虛實結合混合式大學物理實驗預習模式的實踐

譚佐軍，程其孌，陳建軍，魏 薇，盧 軍

(華中農業大學 理學院 物理系，湖北 武漢 430070)

大學物理實驗作為基礎實驗課程中的核心組成，對于提高學生的綜合素質，培養學生的創新精神與實踐能力具有重要作用. 傳統的大學物理實驗預習模式僅限于教材，隨著數字課程資源的上線，學生可以通過學習眾多的視頻、PPT課件、立體化教材等課程教學資源，寫出預習報告，預習時學生無法接觸到實驗儀器，對原理理解不深. 然而這種模式下，單純通過教學資源來掌握儀器構造、工作原理和注意事項很困難，教學資源中教學內容編排往往也沒留給學生獨立思考的余地，達不到預習效果，教師也無法評價學生的預習效果. 預習環節的不完善，使得學生進入實驗室后，對即將開展的實驗不熟悉，無法獨立思考，進行有目的地操作和觀察，無法利用掌握的知識對現象進行合理分析討論，學生也容易損壞實驗儀器，往往等著教師手把手進行指導，自主性、探索性、創新性的學習無從談起. 如何打破傳統的大學物理實驗預習模式，提高預習質量和預習效果，成為大學物理實驗教師需要重點解決的問題[1-3].

在“互聯網+教育”背景下的MOOC時代，實驗教學成為高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容之一，是學科專業與信息技術深度融合的載體，是高等學校培養學生創新精神和實踐能力的途徑[4]. 2016年被認為是我國虛擬現實產業的“元年”，國內眾多高校和教育合作企業積極投入虛擬仿真實驗平臺的建設中[5]. 在此背景下，我們依托虛擬仿真實驗預習和全開放預習實驗室開展了虛實結合混合式大學物理實驗預習模式的探索，將線上虛擬仿真實驗預習和線下全開放預習實驗室學習有機融合，充分發揮了遠程網絡學習和本地學習的優勢，提高了學生自主預習興趣、預習質量和預習效果.

1 虛實結合混合式大學物理實驗預習模式的構建思路

在預習環節，關鍵是讓學生能夠接觸實驗儀器設備并操作儀器設備，從而促進學生理解實驗原理，并自主設計實驗方案及實驗步驟. 面對現有實驗室人員有限、設備資源有限等普遍問題，避免學生對實驗設備造成不必要的損壞，虛擬仿真實驗為教學提供了技術保證.

虛擬仿真實驗教學是依托虛擬現實、多媒體、人交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗，達到教育大綱所需要的教學效果. 顯然，信息化技術特征、高度仿真的實驗環境和對象以及滿足本科教學是虛擬仿真實驗教學平臺的本質屬性[6]. 借助虛擬仿真教學，構建高度仿真的虛擬實驗操作環境，可以解決學生在預習過程中無法接觸實驗儀器設備、無法操作儀器設備、對實驗原理和實驗步驟無法產生深刻理解和認識的問題. 進行虛擬仿真操作后，學生往往對實驗有一定的了解，但僅僅進行虛擬仿真操作，學生不能達到預期的預習效果. 堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛”的理念，設計全開放預習實驗室，可以讓學生通過自由預約隨時進入預習實驗室進行預習，有疑問時，可以通過師生互動交流平臺進行答疑解惑. 圖1為虛實結合混合式大學物理實驗預習模式示意圖.

圖1 虛實結合混合式大學物理實驗預習模式示意圖

2 虛實結合混合式大學物理實驗預習模式的實現

2.1 線上虛擬仿真預習實驗平臺的設計思路

實驗預習的目的是全面了解和認識所要做的實驗項目，因此線上虛擬仿真預習實驗平臺需要從教學目標、教學內容、學習環境和效果評價3個方面進行設計[7].

從教學目標來看，學生完成的每個實驗都應有明確的學習目標，做到有的放矢. 教學內容需要有實驗目的、實驗原理、儀器介紹、引導操作、預習報告、預習考核等內容，按實驗項目分模塊，采用統一良好的導航結構，內容表現方式以全景、立體動態展示的形式，虛擬仿真呈現給學生，通過人機交互，完成大學物理實驗預習任務和預習考核任務.

大學物理實驗線上虛擬仿真預習實驗平臺營造的學習環境是學生開展實驗預習活動的場所，高度仿真的自主學習場景對于提高學生預習積極性和實驗興趣非常重要. 虛擬環境中的場景與現實實驗室高度一致，包括實驗室各種設備的放置、實驗室文化、安全設施、板書等，學生進入全景、立體動態的仿真實驗室環境進行實驗操作，以達到掌握基本技能操作的目的，學生也可以跟真實環境一樣獲取豐富的網絡數字課程學習資源，幫助學生理解實驗內容及相關儀器設備使用.

線上虛擬仿真預習實驗平臺主要采用虛擬實驗練習、在線測試、預習報告等形成性評價和總結性評價. 學生完成預習后，測試成績合格才能進入實驗室做實驗. 這樣有效地實現了物理實驗預習質量和預習效果的測評監控. 學生也可以及時了解自己的預習效果，調整和改進學習方法，從而達到預習要求.

