利用虛擬仿真平臺提高院校物理教師授課效率

孫志鵬 梁媛媛 許佳捷

摘? ?要：隨著越來越多關于虛擬仿真平臺的教學改革項目獲批，以及各大高校不斷推進虛擬仿真教學平臺建設，虛擬仿真平臺在教學領域具有廣闊的發展空間和商業前景。虛擬仿真平臺具有不受場地、儀器限制，容錯率高等諸多優勢，然而目前高校一般僅將其作為輔助預習手段，原因在于虛擬仿真平臺存在著網絡不穩定、場景還原度不高等問題。高校教師如果能與平臺開發者有效合作，針對性改進教學方法，發揮平臺優勢，將有望在創造經濟效益的同時極大地提升物理實驗教學的效率。

關鍵詞：虛擬仿真平臺；物理實驗；授課效率

中圖分類號：G633? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1673-291X（2023）23-0122-04

一、研究背景

科學技術的發展是國家經濟建設的重要保障和必要支撐，而尖端科學技術的創新和突破離不開基礎學科的進步。進入21世紀以來，我國的科學技術和經濟建設取得令世人矚目的偉大成就，這其中離不開黨和國家對基礎學科教育的高度重視和堅定支持。國家自然科學基金委員會的公開數據顯示，數理學部研究課題的平均申請獲批率常年位列前茅。而在各大高校的教育教學課題申報立項中，作為“教學大戶”的基礎學科類課題也往往會得到更多支持。物理學作為重要的基礎學科，是幾乎所有理工科專業的必修課程。作為一門與實際結合緊密的學科，實驗課程的課時數在院校物理學教育中通常占有較高的比重。由于物理學實驗受到場地和設備等因素的制約，單次上課學生人數一般不超過30人，實驗教師在一個教學周期內往往需要將同一授課內容重復多次，一方面增加物理教師的工作量，降低了工作效率，另一方面影響一線教師在科研工作上的時間投入。所以，如何提升實驗課教師的授課效率是當前院校物理教育投資的重要方向。

隨著計算機技術、多媒體技術、互聯網技術等的快速發展，數字式教學、信息化教學的概念成為近年來各大高校不斷探索的熱點，并取得一定的效果。其中，虛擬仿真技術在實驗課程教學中應用更為廣泛。虛擬仿真教學是采用虛擬仿真、人機交互等技術，根據理論與實驗教學的需求設計出用于輔助教學的虛擬場景、虛擬環境、虛擬設備及構件庫和實驗過程等內容，針對性進行設計和拓展教學[1]。我國的虛擬仿真實驗始于20世紀90年代末，經過二十余年的發展，經歷了從航空航天實驗到醫學實驗等階段，并在普通高校實驗教學中得到廣泛應用[2]。教育部從2012年起相繼印發了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》等文件[3]，鼓勵高校進行虛擬仿真實驗中心和示范性虛擬仿真項目建設。當前，全國各高校物理實驗課程的虛擬仿真平臺建設雖然初見雛形，但主要用于學生的課前預習，為實驗課程的線下開展提供支撐[4-5]。2020年以來，由于新冠病毒疫情的影響，很多實驗課程無法線下開展，被迫取消，探索利用虛擬仿真平臺完成全過程物理實驗教學的方法日益迫切，虛擬仿真平臺的開發及其相關產業具有極高的商業前景。

隨著市場需求的不斷擴大，越來越多的企業參與到虛擬仿真平臺實驗平臺的開發中，然而直到目前為止仍然很難有一款平臺可以勝任或取代線下物理實驗教學的任務。其中困難主要包括網絡不穩定、場景還原度不足、教學方法不成熟等原因。本文總結目前虛擬仿真平臺開發的優勢和主要不足，結合物理實驗教學的需求和實際教學經驗，深入探討物理教師如何利用虛擬仿真平臺提高工作效率，以及未來虛擬仿真平臺開發的潛在方向，進而為后續相關產業的發展提供借鑒。

