基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

■佟蕾

（渤海大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121013）

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是理工科類本科生必修的實(shí)踐課之一，在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和探究能力方面有著不可替代的作用[1]。隨著科技與信息時(shí)代的發(fā)展，為適應(yīng)不同教學(xué)需求，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已經(jīng)多元化發(fā)展[2]。尤其在近幾年疫情背景下，為了響應(yīng)國(guó)家號(hào)召做好防疫工作，在特殊時(shí)期會(huì)臨時(shí)開展線上教學(xué)，顯然對(duì)以動(dòng)手操作為主的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程提出了巨大的挑戰(zhàn)。因此，提出一種具有線上線下混合教學(xué)功能的新的教學(xué)模式成為順應(yīng)時(shí)代的迫切要求。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是以計(jì)算機(jī)為主要工具，借助網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，建立虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，利用虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)，處理數(shù)據(jù)并給出成績(jī)的教學(xué)方式。隨著虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷成熟，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以發(fā)揮學(xué)生的主體地位.學(xué)生不僅可以操作儀器還可以自行設(shè)計(jì)方案，擬定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，模擬現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，打破了時(shí)間和空間的限制，讓線下做不了、完不成的實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn).由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的獨(dú)有特點(diǎn)，因此成為線上完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的重要手段，同時(shí)得到了全國(guó)多所高校在多個(gè)學(xué)科中的推廣和應(yīng)用[3-6]。

一、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)線下教學(xué)存在的主要問(wèn)題

（一）課前預(yù)習(xí)不充分

學(xué)生進(jìn)入課堂之前對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器不熟悉，預(yù)習(xí)的過(guò)程基本是按照實(shí)驗(yàn)教材的原理和步驟照搬照抄，沒有經(jīng)過(guò)認(rèn)真思考，達(dá)不到預(yù)習(xí)的目的.

（二）課堂教學(xué)效果不理想

傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)受到場(chǎng)地、設(shè)備等限制，按照現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，往往是兩名同學(xué)共用一臺(tái)儀器，這樣動(dòng)手能力弱的同學(xué)只是配合另一名同學(xué)完成實(shí)驗(yàn)，達(dá)不到獨(dú)立訓(xùn)練的目的。同時(shí)，在固定教學(xué)時(shí)間內(nèi)，學(xué)生僅依據(jù)老師的指導(dǎo)按部就班的完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，沒有獨(dú)立的深層次的思考過(guò)程，很難達(dá)到理想的教學(xué)效果。

（三）學(xué)生的個(gè)性化能力不能充分發(fā)展

大學(xué)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生一般只能在特定的時(shí)間完成特定的實(shí)驗(yàn)題目，不能滿足不同能力學(xué)生在時(shí)間上和內(nèi)容上的個(gè)性化實(shí)驗(yàn)的需求，在現(xiàn)今“雙創(chuàng)”背景下和“競(jìng)賽”導(dǎo)向下[7]，需要讓學(xué)生的個(gè)性化能力充分發(fā)展，以上都對(duì)傳統(tǒng)的線下大學(xué)物理教學(xué)模式提出了巨大的挑戰(zhàn)。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（一）有助于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)教材上實(shí)驗(yàn)原理是二維平面圖像，學(xué)生很難建立起三維立體圖形.在仿真系統(tǒng)中，將實(shí)驗(yàn)儀器利用3D 模型立體化呈現(xiàn)，學(xué)生利用鼠標(biāo)鍵盤操作儀器，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有一種游戲通關(guān)的感覺，極大的激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)性趣。

（二）學(xué)習(xí)時(shí)間充足，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)靈活

在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，學(xué)生可以利用電腦等設(shè)備進(jìn)行不限次數(shù)、不限時(shí)間的操作，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)也可以靈活選取。由于每個(gè)實(shí)驗(yàn)題目取最高分計(jì)入總成績(jī)，為了取得最高分?jǐn)?shù)，學(xué)生會(huì)多次操作實(shí)驗(yàn)，直至非常熟練.同時(shí)，由于仿真實(shí)驗(yàn)沒有時(shí)間限制，對(duì)于基礎(chǔ)好、能力強(qiáng)的同學(xué)，在完成必做題目之后，還可以利用剩余時(shí)間完成其他感興趣的實(shí)驗(yàn)題目，嘗試探究新的實(shí)驗(yàn)思路，甚至利用平臺(tái)進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)。

（三）操作環(huán)境安全，減少損耗

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)全部在電腦的操作系統(tǒng)中完成，操作環(huán)境安全，可以避免學(xué)生的錯(cuò)誤操作造成的貴重和精密儀器的損壞。如在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生不會(huì)接觸光學(xué)器件造成磨損，或者在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生也不會(huì)因?yàn)殄e(cuò)誤操作而“觸電”。每個(gè)學(xué)生都能親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)學(xué)生共用一套設(shè)備，彌補(bǔ)現(xiàn)有儀器的數(shù)量不足或老舊維修等問(wèn)題，可以起到減少損耗和節(jié)約資源的作用[8]。