2.2 線上虛擬仿真預習實驗平臺的設計實現

預習實驗平臺要求以3D模型為基礎，可進行全景觀測，學生可以進行良好的人機交互，平臺具備網絡交互功能，可以方便地擴展到IOS和Android平臺，并能適應觸摸屏操作. 因此，平臺選擇了Unity3D開發平臺.Unity3D是由UnityTechnologies公司開發的三維開發引擎，支持C#和JavaScript等語言開發擴展；支持SolidWorks、3DSMax、MaYa等建模軟件的輸出格式[8].

圖2 虛實結合混合式大學物理實驗預習模式示意圖

虛擬仿真預習實驗平臺包括實驗目的、實驗原理、設備介紹、引導操作、預習報告、預習習題6個部分，圖2為利用光的等厚干涉測量生物膜厚度實驗項目界面. 平臺具體設計分為建模和交互設計. 大學物理實驗虛擬仿真預習系統中看到的設備和模型都是真實場景中實物的再現，模型是組成虛擬仿真預習系統的基本部分，是虛擬現實的本質體現. 系統中的模型使用SolidWorks或3dsMax建立零部件三維模型(*.SLDPRT)，并進行配合完成整裝配(.SLDASM). 對模型轉換導出(*.OBJ/*.C4D/*.FBX). 在3dsMax中處理模型材質顏色等.

交互設計以引導操作為主(圖3)，底部顯示當前動畫的說明字幕，并有語音提示，給出正確的操作使用步驟，指明每個操作步驟應該采用的正確方法、必須完成的具體工作、需要注意的事項，視角自由控制，當學生操作時，如果操作過程出現錯誤則不能進入下一步，系統會給出提示幫助學生完成實驗. 預習平臺提供師生交流互動平臺，平臺可以促進師生互動、生生互動，促進學生協作學習，從而達到對實驗內容比較深刻的理解和掌握，真正實現學生為主體、教師為主導的教學理念.

圖3 虛擬仿真預習實驗平臺的操作引導

2.3 線下全開放預習實驗室的建設

建立線下全開放物理實驗預習實驗室，可以讓學生在經過虛擬仿真實驗預習后，進入預習實驗室，熟悉相關實驗儀器設備，將線上虛擬仿真預習實驗平臺獲得的預習知識與直觀的儀器使用體驗結合，從而達到很好的預習效果，學生帶著良好的預習準備基礎，進入實驗室，在實驗教師的指導下，自主完成實驗操作，通過觀察現象、定量測量、數據采集記錄，完成實驗課堂部分，課后按照要求完成實驗的實驗報告，使得實驗教學的各個環節都能達到教學要求.

全開放物理實驗預習實驗室采用全開放實驗室管理系統進行管理(圖4)，將大學物理實驗課程學生選做的所有實驗項目在該實驗室中放置1套裝置，每個實驗項目相關的儀器設備均采用電源控制系統，學生可以在實驗室門口的派位機上刷校園卡預約需要預習的實驗項目，并進行派位，派位成功后，自動開啟對應實驗項目的電源，學生在實驗室門口門禁刷卡后可以進入實驗室進行預習，預習實驗結束后，學生刷卡關閉電源，離開預習實驗室. 由于24h開放運行，為了保證實驗室的安全和設備的正常運行，實驗室安裝監控系統，管理員定時巡查，如發現存在異常，則可調出監控視頻查找問題. 教師和管理員也可在線實時查看預習實驗室和每個實驗項目的實時狀態.

圖4 線下全開放預習實驗室及預約派位

3 結束語

依托虛擬仿真實驗預習和全開放預習實驗室構建了虛實結合混合式大學物理實驗預習模式，創新了大學物理實驗預習模式，踐行了信息化技術與大學物理實驗教學的深度融合，將線上虛擬仿真實驗預習和線下全開放預習實驗室學習有機融合，充分發揮了遠程網絡學習和本地學習的優勢，提高了學生自主預習興趣、預習質量和預習效果，促進了學生向自主性學習、合作探究、研究性學習和創新性學習的轉變. 在“互聯網+教育”時代，隨著移動智能設備的廣泛使用，依托移動互聯網的移動學習將進一步推進教學方式的改革和創新，采用Unity3D開發平臺開發運行于移動智能設備的虛擬仿真實驗，可以讓學生在任何地方、任何時刻進行大學物理實驗預習，從而促進大學物理虛擬仿真實驗泛在化學習的研究邁入新的研究階段.

參考文獻：

[1] 楊廣武，朱飛，李靈俠，等.大學物理實驗開放式預習平臺的構建與應用[J]. 江蘇理工學院學報,2016,22(6):66-70.

[2] 張曉旭，王素紅，張勝海. 基于MOOC教育理念的大學物理實驗預習模式改革[J]. 大學物理實驗,2016,29(3):136-137.

[3] 周群. 大學物理實驗預習系統的構建與使用[J]. 大學物理實驗，2017,30(1)：141-145.

[4] 魏薇,譚佐軍. 慕課背景下信息技術與實驗教學的深度融合[J]. 中國高等教育,2017(7):54-56.

[5] 何焰蘭,彭剛,劉振祥,等. 大學物理實驗MOOC及教材的建設與探索[J]. 物理實驗, 2018,38(1):43-48.

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[7] 趙顏. 《大學物理實驗操作預習系統》網絡課程的開發與實踐[J]. 高教論壇,2008(6)：163-166.

[8] Potkonjak V, Gardner M, Callaghan V, et al. Virtual laboratories for education in science, technology, and engineering: A review [J]. Computers & Education, 2016,95(C):309-327.