近代物理實驗課虛擬實驗教學調查與分析

陳 卓，張志華，于婷婷，赫 麗，方 愷

(同濟大學 物理科學與工程學院，上海 200092)

虛擬實驗是指借助于多媒體與仿真技術，在計算機上營造實驗操作環境，實驗者可以通過相關操作進行實驗，像在現實實驗室中一樣完成各種實驗項目[1].虛擬實驗教學系統則是基于虛擬實驗技術的網絡化計算機教學系統，是面向教學的虛擬實驗室.虛擬實驗教學系統一般可以分為虛擬實驗平臺、虛擬實驗教學管理兩部分[2].虛擬實驗平臺功能與真實實驗臺類似，學生通過鼠標和鍵盤輸入等方式，對虛擬實驗場景中的虛擬儀器進行配置、連接、調節和使用[3].開展虛擬實驗教學過程中，需要通過虛擬實驗教學管理系統向學生、教師和管理員提供實驗教學管理功能[4]，采用網絡化的虛擬實驗管理可以有效地提高虛擬實驗技術在教學上的應用效果[5].仿真實驗在改善實驗教學環境，改革實驗環節上起到重要作用，使實驗教學擺脫課堂和課時的局限，在時間和空間上得到延伸，從而提升了大面積實驗課程教學的質量和水平[6].

本研究使用的虛擬實驗系統為科大奧銳公司的虛擬實驗系統，內嵌31個虛擬實驗，包括力學、熱學、電磁學、光學及近代物理等方面的實驗.學生可以通過登陸虛擬實驗系統下載實驗大廳，安裝后可進行虛擬實驗.系統還提供用戶管理，實驗統計以及在線演示等功能，學生可以查看實驗相關內容和演示.在近代物理實驗課教學中，學生使用該實驗系統，豐富了實驗教學內容，提高了實驗教學質量.通過問卷調查，本項研究工作對學生學習虛擬實驗的認知和態度以及特定因素與學習效果的相關性等進行比較分析和綜合研究.

1 虛擬實驗研究進展

虛擬實驗的研究興起于20世紀40～50年代，歐美國家在虛擬實驗方面研究較早，目前在該領域處于領先地位，研究領域比較廣泛，包括軟件開發、硬件開發、使用效果研究等，開發的虛擬實驗主要用于實驗教學、軍事培訓等方面[7].

美國猶他州立大學于2008年開發了PCR Virtual Lab，它是基于Web瀏覽的虛擬實驗，學生通過鼠標單擊、拖動等操作，根據提示信息和實驗內容完成相關實驗操作，并即時獲得相應的實驗效果和實驗信息.

我國在20世紀90年代初開始虛擬實驗的相關研究，開發了一系列實驗教學軟件.一些高校開發了基于計算機網絡技術的虛擬實驗室[8-9]，如浙江大學化學系開發了虛擬有機化學實驗，中國科技大學在1996年開發出第一套虛擬實驗教學軟件，1998年升級為Windows版本，之后在規模和虛擬技術水平上不斷提高和完善.

2 教學調查方法和過程

虛擬實驗的教學應用與推廣開辟了實驗教學的新途徑.為了了解近代物理實驗課程和虛擬實驗項目的教學應用情況，本文對學生關于虛擬實驗的基本認知和態度及學生實作實驗能力與虛擬實驗能力相關度等問題展開了調查研究.

研究對象為大學三年級本科生，共33名.在其近代物理實驗課上除了實作實驗部分，還加入虛擬實驗部分，每名學生需在系統上完成3個確定的虛擬實驗項目，并提交實驗報告，由教師進行評分，根據學生實作實驗得分情況和虛擬實驗部分得分情況進行相關分析.學生使用系統之后，實施了問卷調查，發放了33份問卷，回收31份，其中有效問卷29份.問卷內容包括對實驗課教學情況和學生對虛擬實驗認知和態度的調查.通過使用SPSS對問卷內容進行分析，得到實驗課教學情況和學生對虛擬實驗認知和態度的調查結論，給出合理的分析和建議.

3 研究結果和結論

3.1 學生態度調查

問卷調查了近代物理實驗課程的學生態度等，本文使用SPSS對數據進行多重響應的頻率分析，根據結果分析現狀，給出結論和建議.

