虛擬仿真輔助“大學(xué)物理實驗”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的構(gòu)建與實踐

江小丹 程濤 應(yīng)雨霖 張宏雨 夏婧雨

[摘 要] 虛擬仿真是促進實驗教學(xué)思路從驗證性向設(shè)計創(chuàng)新性轉(zhuǎn)變的助推器。可從虛擬仿真平臺的資源整合等方面著手，進一步完善虛擬仿真輔助“大學(xué)物理實驗”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的功能。從中國礦業(yè)大學(xué)（北京）“大學(xué)物理實驗”教學(xué)的現(xiàn)狀出發(fā)，探索并構(gòu)建了虛擬仿真輔助“大學(xué)物理實驗”的教學(xué)模式，通過總結(jié)線下教學(xué)特點，充分發(fā)揮線上教學(xué)模式的優(yōu)勢，構(gòu)建虛擬仿真實驗在“大學(xué)物理實驗”教學(xué)中豐富教學(xué)內(nèi)容、改善教學(xué)方式和客觀評價學(xué)生實驗成績的新模式、新方法，對進一步深化實驗教學(xué)改革、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力具有重要意義。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;大學(xué)物理實驗;構(gòu)建與實踐

[基金項目] 2020年度中國礦業(yè)大學(xué)（北京）大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目“基于虛擬仿真平臺在實驗教學(xué)中應(yīng)用的探索和思考”（C202007342）;2020年度中國礦業(yè)大學(xué)（北京）本科教育教學(xué)改革與研究“微信公眾平臺輔助大學(xué)物理實驗教學(xué)的實踐與探索”（J200802）

[作者簡介] 江小丹（1991—），女，山東煙臺人，碩士， 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）理學(xué)院實驗師（通信作者），主要從事大學(xué)物理實驗教學(xué)及激光等離子體物理研究;程 濤（1980—），男，山東青島人，博士，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）理學(xué)院副教授，主要從事大學(xué)物理實驗教學(xué)、流體力學(xué)及激光等離子體物理研究;應(yīng)雨霖（2001—），女，浙江金華人，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）理學(xué)院2018級信息與計算科學(xué)專業(yè)本科生，研究方向為金融數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）37-0073-04? ? [收稿日期] 2021-04-06

隨著計算機技術(shù)的不斷普及和提高，使用計算機仿真軟件進行虛擬實驗和遠程教學(xué)在全國各高校得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用[1]。使用虛擬仿真實驗進行現(xiàn)代化教學(xué)，可以作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的重要補充[2]。目前，全國很多高校都在開展這方面的教學(xué)實踐和研究，并取得了一些經(jīng)驗和成果。本文主要從我校“大學(xué)物理實驗”教學(xué)的現(xiàn)狀出發(fā)， 結(jié)合“科大奧瑞”提供的抗擊疫情虛擬仿真教學(xué)云平臺，探索并構(gòu)建了虛擬仿真輔助“大學(xué)物理實驗”的教學(xué)模式，構(gòu)建虛擬仿真實驗，對豐富教學(xué)內(nèi)容、改善教學(xué)手段和提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣等方面做了一些嘗試性的教學(xué)工作[3]。

一、“大學(xué)物理實驗”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式的探索與構(gòu)建

結(jié)合我校“大學(xué)物理實驗”培養(yǎng)方案，對比虛擬仿真平臺可提供的實驗項目，初步設(shè)想：先開設(shè)與“大學(xué)物理實驗”培養(yǎng)方案相同且仿真實驗平臺可提供的實驗項目，“大學(xué)物理實驗”培養(yǎng)方案要求但仿真平臺沒有的實驗項目作為創(chuàng)新使用，以保證學(xué)生完成的實驗項目與培養(yǎng)方案一致[4]。通過類比虛擬仿真平臺提供的實驗項目，發(fā)現(xiàn)需要解決如下幾個問題。

（一）開展實驗項目的選擇問題

1.如果實行兩學(xué)期打通的學(xué)習(xí)方式，目前仿真平臺提供的實驗項目中只有9個實驗與培養(yǎng)方案中要求的完全一致，現(xiàn)需增加一個原培養(yǎng)計劃中沒有的實驗項目，或者改為創(chuàng)新實驗項目。