二、虛擬仿真物理實驗平臺的優勢與前景

（一）突破場地限制，實現多人同時教學

物理實驗課程的教學受到實驗儀器和試驗場地的制約。由于要保證學生做實驗時擁有足夠的空間，且需要為教師預留出從旁指導的空間，物理教學實驗室每名學生的實際使用面積一般要求超過2.2平方米，這遠高于一般教室。此外，過大的教室也不便于教師實時指導學生的實踐操作，所以，對于很多高校來說，物理實驗課程不得不分班教學。而虛擬仿真平臺將一切實驗內容軟件化，通過計算機網絡進行實時教學，不需要預留教師指導空間。由于教學過程完全在線上實現，所以即便學生分散在不同的教室也不會影響授課質量。一方面節約教室的空間成本，另一方面解放物理實驗教師的時間。以海軍軍醫大學物理實驗教學為例，如果通過線下模式進行物理實驗教學，同樣的實驗內容每名教師在一個教學周期內需要重復20次。而采用虛擬仿真平臺教學后，則可以實現所有同學同時上課，極大地節約了工作時間，提高了工作效率。如果能夠將這一教學模式推廣，可以使教育資源得到更好利用，具有很高的推廣價值。

（二）線上教學，不受疫情等突發事件影響

2022年我國各地紛紛遭遇了新冠病毒疫情的重大考驗。2022年上半年，上海市進行了三個月左右的封城，在封城期間，大部分學校的教學活動都被迫改為線上教學。然而，由于物理實驗的特殊性，僅僅通過線上PPT+講授的模式幾乎不可能實現原有的教學質量，更無法完成教學目標。面對這一難題，海軍軍醫大學數理教研室經過討論決定選取8個物理實驗當中的4個，首次采用虛擬仿真平臺進行物理實驗課程的全過程教學，并與其余4個采用PPT+講授模式教學的物理實驗的教學效果進行比較，發現前者的教學效果更好。如圖1所示，圖中框內為采用虛擬仿真平臺教學的實驗。在學員課后的滿意度調查中，采用虛擬仿真實驗平臺進行教學的4門實驗課程的反饋明顯更好。

由于虛擬仿真物理實驗平臺可以實現學生和教師在家中進行授課活動，其在應對突發情況時具有其他教學手段無法比擬的優勢。所以，即便作為保障教學順利進行的備用手段，虛擬仿真物理實驗平臺的開發同樣具有重要價值。

（三）建設維護成本低，有更大的利潤空間

對于高等學校的物理實驗室來說，實驗設備的購買固然是一筆較大開支，但是實驗設備的維修保養和后續維護費用很可能更高。以常見的物理實驗“分光計的調節”為例，每臺分光計的價格大約為5 000元，而分光計上的易損壞配件價格一般在20—150元不等。雖然看似價格不高，但由于實驗課程的學生大多為第一次接觸分光計，其操作很難做到完全規范，所以設備的折損率非常高，再加上同一設備在一個教學周期內要接受很多輪次學生的使用。以海軍軍醫大學為例，根據粗略統計，在線下實驗教學中，每個教學周期內平均每臺分光計僅更換配件一項就需要大約60元，而平均每個教學周期內，有一臺以上的分光計將會徹底損壞無法繼續使用。而對于虛擬仿真實驗平臺來說顯然不存在這一問題，設備的折損僅來自于電子計算機硬件的折損，幾乎可以忽略不計。此外，對于實驗室平臺建設來說，一臺分光計的價格與一臺中高配置的臺式機相當，而每臺電腦均可以完成全部實驗項目，所以虛擬仿真平臺將極大降低物理實驗室的建設和維護成本。可以說，一旦虛擬仿真平臺的前期研發和調試完成，后續僅需要在軟件部分進行修補和完善，甚至很多更新和升級可以通過網絡來遠程實現，避免了工程師的長途奔波。由于虛擬仿真平臺只有設計成本，不需要實體制造，所以對于供應商來說更容易控制成本，獲得較大的利潤空間。

（四）實現標準化考試

物理實驗課程的考試一直是個難題。由于傳統的物理實驗考試方式一般以學生操作、教師打分為主，這一方面增加了教師的工作量，另一方面由于打分具有主觀傾向，很難做到完全公平。所以在大部分學校中，實驗課程往往“只教不考”。而虛擬仿真實驗平臺可以精確記錄學生在實驗操作時的每一個步驟甚至順序，以及相對應的效果，從而進行精確合理的打分，能夠實現實驗課程的標準化考核。

除了上述優點之外，虛擬仿真實驗平臺還可以根據每個學校實際教學情況進行個性化定制，并在使用界面上隨時顯示本實驗的操作要點和實驗原理，從而使學生更容易避免因初次實驗而帶來的慌亂感。可以說虛擬仿真實驗平臺是未來物理實驗教學的必然趨勢，蘊含著巨大的發展前景，存在著極高的商業價值。