“關于目前物理實驗課教學存在的問題”的調查結果如圖1所示，調查結果說明了目前物理實驗教學中現存的一些問題及其出現的頻率，其中實驗儀器損壞失靈給實驗帶來麻煩的問題出現頻率最高，學生應付實驗報告、實驗內容理解與物理原理聯系少的問題和學生熟悉實驗儀器功能步驟時間太短等也是常見的問題.

圖1 物理實驗課教學存在的問題統計圖

對于以上出現頻率較多的問題，使用虛擬實驗提供了一種解決問題的途徑，可以避免儀器損壞的情況，用虛擬實驗預習以提高課堂上做實驗的效率等，學生在課后也可以通過虛擬實驗來隨時復習實驗內容.

3.2 虛擬實驗認知和態度調查

關于“虛擬實驗能幫助學生在哪些方面得到提高”一題的調查結果如圖2所示，反饋調查結果說明學生在使用虛擬實驗后認為自身在以下幾個方面有所提高：自主解決問題能力、實踐能力、智力水平、創新能力、批判性思維以及決策能力.

圖2 虛擬實驗能幫助學生在哪些方面得到提高的統計結果

關于“虛擬實驗與實際操作儀器相比所具備的優點”的調查結果如圖3所示.調查結果說明學生在使用虛擬實驗后，認為其具有的突出優點為：可以隨時隨地進行實驗，以及使用虛擬實驗不用擔心設備損壞問題和安全問題，還可用一些造價昂貴的、平時難以接觸到的儀器設備等方面.

圖3 虛擬實驗與實際操作儀器相比所具備的優點統計圖

以上結果說明，學生在進行虛擬實驗后認為其具有較好的安全性，更少的時間、空間限制性，使用虛擬實驗能在自主解決問題能力、實踐能力和智力水平上得到提高.教師應積極引導學生學習使用虛擬實驗，在實際實驗教學過程中，可采取實作實驗和虛擬實驗并行的方式，培養學生多方面的素質和能力.

3.3 實驗能力與虛擬學習效果的相關性分析

本文考慮用學生虛擬實驗成績表征虛擬學習效果，探究學生實驗探究能力與學習效果的相關性，用學生近代物理實驗課前5次實作實驗成績平均值表征實驗探究能力，用3次虛擬實驗成績平均值表征虛擬學習效果，進行相關性分析.

表1表明，學生實作實驗成績與虛擬實驗成績呈現中度相關性，可推論學生實驗探究能力和使用虛擬實驗學習效果呈現中度相關性.

表1 實作實驗成績與虛擬實驗成績相關性

注：**在0.01 水平(雙側)上顯著相關.

學生實作實驗成績和虛擬實驗成績的箱線圖如圖4所示，可以看出，實作實驗成績中位數位置稍高于虛擬實驗成績，但相差不大，說明同一批學生實作實驗和虛擬實驗探究能力在同一時間段內基本一致.從四分位數來看，虛擬實驗成績范圍更大；從最大值和最小值來看，也是虛擬實驗范圍更大，因此學生之間虛擬實驗探究能力相比實作探究能力離散度更大.用SPSS對實驗統計數據進行皮爾遜相關分析可知學生實作實驗成績和虛擬實驗成績的皮爾遜相關系數為0.635，樣本容量為29，呈現中度相關性.

圖4 實作實驗成績與虛擬實驗成績的對比箱線圖

4 結論和展望

本文對實驗課的教學情況、學生對虛擬實驗的基本認知和態度以及學生實作實驗能力與虛擬實驗能力相關度等問題展開了調查研究.在近代物理實驗課上加入虛擬實驗部分，使學生在課程中既進行實作實驗的項目，也進行虛擬實驗項目.

問卷調查結果表明：目前實驗課存在一些常見問題，如實驗儀器損壞失靈給實驗操作帶來不便；學生做實驗態度不端正，應付實驗報告；課堂上熟悉實驗儀器功能和實驗步驟的時間太短等，使用虛擬實驗可以較好地加以解決.虛擬實驗還提供了多樣化的實驗預習方法，并且不受時間和場地的局限，讓學生設計實驗探究自己的疑問，鍛煉了自主探究能力和實踐能力.

本文考慮用學生虛擬實驗成績表征虛擬學習效果，探究學生實驗探究能力與學習效果的相關性.結果表明：學生實作實驗成績與虛擬實驗成績呈中度相關性，進而推論學生實驗探究能力和使用虛擬實驗學習效果呈中度相關性，學生之間虛擬實驗探究能力相比實作探究能力的離散度更大.