教育數字化背景下大學物理實驗教學創新與探索

摘要：在教育數字化轉型的大背景下，為了適應教育新形態，大學物理實驗課程的教學改革也勢在必行。本文根據甘肅民族師范學院實際使用虛擬仿真實驗教學的經驗，通過對比傳統的大學物理實驗教學方法和虛擬仿真實驗的優勢，提出了在大學物理實驗中引入虛擬仿真實驗的思路，并對其教學模式和評價體系進行了優化，教學效果明顯得到提高。

關鍵詞：數字化轉型；大學物理實驗；教學創新；研究

InnovationandExplorationofUniversityPhysicsExperiment

TeachingundertheBackgroundofEducationDigitalization

ZhangXiaojuanZhengWeimin

DepartmentofPhysicsandHydropowerEngineering，GansuNormalUniversityforNationalities

GansuGannan747000

Abstract：Againstthebackdropofthedigitaltransformationofeducation，inordertoadapttothenewformofeducation，theteachingreformofuniversityphysicsexperimentcoursesisalsoimperative.Basedonthepracticalexperienceofvirtualsimulationexperimentteachingin GansuNormalUniversityfornationalities，thispaperproposestheideaofintroducingvirtualsimulationexperimentsintouniversityphysicsexperimentsbycomparingtheadvantagesoftraditionaluniversityphysicsexperimentteachingmethodsandvirtualsimulationexperiments.Theteachingmodeandevaluationsystemareoptimized，andtheteachingeffectissignificantlyimproved.

Keywords：digitaltransformation；universityphysicsexperiment；teachinginnovation；research

物理學是一門以實驗為基礎的學科，任何一個新理論的正確性只有通過實驗驗證后才能被認可。同時，物理實驗不僅可以發現新的現象和規律，而且為物理學的進一步發展提供重要的理論依據。物理實驗不但作為物理學研究的基礎和驗證物理理論正確性的重要手段，而且在物理學的發展中也起到了至關重要的作用。

大學物理實驗是理工科各專業的一門以培養學生科學實驗能力為目標的專業必修課程。該課程不僅是學生接受系統的實驗理論、實驗方法和實驗技能訓練的開端，而且也是對學生進行系統科學實驗素質和能力培養的重要基礎。因為大學物理實驗的內容就是驗證基本物理規律的，具有基礎、簡單的特點。因此，在教學過程中更應注重學生在自主開展實驗的能力和素養等方面的培養。本文以甘肅民族師范學院為例，針對地方民族院校大學物理實驗教學實際，提出了在融入數字化教學平臺后采取以學生探索為主、教師指導為輔的創新教學模式以及評價體系方面的一些思路和方法。

一、大學物理實驗數字化教學改革的背景

在實際的大學物理實驗教學過程中，由于地方民族院校學生的專業基礎薄弱、自主學習能動性不足、課堂教學中缺乏自主學習熱情和創新意識，導致不能獨立自主完成實驗項目。最后，教師只有把實驗原理和方法“掰碎揉爛”了“填鴨”式地喂給學生。即便如此，在實驗操作環節，還出現有個別同學難以完成的現象。學生機械式地在教師的指揮下按部就班地完成實驗項目，便失去了實驗教學其初衷，這也違背了實驗課程對培養創新型、應用型人才的要求。

2020年起，各高校充分利用各種在線教學資源和平臺，如優質的在線課程、校內網絡學習空間等，積極開展線上授課和線上學習等在線教學活動。各高校在開放全部優質在線課程和虛擬仿真實驗教學資源的同時，國家部分虛擬仿真平臺也開放了虛擬仿真教學實驗項目，免費提供超過2000門虛擬仿真實驗課程資源，為廣大師生提供了更加豐富的學習體驗和實踐機會，也為大學物理實驗實施數字化教學轉型創造了有利機會，積淀了豐富的經驗。

二、傳統線下大學物理實驗教學現狀及存在的問題

大學物理實驗雖然是一門傳統的課程，且在各個學校開設，但隨著科學技術的發展和教學改革的深入推進，已經不能適應現代教學發展的需要，主要存在如下幾個方面的問題。

（一）實驗設備維修，維護不及時

由于大學物理實驗課程在全校所有理工科專業中開設，課程覆蓋面大，使用頻率高，授課人數多；又因為每個實驗室由多位教師同時授課。經常會出現在儀器維護和受損儀器維修上不夠及時的現象，將直接影響到實驗設備的正常運行和所測數據的準確性及實驗教學效果。

（二）實驗室資源不足

第一，傳統的大學物理實驗是在實驗室完成的，但隨著科學技術的發展和實驗設備的更新迭代等原因，各個學校的實驗教學設備都存在不同程度更新不到位的現象；

第二，個別實驗設備由于受損等原因導致該實驗設備的臺套數不足，出現學生不能按實驗要求進行分組，出現每組學生過多而部分學生不能親自進行實驗操作，這就限制了學生對物理學知識的深入理解和掌握，同時也會影響到學生的實驗、實踐能力的培養，從而影響學生的綜合素質發展，難以保障實驗的教學效果；

第三，大學物理實驗室是培養學生科研和創新能力的重要場所，而實驗室資源的短缺和不能及時更新會使學生無法開展高水平的科研活動，限制學生的創新思維和實踐能力，從而影響學生的專業素養和就業競爭力。

