大學物理實驗虛實結合實驗教學模式的實踐與探索

姬鵬飛，孫現亭，田明麗

(平頂山學院 電氣與機械工程學院，河南 平頂山 467000)

大學物理實驗作為理工科院校基礎教學中大學生必修的一門課程，實踐能力強，對于培養學生實事求是、嚴謹認真的科學態度；分析問題、解決問題的能力；理論聯系實際，科學素養等方面發揮著重要的作用。隨著互聯網+教育快速發展，必將引起教學理念、教學模式和學習方式等深層的變革，因此，實驗教學應當充分利用包括網絡技術、多媒體教學軟件等在內的現代教育技術、營造多元化的教學模式[1,2]。在高校課堂改革要求打造金課的背景下，不僅要在傳統模式的基礎上更新現有環境條件與教學理念，而且要探索實施線上(虛擬仿真實驗)+線下(實操實驗)混合式新的教學模式，從而變革學習方式，達到良好的教與學的狀態[3]。目前已經有一些高校結合虛擬仿真實驗對大學物理實驗教學改革進行了一些嘗試，并取得了一定的效果[4,5]，但如何在大學物理實驗教學改革中能夠持續的促進實驗教學的提高和發展是實驗教學改革的根本，文章結合我校大學物理實驗教學實踐中的經驗，分析實操實驗與虛擬仿真實驗在實驗實踐教學中的優劣，在線上+線下虛實結合的實驗教學模式下，提出優化虛實結合實驗教學模式的建議。

1 傳統實驗的優勢與問題

1.1 傳統實操實驗的優勢：

實踐是檢驗真理的唯一標準，實操實驗是實驗教學的靈魂，是實驗課必要不可或缺的環節。實操實驗在實驗教學中能夠直接、真實地把實驗現象展示出來，學生通過觀察，動手操作，從感性認知中能夠發現-分析-解決問題，最終上升到理性認識，獲取知識的精髓。這對于學生動手能力、分析解決問題的能力以及理論聯系實際能力以及科學素養等方面的培養起到至關重要的作用。

1.2 傳統實驗教學中的問題：

(1)實驗預習環節：學生實驗預習積極性不高，雖然很多學生交了預習報告，但是可能也是千篇一律地抄寫，做到有效預習的學生寥寥無幾，預習效果差。

(2)實驗授課環節：雖然實驗教師與時俱進，不斷更新教學觀念，改變教學方法，但傳統的大學物理實驗的授課過程—教師課堂講授+學生實操實驗，這種模式下課堂的教與學的學時有限：在兩個學時的實驗授課中，實驗課堂中時間的把控變成了許多實驗教師的最大困擾：如果同學們要想順利地完成實驗，那么，實驗教師往往要在課堂上詳細的去講解目的，原理，儀器操作，甚至是一些常規的注意事項等知識，這樣保證學生能夠完成實驗，但是學生在實操過程中并沒有時間發現問題，分析問題，而是按照老師的詳細講解進行操作，這樣達不到實操實驗的實驗目的[6]；課堂上倘若把大部分時間留給學生，一些學生沒有有效地進行實驗預習，則很多學生無法在課堂上完成實驗，課堂教與學的效果不理想。

(3)信息回饋環節：實驗報告往往是上交到授課的實驗教師那里，經批改后裝訂成冊留檔，學生只能看到自己的實驗成績卻不能看到自己的實驗報告的問題所在，更不能對問題進行糾正，因而不能形成有效回饋。

(4)大學物理實驗一些實驗設備陳舊，且部分設備價值高，設備更新速度慢，跟不上社會發展的速度和滿足不了學生對于高大上的心理需求。

2 虛擬仿真實驗的優勢與問題

2.1 虛擬仿真實驗的優勢

(1)虛擬仿真實驗操作，不受課時、地點限制、不受實驗次數和一些隨機因素影響，是實驗教學內容在時間、空間上得到了延伸[7]，在疫情期間，同學們無法到校，則只需要具備電腦及網絡則可以隨時隨地去進行仿真實驗操作，最大限度地彌補無法進行實操帶來的不足。

(2)對于一些具有價格高昂實驗設備的實驗或者危險系數高的實驗(比如實驗中使用大型儀器設備、高溫、高壓、強電設備等)，虛擬仿真實驗可以達到實操實驗難以實現的效果，可以實現對傳統實驗的有效補充，是傳統實驗教學有效的輔助手段[8]。