（四）有利于拓展先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)

利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還可以開展高成本的大型實(shí)驗(yàn)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室沒有的高端實(shí)驗(yàn)儀器，學(xué)生可以通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)去體會(huì)和實(shí)踐，如仿真實(shí)驗(yàn)中的法拉第效應(yīng)以及太陽(yáng)能電池的特性測(cè)量等，既可以開闊學(xué)生的眼界，也可為高校培養(yǎng)高端人才打下基礎(chǔ)。

三、大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的構(gòu)建與實(shí)施

（一）大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)準(zhǔn)備

渤海大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院自2020 年開始，采用科大奧銳虛擬仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)結(jié)合學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)課程進(jìn)行大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，成為線下大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要補(bǔ)充。仿真平臺(tái)現(xiàn)有仿真實(shí)驗(yàn)題目25 個(gè)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)題目都有完整的理論基礎(chǔ)和相應(yīng)的視頻，同時(shí)設(shè)計(jì)了檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成果的測(cè)驗(yàn)問(wèn)題，通過(guò)回答問(wèn)題情況可以統(tǒng)計(jì)學(xué)生的預(yù)習(xí)效果。由于大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)開設(shè)學(xué)期為第2學(xué)期，學(xué)生缺少專業(yè)物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)，所以在學(xué)習(xí)通課程中首先設(shè)計(jì)了誤差理論、數(shù)據(jù)處理等相應(yīng)的理論知識(shí)。實(shí)驗(yàn)題目的開設(shè)按照大學(xué)物理中力熱、光、電磁、近代物理的課程順序，學(xué)生需完成至少6 個(gè)實(shí)驗(yàn)題目（見表1），既包含了基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)也包含了綜合性實(shí)驗(yàn)。線下教學(xué)時(shí)課程可以在仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，特殊時(shí)期學(xué)生可自行用自己的電腦完成，在教學(xué)過(guò)程中充分實(shí)現(xiàn)線上線下教學(xué)模式自由轉(zhuǎn)換。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)開設(shè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)題目

（二）大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)施

在課前準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，教師通過(guò)學(xué)習(xí)通平臺(tái)發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)，布置預(yù)習(xí)相關(guān)的理論知識(shí)。學(xué)生可以通過(guò)自學(xué)實(shí)驗(yàn)教材或觀看仿真系統(tǒng)里的視頻，了解實(shí)驗(yàn)原理、操作關(guān)鍵步驟以及注意事項(xiàng)等。教師在學(xué)習(xí)通平臺(tái)上對(duì)學(xué)生的每次預(yù)習(xí)都留有相應(yīng)任務(wù)，通過(guò)完成測(cè)試題反饋學(xué)生的預(yù)習(xí)情況和學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作中可能存在的主要問(wèn)題，這樣教師在課堂中就可以有針對(duì)性的進(jìn)行講解。

在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，教師在課堂中進(jìn)行講解，包括重點(diǎn)步驟和注意事項(xiàng)，尤其在介紹實(shí)驗(yàn)背景的時(shí)候可以引入物理學(xué)史，介紹科學(xué)家艱難的探究過(guò)程和其無(wú)私奉獻(xiàn)的科學(xué)精神，在提升學(xué)生興趣的同時(shí)開展“課程思政”，將人文素養(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng)有機(jī)結(jié)合。教師講解后，學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)操作，在操作過(guò)程中可以多次嘗試不同的操作順序和測(cè)量方法，通過(guò)不斷思考對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，也可以對(duì)提供的儀器進(jìn)行組合，用不同的方法完成同一實(shí)驗(yàn)，并且通過(guò)討論的方式得到最好的實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果。在此環(huán)節(jié)，要充分體現(xiàn)出學(xué)生的主體地位，所有的教學(xué)過(guò)程和教學(xué)活動(dòng)都要圍繞學(xué)生展開，教師盡量減少演示過(guò)程，僅起到輔助的作用。在操作過(guò)程中，學(xué)生會(huì)出現(xiàn)各種錯(cuò)誤，仿真實(shí)驗(yàn)會(huì)以最大的容錯(cuò)率允許學(xué)生做各種嘗試，而不用擔(dān)心對(duì)儀器造成傷害。通過(guò)課上的實(shí)操訓(xùn)練，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力以及分析和解決問(wèn)題的能力都將得到提升，仿真系統(tǒng)操作界面見圖1 和圖2。

圖1 霍爾效應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)