三、當前虛擬仿真物理實驗平臺的不足和遇到的瓶頸

盡管虛擬仿真平臺存在著諸多優勢，很多高校也都購買并建設了自己的虛擬仿真實驗教學平臺，但是截至目前還從未有任何一所高校完全采用虛擬仿真平臺實施全過程物理實驗教學。其原因在于目前的虛擬仿真物理實驗平臺仍存在著諸多不足。

（一）網絡穩定性不足

當前的虛擬仿真實驗教學平臺主要有兩種運行模式，其一是學校購買平臺使用權限后以供應商平臺為內核構建自己的實驗教學平臺。這種模式需要學校自建實驗機房并架設局域網。雖然網絡信號相對穩定，但是由于機房場地受限，難以發揮出虛擬仿真實驗平臺的全部優勢。另外一種運行模式是學生和教師都使用自己的個人電腦，通過第三方平臺進行線上教學。這種方法雖然在理論上可以容納更多的學生同時上課，但是更多的人數意味著網絡擁堵，數據的有效傳輸難以保障，很多時候課程的進行并不順利。此外，由于個人電腦和個人網絡狀況參差不齊，學生甚至教師都容易出現掉線的情況。在學生課后的調查反饋中，網絡不夠穩定是反應最多的問題，也是影響虛擬實驗平臺建設推進的主要障礙。

為了解決這一問題，一方面應加強相關平臺使用方的網絡基礎設施建設，必要時配備專用網絡，另一方面應盡量通過程序優化減小平臺運行時的數據傳輸量，必要時可允許用戶選擇不同的分辨率以保障網絡的通暢。

（二）界面設計與實際實驗相比還原度有待提升

筆者走訪了一些兄弟院校的物理實驗教師，當前，各高校對虛擬實驗平臺持謹慎態度的一個重要原因是虛擬仿真實驗平臺尚不能完美還原線下實驗操作時的全部場景，甚至會遺漏某些關鍵細節，無法達到教學目的。例如在“分光計的調節”實驗中，狹縫的方向被簡單地設置為水平或豎直二選一，而實際上狹縫裝置可以360度旋轉，調節狹縫方向也是完成實驗的重要步驟，這在目前已有的主流虛擬仿真實驗平臺上均難以實現。在對學生進行的課后調查中，同樣反饋了類似問題，這將嚴重影響院校對于虛擬仿真實驗平臺的認可度和接受度。

解決這一問題需要虛擬仿真平臺的供應方與在一線從事教學工作的客戶通力合作，密切配合，在產品測試時邀請不同學校的教師甚至學生進行實際操作檢驗，不斷完善產品的還原度，注重細節，至少優先保證課程教學計劃中的全部實驗操作和教學目的能夠順利實現。

（三）教師教學方法尚不完善

由于虛擬仿真實驗平臺尚處于初級開發階段，很多高校的一線物理教師對于如何正確使用虛擬仿真平臺實施教學仍不熟練，這導致某些平臺供應方精心設計的細節被忽略。很多院校教員在面對線上平臺時仍顯得手足無措，在實施教學時有些教員仍采用線下教學的授課模式和教案，這顯然是不正確的，也降低了學生對于課程的體驗感。然而，除了教師本身對虛擬仿真平臺比較陌生之外，平臺本身沒有標準的使用說明也是造成這一問題的因素之一。為了解決這一問題，作為虛擬仿真平臺的設計者和開發者，一方面應優化界面設計，簡化操作步驟；另一方面針對特色功能和重要細節應給出實際使用和實施教學時的參考意見，這樣才能最大化發揮虛擬仿真平臺的優勢。

除上述問題外，虛擬仿真平臺由于其后期使用成本并不高，導致供應商的利潤往往僅發生在學校購買平臺時。這導致部分供應商為了擴大利潤將平臺權限設置為按使用時間付費。這本無爭議，但由于高校的平臺建設項目多為一次性建設，一般不設后續維護基金，或后續維護基金不足以支撐之后的使用金，這也在一定程度上阻礙了虛擬仿真平臺的推廣。

四、在物理學實驗教學中更好運用虛擬仿真平臺的方法探討

針對目前虛擬仿真平臺在物理教師教學時面臨的主要瓶頸，結合前期教學工作實踐，將一些成功經驗和教學方法總結如下。

（一）合理選擇虛擬仿真平臺的類型

市面上的虛擬仿真平臺種類繁多、功能各異，教學團隊在選擇實驗平臺時應結合自身學情特點和教學要求有針對性地進行選擇。例如，在選擇“分光計的調節”實驗項目時，一般市面上有兩種實驗項目可供選擇，一種是“分光計的使用”，其操作界面更加模式化，優點在于可以對學員的操作步驟進行記錄，并給出成績，適合用于對學員的掌握情況進行考察。而另外一種“3D分光計”的操作界面更加貼近于實際，操作者可以自由地控制儀器角度、縮放比例，同時還可以標記輔助光線，讓學員仿佛置身于實驗室之中。教師在選擇實驗平臺時若能結合自身的實際情況和教學要求具體實施，不僅可以提升教學效率和學生掌握情況，而且也可以節約實驗考試所占用的大量時間。

