虛擬仿真實驗融入大學物理教學的探討

吳旭普 劉高福

摘?要：大學物理是高等院校理工類專業學生的一門重要的公共基礎必修課。在“四新”建設背景下結合時代特點，文章探究了虛擬仿真實驗在大學物理教學中的應用，對大學物理教學方法及手段進行了創新改革。通過改革不僅使學生在創新應用能力和知識思維水平方面上得到了提升，同時也加強了教師自身的教學能力。

關鍵詞：大學物理教學；虛擬仿真實驗；“四新”建設；教學創新改革

中圖分類號：TB?????文獻標識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.21.089

0?引言

如今，大力推進“四新建設”（新工科、新醫科、新農科、新文科）已成為各高校主動適應國家發展戰略、調整學科和專業布局、開展一流專業和一流課程建設、推動教學理念和教學方法改革的重要抓手，其研究和實踐已在全國普遍展開。物理學作為理工學專業的基礎學科，在強化學生科研思維和創新能力上，在開展“四新建設”方面發揮著獨特的作用。近年來，貴州師范學院大學物理教學團隊在教學模式、教學手段和教學內容等方面進行了改革和持續的探索。前期，本教學團隊通過調研本校本科生大學物理課程學習現狀，發現了以下問題，并針對所發現的問題對教學模式進行了調整。同時，教師在教學改革過程中要積極吸收先進的教學理念和方法，提升自身的理論水平，并結合實際情況開展教學，在教學實踐中提升教學水平。

1?當前大學物理教學現狀

1.1?教學內容較多，專業銜接不通暢

大學物理知識體系龐雜且內容繁多。一方面，教師要在規定的時間內保質保量完成教學任務是一個很大的挑戰，另一方面不同專業對于物理知識的需求不同，在教學中將所有知識全部教給學生會增加學生的學習負擔，學習效果也不明顯，對于其專業的發展也有一定弊端；新工科專業更需要物理知識與時俱進的支撐，例如對于電子信息類專業，其專業知識涉及射頻、紅外、激光掃描等傳感器的應用，這些技術都來源于物理學中振動、電磁波、激光等基本知識，受限于課程內容繁多，教師愿意花更多時間來講解課本知識，沒有時間來處理物理知識與專業知識的銜接關系，這就造成了課本知識與新科技的脫節，大學物理教學無法順利地完成對專業課的承接作用。

1.2?大學物理知識“枯燥、難”，不好教

從訪談和問卷情況來看，學生覺得大學物理難學的主要原因在于大學物理知識邏輯嚴密，知識龐雜，對于數學的要求很高，大一學生理解起來非常困難，不知如何開展學習；枯燥物理定理、定律和復雜的微積分讓學生產生了畏難情緒，無法提起學習的興趣。另外，相似的物理知識點較多，學生學習起來經常會犯迷糊，不容易全面掌握知識。例如，“動量定理”和“角動量定律”僅一字之差并且表達形式也相似，但使用范圍卻不同。傳統大學物理教學更注重知識的傳遞，較少地在教學中通過融入家國情懷、科學精神等內容來激發學生不畏艱難、刻苦學習的精神。

“不好教”是教師對大學物理課程的常見評價；一方面是課程知識內容比較多，相關知識較難講解，學生學習興趣低；另一方面來自課程教學管理水平的低下。傳統的課前預習由學生自主完成，教師缺少對學生的指引和監督，造成學生課前預習效率的低下，且預習的內容與課堂教學無法形成有效聯動。傳統的紙質作業布置方式也存在批改反饋實時性較差及無法完全杜絕作業抄襲的問題。也無法做到對所有學生學習狀態的監督和學習效果的全面客觀評價。

1.3?理論與實驗割裂

實驗是物理學的基礎，歷史上物理的概念和定理都是通過實驗得到的，理論結合實驗教學不僅使學生感受到物理知識獲取的過程，也能夠使學生的綜合能力得到提升。傳統大學物理教學中教師主要進行理論知識的傳輸，學生的學習沒有經歷過程，僅僅是知識的記憶。盡管專門開設了大學物理實驗課程，但是受限于教學資源的短缺，學校無法將所有實驗都開設，大部分實驗只能停留在課本和視頻上面；受限于教學安排，實驗課與理論的進度不符，學生無法將實驗與理論進行對應。造成了大學物理教學的空中樓閣，學生的學習只能停留在初級階段，無法應用所學知識解決實際問題。

2?教學改革方案及措施

以學生為中心，因材施教，注重不同層次學生對本門課程的學習成果，在優化教學內容的同時，融入虛擬仿真實驗、引入信息化教學手段、優化教學管理、完善教學評價等方式方法，構建“課內與課外”，“理論與實踐”，“教學與育人”相結合的大學物理課程育人體系，實現對學生知識、能力和素養的協同培養。

2.1?精簡教學內容，更新課程體系

以學生發展為中心，根據不同專業需求，精簡教學內容；團隊成員梳理了大學物理課程所有知識點，按照專業特點進行分類，最終將現有大學物理知識點分為通用性知識點和專業關聯知識點，使用物理知識能夠與學生的專業相對應；并對各專業大學物理教學內容進行調整（如圖1）。例如，生物和化學專業對熱學部分的知識需求較大，我們就加大了熱學知識在生物和化學專業中的比重，這樣的調整使教學更具有針對性，減少學生的學習負擔。

