線上仿真示波器實驗的教學實踐與思考

[摘 要] 線上仿真實驗教學能夠擺脫現場教學時間和空間的限制，極大地提高實驗教學效率，是課堂實驗教學的有力補充。根據示波器線上仿真實驗教學實踐經驗，總結了線上仿真實驗的特點和教學效果，分析了線上仿真教學中遇到的問題，提出了解決方案和完善手段。同時，結合對線上仿真教學效果和不足的分析，闡明了其在大學物理實驗教學中的地位和適用范圍。

[關鍵詞] 線上仿真實驗;大學物理實驗;示波器實驗

[基金項目] 2019年度湖南省教育廳一般項目“納米黏土異質結界面構建及其光催化性能研究”（19C0079）

[作者簡介] 蔣登輝（1981—），男，湖南長沙人，博士，長沙理工大學物理與電子科學學院和湖南省柔性電子材料基因工程重點實驗室講師，主要從事半導體異質結光化學轉化及其應用研究。

[中圖分類號] O4-33：6642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）08-0153-04? ?[收稿日期] 2020-09-16

一、引言

物理學是理論與實驗高度結合的自然科學，對于人們邏輯思維、實踐能力和科學素質的培養極為重要。大學物理實驗課是一門基礎實驗課程，有利于培養學生的實踐創新能力，加深對物理知識的理解[1，2]。然而，傳統的物理實驗教學受制于多種因素[3]，例如，實驗場地、儀器等教學資源偏少，不僅嚴重壓縮了教學時間，也降低了學生良好的學習感受。實驗教師相對缺乏，不僅加大教師的教學壓力，還嚴重限制了教學安排的靈活性。另外，實驗儀器老舊、更新慢，難以激發學生的學習積極性。由于眾多教學因素的限制，大學物理實驗教學亟待其他教學手段予以補充和完善。

隨著網絡和計算機技術的飛速發展，仿真物理實驗相關軟件取得長足的進步。仿真實驗以計算機軟件為載體，利用虛擬儀器建立虛擬實驗環境，在虛擬環境中操作儀器，模擬真實的實驗過程[4]。它能夠有效解決現場物理實驗教學中的諸多弊端，已經成為現場物理實驗教學的有力補充，在開放性、設計性、研究性實驗教學中發揮著重要的作用。目前相當多的高校開始進行仿真實驗教學探索[4]，特別是2020年新冠肺炎疫情期間，大量非畢業班學生不能返校，無法安排現場實驗教學，這時仿真實驗教學的優勢開始凸顯。在大學物理教學中引入仿真物理實驗迫在眉睫。

長沙理工大學物理實驗中心在2019—2020年學期引入了虛擬仿真實驗教學云平臺，進行線上仿真大學物理實驗教學。在新冠肺炎疫情期間，線上仿真實驗教學不僅滿足了基本的教學任務，還取得了不錯的教學效果。本文以示波器實驗為例，對線上仿真實驗的特點和優勢進行總結，并對線上仿真實驗教學過程遇到的各種問題進行探討，提出一系列的改進建議。

二、線上仿真實驗的特點與效果

線上仿真實驗具有眾多優點[5]，如探究性、實用性、趣味性、高效、互動性和科學性。經過一學期的仿真實驗教學實踐，發現仿真實驗最主要的優勢表現在兩個方面。

（一）有效擺脫了現場教學的時空限制，提高了教學效率

首先，線上仿真物理實驗教學以線上仿真實驗系統為載體，構建了全天候開放的實驗教學環境，學生可以隨時進入教學系統學習，完美地避開傳統現場實驗教學中遇到的諸多時空限制[6]。線上仿真實驗無須在固定的時間和地點開展教學活動，極大地提高了教學的靈活性，為學生和教師節約大量時間[7]，頗受師生的歡迎。其次，擺脫儀器數量和更新的限制。仿真實驗中的儀器數量沒有限制，只要系統穩定，就能保證多人同時操作。而且，只需對軟件進行維護和更新，仿真儀器就可以做到經常更新，具有最新功能，利于提高學生學習積極性。最后，線上仿真實驗在完全虛擬的環境下操作儀器，對于學生來說不存在安全隱患[8]。特別對使用示波器開展電學實驗，學生不會發生觸電危險。使用精密儀器時，也不會因操作不當和失誤而損壞儀器。