2.管理員登錄系統(tǒng)后看到的基本實驗項目與預(yù)習(xí)系統(tǒng)中的預(yù)習(xí)實驗項目、仿真系統(tǒng)中的仿真實驗項目及報告批閱系統(tǒng)中的報告實驗項目不一致，但對比預(yù)習(xí)系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)及報告系統(tǒng)的實驗項目，發(fā)現(xiàn)這三個系統(tǒng)中對應(yīng)的實驗項目一致性比較高且都包含初步設(shè)想方案中的全部實驗，證實初步預(yù)想方案可行。

（二）學(xué)生提交報告系統(tǒng)的選擇問題

學(xué)生進入系統(tǒng)后可通過兩種方式進行實驗報告的提交：一是實驗報告智能評閱系統(tǒng);二是仿真實驗平臺。

如果統(tǒng)一要求學(xué)生使用實驗報告智能評閱系統(tǒng)，對于本學(xué)期計劃開展的實驗項目，系統(tǒng)只提供了9個實驗題目的實驗參考模板（學(xué)生只需填寫數(shù)據(jù)處理、實驗思考、實驗總結(jié)及原始數(shù)據(jù)上傳）。對于系統(tǒng)未提供的模板，需要對應(yīng)負(fù)責(zé)該實驗項目的教師自行設(shè)計模板后上傳。

如果統(tǒng)一要求學(xué)生使用仿真實驗平臺上傳報告，學(xué)生在完成在線實驗后可以直接在仿真系統(tǒng)里提交實驗報告，但此平臺目前系統(tǒng)并未給提供上傳實驗報告模板，且實驗報告批閱系統(tǒng)中的實驗報告模板不可作為仿真系統(tǒng)中的模板（兩個系統(tǒng)不兼容），因此所有實驗名稱的實驗報告模板均需要對應(yīng)負(fù)責(zé)實驗項目的教師完成實驗報告設(shè)計并上傳，學(xué)生方可下載模板填寫后上傳報告。

（三）兩種提交報告形式對教師批閱報告的影響

批閱使用實驗報告智能評閱系統(tǒng)提交的實驗報告，只要系統(tǒng)實驗報告模板中有與之對應(yīng)的實驗名稱，教師進入實驗報告智能評閱系統(tǒng)后，系統(tǒng)已對實驗數(shù)據(jù)設(shè)置自動批閱功能，教師只需要重點批閱實驗思考、實驗總結(jié)及原始數(shù)據(jù)即可;對于系統(tǒng)中不存在的實驗名稱報告模板，因報告的內(nèi)置由平臺廠家負(fù)責(zé)（需要收取費用），即使我們上傳了模板，系統(tǒng)也不能自動識別相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，教師進入實驗報告智能評閱系統(tǒng)后，需要對自主上傳的模板中所有內(nèi)容進行批閱（除去上傳模板前設(shè)計在報告模板中的內(nèi)容）。

批閱使用仿真實驗平臺系統(tǒng)提交的實驗報告，教師必須通過進入仿真實驗平臺進行批閱，因為實驗報告智能評閱系統(tǒng)與仿真實驗平臺系統(tǒng)相互獨立，所以通過仿真實驗平臺系統(tǒng)提交的實驗報告，教師進入仿真實驗平臺系統(tǒng)后，需要對實驗報告中的所有內(nèi)容進行批閱。

（四）學(xué)生最終實驗成績?nèi)绾谓o定

通過學(xué)生端賬號登錄系統(tǒng)，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中給出了實驗預(yù)習(xí)系統(tǒng)、實驗報告智能評閱系統(tǒng)及仿真實驗三個系統(tǒng)，結(jié)合最終實驗成績確定的需求，我們需要解決是否統(tǒng)一要求學(xué)生必須進入實驗預(yù)習(xí)系統(tǒng)完成預(yù)習(xí)方可進入仿真實驗系統(tǒng)進行試驗。

（五）居家無法完成實驗同學(xué)預(yù)案設(shè)想

在正式開始系統(tǒng)調(diào)試前，因仿真實驗對設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的要求較高，我們通過問卷的方式對全校近2000名理工科學(xué)生進行調(diào)研，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)有近10%的學(xué)生回家后只帶了手機，且居家無網(wǎng)絡(luò)或者信號不足。針對這種情況，建立居家無法完成實驗同學(xué)通知群，以便及時掌握學(xué)生需求，合理制定補做實驗預(yù)案（見圖1、圖2）。