信息化大學物理虛擬實驗線上教學模式分析

李 鵬 李小強 文曉艷

（武漢理工大學理學院 湖北·武漢 430000）

大學物理實驗作為理工科學生的必修課程，為滿足與時俱進、與社會接軌的教學需求，采用線上教學的方式，[1-2]通過虛擬仿真實驗替代實體實驗，[3-5]實現(xiàn)包括放射性、高溫高壓等高危領(lǐng)域在內(nèi)的多種實驗教學，形成系統(tǒng)化、多樣化、前沿化的實驗教學特色，是目前虛擬實驗教育改革的重點。

實踐教學不同于理論教學，傳統(tǒng)線上教學中“視頻直播+在線答疑”的方式無法讓學生深刻理解實驗儀器的使用方法，缺乏對學生動手能力的培養(yǎng)。因此，基于虛擬仿真實驗技術(shù)，結(jié)合多種信息化手段，對線上實踐教學活動進行有序監(jiān)管，是提升教學質(zhì)量的有效途徑。

1 基于虛擬仿真實驗的傳統(tǒng)線上實驗教學模式

大學物理實驗教學分為課前預習、實驗操作和數(shù)據(jù)處理三個部分。在傳統(tǒng)教學模式的基礎(chǔ)上，學生可通過高校現(xiàn)有教材、擴展資料、教學視頻來進行課前預習，掌握基本的實驗原理和操作步驟。高校基于實體實驗儀器的相關(guān)資源，選取具有代表性的實驗項目開設(shè)虛擬仿真實驗，配合教學過程中的視頻錄播、直播，可面向?qū)W生提供全虛擬在線實驗操作。這一環(huán)節(jié)需要高校在前期有相關(guān)資源積累，研發(fā)經(jīng)費的投入、研發(fā)公司的水平和經(jīng)驗等都將對虛擬實驗的使用效果產(chǎn)生直接影響。學生通過對虛擬仿真實驗過程中所測得的實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，形成對實驗操作和后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程的完善理解。

2 基于信息化技術(shù)的線上教學實驗教學模式

線上教學的特點在于學生除上課時候的視頻直播和在線答疑外，教師無法準確掌握學生的實驗操作情況，因而無法針對學生的個體差異展開有針對性的指導。多方調(diào)研的結(jié)果顯示，由于缺乏有效的監(jiān)管機制，線上實踐教學過程中，預習和數(shù)據(jù)處理部分所提供的電子化試題存在大量答題抄襲、數(shù)據(jù)復制等現(xiàn)象，教學效果很難得到保障。基于信息化技術(shù)的線上教學體系旨在解決常見在線實踐教學模式的弊端，為學生的實驗過程和數(shù)據(jù)處理結(jié)果提供科學客觀的評價體系。

2.1 課前預習

課前預習是保障實驗教學效果的先決條件，在無法保障師生當堂交流的前提下，預習質(zhì)量的好壞直接影響學生對實驗原理的掌握。在提供和虛擬實驗相配套的相關(guān)教材、音頻、視頻等預習資源基礎(chǔ)上，區(qū)別于傳統(tǒng)的固定試題或是手工抄寫實驗報告的方案，采用電子化的在線預習測試系統(tǒng)可顯著強化學生的預習效果。預習測試系統(tǒng)由實驗教師結(jié)合在線教學的實際情況、實驗課程的物理原理和操作過程等，形成一套和實驗過程息息相關(guān)的預習題庫（客觀題）。系統(tǒng)在課前給每位學生分配隨機的試題和選項，不同學生的將面對完全不同的預習試題。學生在提交選項后系統(tǒng)自動批閱并給出預習分數(shù)，在提高評閱準確率、提高評閱效率的同時，能敦促學生認真預習。

2.2 實驗操作

虛擬仿真實驗利用計算機仿真模擬技術(shù)構(gòu)建虛擬的實驗場景，重現(xiàn)和實體操作一致的實踐體驗，是信息化教育改革的發(fā)展方向。長期以來，高校在虛擬實驗系統(tǒng)的建設(shè)中本著“虛實結(jié)合、以虛補實、以虛促實”的宗旨，逐步推進虛擬實驗仿真平臺的發(fā)展進程。

大部分虛擬仿真實驗從靜態(tài)素材、程序腳本、3D 建模、貼圖渲染、動畫制作到實驗階段設(shè)計與實現(xiàn)等已經(jīng)有了非常成熟的開發(fā)流程，以國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺為例，平臺提供了大量精品示范虛擬仿真實驗，設(shè)計精巧，結(jié)構(gòu)嚴謹，受到社會各界的一致好評，也為高校間虛擬仿真實驗資源的建設(shè)提供了相互之間借鑒交流的平臺。

值得注意的是，大部分虛擬實驗設(shè)計的重點在于如何繪聲繪色地模擬實驗過程，讓用戶獲得身臨其境的參與體驗，而對于高校實踐教學的實驗操作環(huán)節(jié)而言，缺乏對學生實驗過程和結(jié)果的監(jiān)督。學生在虛擬實驗的操作過程中，使用同樣的虛擬設(shè)備，以同樣的實驗目的為導向，所測得的實驗數(shù)據(jù)很可能大同小異。這就導致學生在實驗原始數(shù)據(jù)的獲取途徑上存在復制他人測量結(jié)果的可能性。為此，基于信息化技術(shù)可在虛擬實驗操作過程中對學生進行進一步細化要求，敦促學生認真完成虛擬實驗，使學生通過線上實踐教學能掌握實際實驗儀器的使用方法和測量手段，科學客觀地評價學生的操作過程。

