹

   15. 優質成果報告觀摩：前人的實驗經驗

   16. 線上問卷評量：包括學生學習成效評量、實驗教材評量、教師和助教教學態度和成效評量。

   17. 線上討論區：問題與討論

   18. 布告欄或最新消息

網頁的架構待進一步詳細規劃

5. 重新給每一個實驗有趣或實用的新名稱，以增加實驗教材的趣味性和可讀性

七、製作英文版教材：屬於較長程的規劃

將精心製作的中文化本土教材，翻譯成英文版本，使清華物理系多年所累積的實驗教學成果，也能成為國際上其他師生廣為引用的優質教材。

以上各項改善規劃可向國科會科教處申請計畫案、數位計畫案或教育部顧問室相關的教學改進計畫，若能獲得所需之經費補助，即可使改善工作順利進行。有關教材內容和實驗裝置的變更，需有待相關教師實際操作後，且評估其成本後，才能提出更新更有用的改進規劃，故在此暫不多加敘述。