基于線上實驗隨時開放的優勢，我校實驗教學效率大大提升。2019—2020年學期，我校有1000多名本科生需要做大學物理實驗，通過線上仿真實驗，平均一周內完成2個實驗項目，這在以前的課堂教學中是很難做到的。在傳統課堂教學中，我校采取網上預約實驗的形式，學生根據自己的情況預約實驗課時間，安排相當靈活。然而，由于對實驗課不夠重視，學生經常以各種理由拖延實驗，出現開學大量缺課、期末扎堆補做的情況，嚴重影響授課秩序和教學效果。借助線上平臺，課后實驗報告可以直接通過網絡提交，方便快捷，為學生和教師節省大量時間。

另外，線上仿真實驗還可提高師生的互動頻率，增進感情。在傳統的課堂教學中，學生和教師的交流僅限于儀器使用方面，交流頻次和時間非常有限。在線上教學的實驗和撰寫報告階段，學生都可以通過線上即時通信工具向教師尋求幫助和指導，這種線上溝通方式對于“00后”大學生更為適宜。另外，對于學生實驗完成情況，教師一目了然，通過線上交流，可以較好地督促學生做好實驗，完成實驗報告。

（二）增強學生自學能力，激發學習興趣

仿真實驗教學以學生獨立自學為主，采用學生為主體、教師為主導的“雙主”教學模式。仿真實驗通過分解教學過程，對實驗相關理論進行講解，介紹實驗的背景和意義、應用等內容，讓學生在理解的基礎上，通過思考正確操作。仿真實驗模擬真實的環境，具有很強的交互性，自帶操作指導，有利于學生主動探究、自主學習，對培養大學生的自學能力極為有利[5]。

仿真實驗界面逼真，操作簡單，能夠引起學生濃厚的學習興趣。對于在網絡下成長的“00后”大學生，在線仿真實驗非常具有親和力。具有較好自學能力的學生，不僅會認真預習原理和操作視頻，還會通過網絡自主尋找學習資料。學生通過自學的形式，完成整個實驗，對其自學能力的培養和自信心建立具有顯著的促進作用。開放性和研究性實驗，為學生提供了良好的教學平臺[9]。

三、線上仿真實驗教學中的問題

線上仿真實驗教學以學生在線自學和自主實驗為主，是學生與仿真系統一對一交互的過程，與課堂教學情形相差甚遠，每個學生遇到的問題都不一樣。同時，仿真軟件也有諸多不足，主要有以下四個方面亟待改進。

（一）軟件仿真度亟待完善

以示波器實驗為例，仿真信號發生器產生的信號頻率和相位與現場實驗沒有任何變化。利用李薩如圖形測量未知信號頻率的實驗中，仿真實驗的李薩如圖形是穩定不變的，但真實的信號發生器產生的信號頻率相位會有微小變化，李薩如圖形很難完全穩定。另外，通過改變信號發生器頻率調節李薩如圖形的時候，頻率改變不是一個連續的過程，頻率調整過程會出現臨界值，在臨界值之內會出現相應比例的李薩如圖形（如1∶1時的橢圓），偏離一點點就是完全不一樣的圖形，這和真實實驗差別很大。這導致學生在調節李薩如圖形時難度加大，容易氣餒、放棄。總之，仿真儀器和真實儀器有差別，真實度欠佳，這些都不利于學生對真實儀器的認識和理解。

（二）仿真實驗系統操作分評價亟待改進

在示波器實驗中，操作分是基于填入的數據進行評價，和實際操作沒有關系。對于示波器的實驗內容，第一個實驗（用X軸的時基測量信號的時間參數）中，所有學生測量的都是相同的固定頻率;因而部分同學投機取巧，直接拿別人或網上的數據填入表格，沒做實驗且操作分高。第二個實驗是利用李薩如圖形測量信號頻率的實驗，每次待測信號頻率都是未知的，這樣能夠有效地判斷學生是不是真實操作。因此，對于仿真實驗內容要盡可能隨機選擇，有利于督促學生認真完成實驗。

（三）驗證性試驗多，探索性實驗少

目前仿真物理實驗平臺的內容多和課堂教學一致，以驗證演示類實驗為主，有待增加探索性實驗內容[ 10 ]。雖然演示實驗通過觀察實驗現象，能對物理概念和基本原理做出更加生動形象的解釋，加深學生對物理概念和規律的理解，達到更好的教學效果[ 11 ]，但是演示性實驗缺乏靈活性，對學生限制較多，學生需要嚴格按照操作步驟操作，才能獲得理想的實驗數據。這嚴重限制了學生的自主性，不利于培養學生獨立思考和創新性思維[ 12 ]。同時，課堂實驗內容單一、老舊，不同高校的實驗內容幾乎千篇一律。由于受儀器場地等眾多限制，開設探索性實驗困難重重。高校需要做大學物理實驗的理工科專業眾多，很多工科專業的學生對傳統的大學物理實驗“不感冒”，很難激發其學習興趣，因此，高校大學物理實驗教學亟待改革。如果大學物理實驗能根據不同學科特點，加入更多具有相應專業背景的實驗項目，不僅有利于提高學生學習的積極性，還有助于各高校突出其辦學特色。