圖2 三線擺法測(cè)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量數(shù)據(jù)界面

課后作業(yè)與鞏固環(huán)節(jié)，完成實(shí)驗(yàn)后，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)學(xué)生操作的規(guī)范性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性自動(dòng)給出評(píng)判，學(xué)生可以在平臺(tái)上利用“成績(jī)查看”功能查看實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)。如果學(xué)生對(duì)成績(jī)不滿意，可以多次完成實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)自動(dòng)給出最高分?jǐn)?shù)，在此過(guò)程中，學(xué)生必定會(huì)仔細(xì)思考如何讓實(shí)驗(yàn)操作更規(guī)范，如何計(jì)算數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，同時(shí)預(yù)習(xí)過(guò)程中不明確的知識(shí)點(diǎn)也通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到更好的理解和消化吸收。通過(guò)該環(huán)節(jié)，教師也可以反思自己課堂教學(xué)的不足之處，如學(xué)生操作的易錯(cuò)點(diǎn)是否重點(diǎn)提示，理論知識(shí)是否講到位，根據(jù)學(xué)生課堂表現(xiàn)和操作成績(jī)調(diào)整預(yù)習(xí)任務(wù)，從而更好的優(yōu)化課堂教學(xué)。

（三）大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)考核體系的構(gòu)建

仿真系統(tǒng)能夠自動(dòng)對(duì)操作步驟和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)分，為了全面的考察學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，教師通過(guò)學(xué)習(xí)通平臺(tái)中針對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)題目布置相應(yīng)的練習(xí)題，最終課程成績(jī)?cè)u(píng)定總評(píng)成績(jī)構(gòu)成包含課堂表現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)課程、實(shí)驗(yàn)操作以及實(shí)驗(yàn)考核四部分組成，與傳統(tǒng)的考核方式不同，實(shí)驗(yàn)考核采取線上隨機(jī)抽題形式，這種線上線下結(jié)合的考核方式最大程度保證了學(xué)生的參與度和科學(xué)評(píng)判了學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，有利于促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升。具體成績(jī)構(gòu)成、分值比例及考核形式考核要求如表2 所示。

表2 仿真實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)構(gòu)成、分值比例以及考核形式

（四）成績(jī)分析和教學(xué)效果評(píng)價(jià)

大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐取得了良好的學(xué)習(xí)效果。以渤海大學(xué)物理學(xué)專業(yè)2021 級(jí)為例，參加本門課程學(xué)習(xí)的學(xué)生共計(jì)139 人，學(xué)生的平均分90.9，其中90 分以上100 人，優(yōu)秀率71.9%，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比優(yōu)秀率有大幅度提高。分析成績(jī)，學(xué)生在課堂表現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)課程兩項(xiàng)成績(jī)中除個(gè)別同學(xué)外，普遍得分較高，原因是除了學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度認(rèn)真外，全新的實(shí)驗(yàn)授課模式得到學(xué)生的普遍認(rèn)可。實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)主要考查正確設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，正確使用、調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀器以及數(shù)據(jù)的處理，學(xué)生的成績(jī)?cè)谶@部分呈現(xiàn)出差異，由于學(xué)生可以無(wú)限次實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄最高成績(jī)，所以獲得高分的同學(xué)需要具有較強(qiáng)的操作能力以及不斷完善實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，而成績(jī)較低者往往是數(shù)據(jù)測(cè)量誤差較大，同時(shí)也沒有多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)改正錯(cuò)誤。通過(guò)各項(xiàng)內(nèi)容的學(xué)習(xí)和考核，可以發(fā)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)不僅可以鍛煉學(xué)生的思維能力、合作能力，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的學(xué)習(xí)態(tài)度。

結(jié)合成績(jī)分析，反思教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，仿真實(shí)驗(yàn)是自動(dòng)生成的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生沒有體驗(yàn)和學(xué)習(xí)報(bào)告的撰寫過(guò)程，同時(shí)實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程主要是鼠標(biāo)，同學(xué)們沒有真實(shí)的儀器觸摸的感覺，這些都需要傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充.

四、結(jié)語(yǔ)

仿真實(shí)驗(yàn)的諸多優(yōu)點(diǎn)，雖不能完全取代線下實(shí)驗(yàn)，卻以它獨(dú)特的形式在特殊時(shí)期完成了線上教學(xué)的使命。隨著疫情時(shí)代的結(jié)束，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)主體可以回歸線下，但是多元化的視角和全新的教學(xué)理念已經(jīng)深入教學(xué)一線。在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，物理仿真實(shí)驗(yàn)可以推廣到其他專業(yè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程以及大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的進(jìn)階課程，如近代物理實(shí)驗(yàn)等。這種開放的教學(xué)模式也為將來(lái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革指明了方向，為高校培養(yǎng)出更多具有科學(xué)素養(yǎng)的適用性人才提供了借鑒與思考。