（二）理論講述與操作演示相結合

物理實驗的原理和實驗操作同樣重要，盡管虛擬仿真實驗平臺已經將大部分儀器的名稱、使用規則以及很多操作步驟的實驗原理寫入操作界面當中，但對于第一次進行實驗的學員來說，如果沒有教員的示范和講解，仍然很難迅速、透徹的掌握教學內容。因而，在具體授課時，教師可以根據具體情況和教學要求，在講解實驗原理后詳細演示實驗步驟，或在演示實驗步驟的同時深入講解實驗原理。由于虛擬仿真平臺可以為每名學員同步教員的操作屏幕，有效避免了傳統線下實驗教學時后排學員無法看清教員操作細節的問題，有助于讓學員真正掌握實驗操作要求。

（三）充分利用網絡平臺加強與學生互動

在實驗授課過程中，學員通常會遇到較多共性的問題，由于實驗教學的特殊性，這些問題有時需要教員逐個為其解答。例如，在使用分光計測量鈉光燈波長時，很多學員對于分光計的讀數規則難以迅速而熟練地掌握，常常出現左右游標讀數填反或將左讀數與左側條紋混淆的情況。在線上教學時，可以隨機抽查幾名同學，令其共享屏幕后讀數并將數據填寫到正確位置，這樣一方面可以抽查學員的掌握情況；另一方面，如果遇到具體的讀數或填寫錯誤，可以及時提醒全體學員加以注意，加深學員印象的同時能節約大量課堂教學的時間。

五、總結與展望

虛擬仿真平臺作為一種新興的實驗教學手段，是國家大力發展和推動的重要發展方向，也是未來物理實驗教學改革的趨勢。隨著越來越多關于虛擬仿真平臺的教學改革項目獲批，以及各大高校不斷推進的虛擬仿真教學平臺建設，虛擬仿真平臺在教學領域具有廣闊的發展空間和商業前景。目前虛擬仿真平臺在很多高校的物理實驗教學中都已發揮作用，但是主要用于學員的自主預習而非全過程教學。其原因主要有網絡及平臺系統不穩定，界面設計與實際實驗相比還原度有待提升，教師教學方法需要針對性改進等。為了解決這些突出矛盾，工作在一線的院校物理學教師應該與虛擬仿真平臺的開發者密切溝通，深入合作，不斷總結教學經驗和方法，優化和改進平臺的設計，有針對性的努力完善平臺細節，并根據平臺特點和教學要求規范虛擬仿真實驗平臺的教學方法和使用技巧，最大化發揮虛擬仿真平臺的優勢。

虛擬仿真平臺與其他線上教學模式相比具備能夠實現線上多人教學，不受場地設備等因素的限制，不用擔心損壞儀器，容錯率高，激發學習興趣和學習熱情，建設維護成本低，利潤空間廣闊，能夠實現實驗課程標準化考試等諸多優點。本文的研究結論將為今后虛擬仿真平臺的開發方向提供借鑒，雖然利用虛擬仿真平臺替代線下實驗教學仍有一段路要走，但相信經過全體教師、平臺方和學生們的共同努力，虛擬仿真平臺一定能在未來的物理實驗教學中扮演越來越重要的角色。

參考文獻：

[1]? ?張敬南，張镠鐘.實驗教學中虛擬仿真技術應用的研究[J].實驗技術與管理，2013，30（12）：101-104.

[2]? ?于鳳全.虛擬仿真技術在航空裝備教學中的應用[J].科技風，2010，1（6）：20.

[3]? ?沈延群，劉淑杰.大學物理虛擬仿真實驗有效應用研究[J].吉林工程技術師范學院學報，2021，37（11）：106-108.

[4]? ?謝寧，明成國，任曉斌，等.關于大學物理虛擬仿真實驗線上教學的研究和思考[J].中國輕工教育，2020，4（3）：65-68.

[5]? ?崔連敏，周群，賈寧，等.虛擬仿真的大學物理實驗線上線下教學模式探討[J].實驗室科學，2022，1（1）：155-158.

[責任編輯? ?衛? ?星]