在線仿真實驗平臺具有開設探索性實驗的先天優勢，如果能充分發揮其優勢，在線仿真實驗平臺則成為開設探索性實驗的理想教學平臺。然而，仿真實驗平臺里的儀器模塊相對較少，儀器功能開發不完全，不少按鈕在特定的實驗里會被屏蔽，不能操作，這與實際嚴重不符。雖然這在一定程度上有利于提高學生做特定實驗的效率，減少出錯的概率，但是嚴重阻礙了學生的探索欲望。仿真平臺的儀器模板沒有完全開發，導致仿真儀器不能形成獨立的模塊。沒有完全功能化的仿真儀器不利于開設具有特色的開放性和研究性實驗，大大限制了其優勢。

（四）教師的線上指導需進一步完善

實驗課主要考查學生對實驗原理的理解和相關儀器的使用能力。對于示波器這種比較新奇的電子儀器，絕大部分學生對實物是比較陌生的，對示波器的認知只停留在高中階段的基本原理學習方面，對于很多具體知識和概念都已模糊。雖然大部分學生以前沒有見過示波器實物，但對儀器比較感興趣，有比較強烈的動手操作意愿。然而，對于實驗課，很多學生似乎僅僅關心儀器怎么用、怎么操作等問題，忽視對基本原理的理解。學生的這種認知結構，導致其只能理解儀器使用過程中比較表象的知識和經驗。

仿真實驗教學系統對實驗背景原理以及實驗過程都有較為詳細的文字介紹。然而，部分學生為了快速地完成實驗，只看仿真實驗操作指導視頻和說明，對實驗原理一知半解，這樣的實驗教學效果大打折扣。因此，做仿真實驗前，可以通過在線課堂和微課小視頻方式，對學生進行實驗原理的指導。在線的原理課可以從日常生活中常見的電視機和電腦CRT顯示器引入介紹示波器，這不僅能引起學生的學習興趣，還能讓學生更好地理解示波器的基本原理。另外，需要著重對示波器顯示波形原理做比較具體的介紹，有利于學生對儀器原理有更加深入的理解，有效提高學生學習效率和興趣，加強對理論知識的學習，彌補做實驗前理論知識儲備不足的問題。

由于學生做仿真實驗的時間分散，教師指導的及時性較差，不可能做到隨時隨地指導學生。課堂教學中，大部分學生初次使用示波器時都會很急切，想迅速調出波形，往往丟三落四，犯很低級的錯誤，如忘記接線、沒開電源燈光。對于這種問題，教師可以在課堂上及時給予指導，采用循循善誘的方法，引導學生積極思考，自己解決問題，有利于積累形成實踐經驗，鍛煉其解決問題的能力。在線教學中，對于部分自學能力較強的學生，可不斷加強其自學能力;對于獨立能力較差的學生，容易打擊其信心，因此，線上仿真實驗應該有針對性地給予學生更多的指導和鼓勵。

四、結束語

線上仿真實驗能夠擺脫現場教學時間和空間的限制，不僅能夠完成基本教學任務，還能極大地提高教學效率。仿真實驗教學以學生為主體，創設交互式的學習環境，可增強學生的自學能力，激發學習興趣。然而，在線仿真實驗仍有不少問題需要改進。首先，仿真軟件的仿真度欠佳，與真實儀器有不小的差別，軟件仿真度有待進一步提高。沒有完全功能化的仿真儀器不利于開設具有特色的開放性實驗，大大限制其應用范圍和優勢的發揮。其次，仿真實驗系統應以是否正確操作儀器進行操作分評價，以數據來評價的方式亟待改進。最后，教師的在線指導需進一步完善，可通過在線課堂和微課小視頻等多層級方式，對學生進行全方位的指導。

總之，線上仿真實驗不僅能夠滿足基本的教學任務，是大學物理實驗現場教學手段的有力補充，還能夠為開設開放性和研究性實驗提供良好的教學平臺。

參考文獻

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