(3)虛擬仿真實驗可以實現綠色實驗教學：由于在網絡上進行仿真實驗操作，不消耗實驗耗材，能夠有效減少實驗經費，節約教學資源[9]。

(4)虛擬仿真實驗在線操作過程中能夠師生互動，學生能夠及時查看自己仿真效果，并且實驗完成后可以通過網絡提交實驗報告，教師批改后學生亦可及時查看，對于出現的問題及時的修正，從而提高學習效果，能夠有效解決傳統實驗報告反饋問題。

2.2 仿真實驗中存在的問題

(1)仿真實驗的內部邏輯步驟和結果都是按照實驗內容和規律，以及編程人員的思路確定下來的，固定的，即使有偏差也是人為設定出來的，一切都在預料的范圍之中，因此，仿真實驗在培養學生的實驗技能和能力、創造發現的機會與環境方面的確有所欠缺。

(2)仿真實驗不能單獨存在，我院2012年引進科大奧瑞大學物理實驗2010在線版，最初讓學生以開放實驗的形式選做仿真實驗操作，其中一些實驗是在實驗室內并沒有開設導致學生沒有進行實操實驗的探索，這樣的效果非常不理想，用仿真實驗替代實操實驗是不合適的，沒有實操的檢驗是不合理的，做了仿真實驗并不等于真正做了實驗，效果很不理想，猶如紙上談兵。

(3)為了輔助實操實驗引入的虛擬仿真實驗的使用中，除了仿真實驗外，仿真實驗平臺提供了幾乎全套實驗的內容，從實驗簡介、實驗原理、實驗內容、實驗儀器，但這種羅列的模式跟實驗教材幾乎沒有區別，不能激發學生的興趣，并不能解決傳統實操實驗中的預習環節遇到問題。

3 虛實結合教學模式的探索

2012年以來我院嘗試引入虛擬仿真實驗的基礎上，不斷的嘗試傳統實驗結合仿真實驗的教學模式，線上與線下的結合改變了單一的傳統實驗教學模式，實現傳統的實操實驗與仿真實驗的優勢互補，并確定了的傳統實操的核心地位以及虛擬仿真實驗的輔助定位，優勢互補。針對設備陳舊問題，2019學年末我院對大學物理實驗設備進行了更新，根據不同學科專業特點，開設具有典型性的實驗，最大限度的發揮實操實驗的功能。但是實操實驗與虛擬仿真實驗相結合的教學模式，如圖1所示，還有問題需要解決，進行實踐探索：

圖1 虛實結合實驗教學模式

(1)根據大學物理實驗課題組長期經驗來看，虛擬仿真實驗的引入并沒有解決預習環節效果差的情況，這就需要強化虛擬仿真實驗平臺的展示作用：儀器特點、實驗原理以動畫演示、實體視頻演示等方式呈現給學生，這樣的效果相比仿真實驗項目上自帶的純文本內容更加容易讓學生接受[10,11]；同時可以把一些優秀的實驗教學視頻放置到實驗平臺上，亦可鏈接相關MOOCs開放資源，擺脫學生在網絡上尋求到魚龍混雜的實驗資源，學生可以搜尋、發現實驗共同點，拓寬學生的視野及解決問題的途徑，深化認識[12,13]。仿真實驗平臺課前預習內容強化，能夠有效提高學生預習的積極性，勢必會提高學生預習的成效，結合仿真實驗及實操實驗一起達到最優的實驗效果。

(2)對于部分基礎仿真實驗，增加規范學生的實驗操作的設置，對于只求結果不管過程的一些學生起到良好的過程約束作用，不規范的操作能夠得到有效的提示，對于良好實驗操作習慣的形成至關重要。

(3)仿真實驗應緊密結合有限實操實驗(時間和空間)，作為實操實驗的拓展和輔助手段，開發實操實驗中相應的、分層次的實驗內容[14,15]，相對應的仿真實驗內容使虛擬仿真實驗和實操實驗達成一一對應的關系，虛實有效結合，形成有效互補，實操實驗和仿真實驗各自優勢最大化且不足又能最大化消減，另外，分層次的實驗內容，難易層次分明，容易激發學生學習的興趣，誘導其逐步深入，循序漸進、達到觸類旁通的實驗學習效果。

(4)對于虛擬仿真實驗應根據技術成熟度和成本的情況，適時加入一些仿真操作新技術，比如VR技術引入，友好的人機交互，讓仿真實驗更加貼近真實的實操實驗。

4 結 語

我院大學物理實驗教學團隊對當前實驗教學進行了總結，在實操實驗與仿真實驗相結合的教學模式下，分析了實操實驗與虛擬仿真實驗的優劣，確定實操實驗的主導地位，虛擬仿真實驗的輔助定位，并提出了優化仿真實驗的建議，促進大學物理實驗教學改革，提高實驗教學效果。