具體手段主要有：

（1）在學生進入虛擬實驗時分配隨機的實驗任務，即在實驗設(shè)備允許的范圍內(nèi)，為學生制定差異化的測量目標。以常見實驗“補償法測電阻”為例，可以為不同學生指定從1-1000范圍的隨機測量任務，確保每個學生自己動手，在對儀器使用步驟和實驗原理都完全掌握的前提下，完成系統(tǒng)分配的測量目標，這種方式能培養(yǎng)學生獨立動手實踐和思考能力。

（2）充分利用虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢，在學生實驗過程中，賦予每個虛擬測量儀器不同（一定范圍內(nèi)隨機）的測量誤差。這種方式一方面能強化學生對測量誤差的理解，也能為后續(xù)甄別學生測量結(jié)果的有效性提供可靠的憑據(jù)。

（3）在傳統(tǒng)虛擬仿真實驗中基于學生操作時長、操作步驟的評價體系基礎(chǔ)上進一步延伸，根據(jù)差異化實驗目標、儀器誤差等關(guān)鍵參數(shù)對學生測量數(shù)據(jù)進行自動評價。學生可隨時自主進行實驗，實驗數(shù)據(jù)提交后系統(tǒng)實時批改給出操作分數(shù)。在提升教學效率的同時，減少任課教師憑借經(jīng)驗進行主觀判斷產(chǎn)生的評價誤差，相較于傳統(tǒng)虛擬仿真實驗教學模式下的操作評價體系更加科學、客觀、公正、合理。

2.3 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)的分析與處理是科研人員必備的技能，也是實踐教學過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)之一。一直以來，無論是傳統(tǒng)的實體儀器實驗還是虛擬仿真線上實驗，對學生實驗數(shù)據(jù)的處理結(jié)果都難以形成高效準確的判定方法。根據(jù)對幾家大型虛擬仿真實驗開發(fā)企業(yè)的調(diào)研，許多仿真實驗在同一實驗目標下所測得的實驗結(jié)果差別很小甚至完全一致，而由于數(shù)據(jù)處理計算量較大，任課教師很難逐一核算學生的計算結(jié)果，相當一部分學生在數(shù)據(jù)處理過程中直接抄襲、或根據(jù)實驗內(nèi)容偽造數(shù)據(jù)處理結(jié)果。另一方面，許多高校采用學生手寫紙質(zhì)實驗報告或WORD 實驗報告在線提交等方式，考察學生實驗的數(shù)據(jù)處理能力，這也在一定程度上為學生之間互相參考借鑒提供了便利。這種現(xiàn)象導致不少學生對實驗數(shù)據(jù)處理的過程缺乏足夠的理解和認知，也不利于建立和培養(yǎng)學生嚴謹求實的實驗精神。

利用信息化技術(shù)，針對虛擬仿真實驗教學的數(shù)據(jù)處理部分進行深入研發(fā)，在一舉解決上述弊端的同時，還能推廣應用于實體教學及其他相關(guān)領(lǐng)域。

具體手段有：

（1）采用在線實驗報告的形式，以網(wǎng)頁的形式呈現(xiàn)待處理的內(nèi)容。學生登錄后網(wǎng)頁直接讀取學生在虛擬實驗中所測得的實驗數(shù)據(jù)，敦促學生務必在自己測得的實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)處理。

（2）學生提交報告后，在線實驗報告根據(jù)學生所測得的實驗數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)處理的結(jié)果（客觀題部分）進行驗算，根據(jù)處理結(jié)果與參考答案之間的誤差范圍、有效數(shù)字、單位等情況綜合評價，給出客觀題得分。這種方式不再需要教師參與客觀題的批閱過程，極大地提高了線上實驗教學過程中批閱實驗報告的效率和準確率，從根本上杜絕了學生抄襲、偽造數(shù)據(jù)處理結(jié)果的行為。

（3）在線實驗報告除客觀題外，適當設(shè)立主觀題部分，引導學生根據(jù)虛擬實驗操作和數(shù)據(jù)處理的過程主動思考，強化學生對實驗原理、儀器操作及數(shù)據(jù)處理的理解，激發(fā)學生的求知欲和實驗探索的興趣。

3 結(jié)語

可以預見，基于虛擬仿真實驗的線上教學在高校實踐教學過程中將發(fā)揮重要作用，在虛擬仿真實驗的基礎(chǔ)上，基于信息化技術(shù)的線上教學模式能對教學活動的秩序提供強有力的監(jiān)管，有效提升教學效率和質(zhì)量。結(jié)合監(jiān)管模式的虛擬實驗線上教學在實際運行過程中發(fā)現(xiàn)，學生對實驗的熱情和興趣、實驗數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量和能力都有了明顯提升。

這種線上教學的監(jiān)管模式同樣也適用于實體實踐教學中，通過完善的預習-操作（隨機指定實驗目標/實體儀器實驗/當堂在線錄入操作數(shù)據(jù)）-報告的全信息化實驗流程，在同樣提高實驗效率、教學質(zhì)量的基礎(chǔ)上，以全數(shù)字化的實驗報告形式取代傳統(tǒng)的紙質(zhì)報告，省去了實驗報告遞交、分發(fā)的繁瑣過程，一舉解決了紙質(zhì)報告易遺失、難保存等問題，隨時快速查閱歷史報告。在此基礎(chǔ)上，基于信息化技術(shù)可進一步構(gòu)建數(shù)據(jù)分析平臺，通過相關(guān)統(tǒng)計方法清晰、準確地調(diào)整實踐教學方向和側(cè)重點，加強教師對教學進度、教學難點的把控，做到有的放矢，加速推進學科發(fā)展。