2.2?梳理知識，豐富教學方法

（1）采用思維導圖梳理知識要點；建構主義的觀點表明，結構化的知識體系是減少認知負荷的有效方法。繪制思維導圖，是應對大學物理知識龐雜的有效方法。課程結束以后，教師引導學生完成章節思維導圖，快速掌握課程的全貌并了解核心知識點在課程中的作用，從而建構知識體系，加深對知識的理解。如圖2，力和動量知識點思維導圖。

（2）課程思政的滲透，在教學中合理進行思政元素的滲透，不僅僅能夠激發學生的民族自信、培養嚴謹的科學精神和刻苦鉆研的精神；還能夠激發起學生的學習興趣，減輕大量理論知識帶來的思維沖擊。例如在講解磁場中的帶電粒子的知識點時，由于需要進行復雜的公式推導，此時可以讓學生討論“科學家通過什么方式使氘和氚在非常高的溫度下發生定向聚變？”，不僅調節了課堂的氣氛還讓學生了解前沿知識。同時，應用世界觀和方法論可幫助學生抓住主要矛盾，理清思路，透過現象看本質，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力。例如麥克斯韋完成著名的“麥氏方程組”實現電磁的統一，這正是辯證唯物主義中“對立統一”思想。

（3）堅持“學生中心”，開展“課前-課上”結合教學；相比于課上教學，課前教學也是教學的重要環節，更能激發學生的自主性，同時也提升了教師對教學過程管理的效率。教師將“課前”學習任務發布在“雨課堂”平臺上，學習小組根據教師的學習任務，開展有關知識的討論，并形成“課前學習報告”，初步了解知識點。課上，教師根據課前學習報告情況組織以學生為中心的課堂教學，通過提出問題、討論問題、解決問題完成對知識的吸收。每一個環節，學生都能夠發揮主觀能動性學習，同時也能夠及時得到教師的指導。

2.3?構建虛擬仿真實驗融入大學物理教學體系

虛擬仿真實驗融入大學物理課程的設計，既要滿足學生的認知水平，使學生快速將實驗與理論結合起來，提高學習效率，又要滿足對專業知識的銜接，讓學生通過實驗掌握基本的實驗技巧，提高應用能力。因此，圍繞著大學物理核心知識點我們開發了包含力學、熱學、光學、電磁學四個維度50個實驗項目（其中30個為必修項目），建立了虛擬仿真融入大學物理教學體系，如圖3。

（1）?通過屏幕，學生能夠隨時隨地、身臨其境地進行實驗。教學中教師根據課程內容融入虛擬仿真實驗，可課下實驗學習，也可以課上教學。虛擬仿真實驗項目的融入為物理教學的改革帶來了新的契機，特別是在疫情期間發揮了重要作用。

（2）虛擬仿真實驗項目與大學物理核心知識點緊密對應，注重通過文字、圖片、課下學習，整個仿真實驗操作與真實實驗操作具有很高的相似性，具有非常直觀生動實驗場景，虛擬仿真實驗系統還提供了即時的指導和提示功能，學生可以通過完成核心知識點對應的實驗來經歷物理知識探索的過程，加深對知識點的理解。

2.4?優化教學組織，完善教學評價

課前，教師提供自學內容，如：課程平臺篩選的在線視頻、章節重點內容、微視頻、課前測試等。課中，情境設置導入新課內容，多媒體與板書結合授課，探討式互動，典型例題分析，實踐應用案例，科技前沿滲透等。課后，重點內容總結、知識面拓展、線上討論及答疑解惑、學習小組討論、項目式探究學習等。

教學評價上突出“過程化考核”，將線上平臺學生的課前預習、課堂互動、線上討論、課后作業、社會活動參與等分別設置各項權重（平時成績=考勤（10%）+作業（10%）+線上學習（20%）+課堂互動（10%）+線下考試（50%）。），融入評價機制，過程評價組成做到有理有據、公平公正。

3?小結

3.1?教學內容的調整使得教學更加具有針對性

通過對教學內容針對性調整，一方面減輕了各專業學生學習負擔，另一方面使得相關的知識更加符合學生專業發展方向，學生的學習積極性得到了激勵，提升了教學效率。同時在教學中通過融入傳統文化、辯證唯物主義、科學精神等思政元素，不僅僅提升了學生的專業學習水平，也激發了學生的學習興趣，提高了學生學習的主動性。

3.2?基于信息化教學手段提升了教學效率

通過引入信息化教學手段，加強了教學環節的管理，教師能夠及時了解學生的學習狀態，并能夠根據相關的狀態及時進行教學調整。信息化教學的交互性有利于激發學生的學習興趣和學生主體作用的發揮；網絡特性有利于開展協作學習和發現學習，培養學生的創新精神和實踐能力，提升了教學效率。同時教師在探索新的教學模式過程中也提升了自身的教學水平。

3.3?實現理論與實驗結合的教學

通過即時虛擬仿真實驗融入教學，使得實驗教學和理論教學得到相互融合。采用交互式教學資源，學生學習不受條件限制，豐富了課程教學內容。針對相應的知識點學生可以及時通過登錄虛擬仿真實驗系統進行實驗，及時將理論知識與實驗相結合。學生通過反復實驗加深了對物理知識的深入理解，同時學生的實踐能力得到了提升。

4?結語

在新工科時代的呼喚下，大學物理教學改革刻不容緩，本文結合大學物理教學中的“痛點”，將虛擬仿真實驗融入到大學物理教學中，采用適合學生時代特點的教學方式，解決教學中的實際問題，激發了學生主動性，擴展教學時空，突破授課學時限制，提升了教學效率，讓學生真正地體會到物理學有所用。

參考文獻

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