（三）實驗教學方法落后

傳統的大學物理實驗教學方法是教師首先對實驗原理、方法、實驗過程等進行講解，然后進行實驗演示，最后才讓學生進行實驗操作，根據學生完成情況進行考核。這種教學方法也存在以下不足：

首先，傳統大學物理實驗教學方法缺乏探究性。教師通過板書和實驗演示、講解向學生傳遞知識，學生往往處于被動接受的狀態。雖然有預習環節，但由于教師課上還要講解、演示，所以學生對實驗預習環節得不到足夠的重視，使學生不能主動地進行思考、探究和實踐，難以激發學生的學習興趣和熱情，更談不上培養學生的實際操作能力和實踐探索能力。

其次，傳統大學物理實驗教學方法缺乏個性化指導。傳統的教學方式是按組進行的，且每組人數較多，只要整組完成實驗要求即可。因此注重了整體性的教學，忽略了學生的個性化需求和學習差異，往往難以滿足學生的不同需求，尤其是在學生的實際應用能力和實際操作能力方面，缺乏有效的個性化指導。

最后，傳統大學物理實驗教學方法不便于教師對學生學習效果的監控和評估。在傳統教學模式下，由于每小組人數較多，而操作的往往只有一位同學，其他同學沒有實際操作的機會，所以教師難以準確地掌握每位學生的實際情況，無法及時發現學生的學習困難和問題，也難以對學生的學習成果進行有效評估。

（四）評價考核制度不盡科學

傳統大學物理實驗評價體系雖然由預習、操作、實驗報告和期末實驗考試等部分組成，但預習、操作、實驗報告都是定性的評價，特別是操作和實驗報告數據每小組都相同，因每組都有個別學生不能實際操作，就不能準確地評價每位學生的實際實驗水平，更體現不出學生個性發展。因此，這種評價方式不盡科學。

三、虛擬仿真實驗的優勢

大學物理虛擬仿真實驗的多樣性在實驗內容和形式上都有很大的優勢，涵蓋多種實驗類型，可以進行自由組合，形式也可以多樣化，幫助學生更全面、個性化地進行實驗探究，從而提高學生對物理實驗相關知識和技能的掌握。

首先，虛擬仿真實驗不受時間地點的約束，同學們可根據自己的時間在手機或電腦端完成，無須前往實驗室，方便了學生的實驗學習。

其次，虛擬仿真實驗從數量、深度上要遠大于實體實驗，因此學生除完成教學基本內容外，還可以進行深度探索擴展，培養學生的創新能力。

再次，虛擬仿真實驗的過程更規范。學生使用虛擬仿真實驗時，如果操作失誤就不會出現正確的結果，這時可以進行反復操作，查找問題、發現問題，直至順利完成實驗，這樣在更加規范實驗過程的同時，也增加了學生的獲得感。完成虛擬仿真實驗后，在實體實驗室就可大大地規避操作失誤，提高了實驗結果的準確性。

最后，虛擬仿真實驗還特別適合設計性實驗和實驗競賽前的各類培訓。

四、數字化轉型背景下大學物理實驗創新與探索

（一）用虛擬仿真實驗代替實驗預習

傳統的實驗要寫預習報告，即學生在上課前通過閱讀教材，歸納總結出實驗原理和實驗過程等并寫在實驗報告上。但在實際撰寫實驗預習報告時學生并沒有認真閱讀教材，按部就班地將實驗原理和步驟抄一遍，即便不理解，課堂上還有教師的講授、演示，這樣影響了學生實驗學習的主動性和探索精神。

因此，我們取消預習報告，讓學生在上課前根據教材認真進行預習，且通過虛擬仿真實驗平臺完成實驗，這樣促進了學生有效地掌握實驗原理、了解實驗現象，并規范了實驗過程。如果存在疑惑和問題，上課前學生帶著問題通過教師答疑再去做實驗，才能真正達到實驗教學的目的。同時，即便是實驗設備不足，同學們通過完成虛擬仿真實驗，同樣也能達到實驗教學的基本要求。

（二）優化實驗報告

通過虛擬仿真實驗學生已經掌握了實驗原理、了解了實驗步驟和過程。為了不增加學生學業負擔的情況下，實體實驗就是對理論和結果的再驗證，所以沒必要再去抄實驗原理和步驟、過程。因此，我們將實驗原理和步驟、過程設計到實驗報告上，在實驗前印發給學生，讓學生按照實驗實際填寫實驗數據，并進行數據處理即可。為提高學生獨立提出問題、分析問題和解決問題的能力，培養學生創新思維和科學素養，在實驗報告里重點設計了思考題和對實驗過程、現象和結果等方面的分析與總結。

（三）增加設計性實驗

我們根據各專業特點，結合甘肅省大學物理實驗競賽的實際，為每個專業提供了3個設計性實驗，在開學第一課上就通知給學生，讓同學們根據自己的實際和愛好去選擇其中的一個實驗提前去思考和設計，并在期末考試前完成。這促進了學生的創新能力和高階思維能力的培養。

五、優化考核評價體系

融入虛擬仿真實驗后的大學物理實驗課程考核成績由平時成績和期末考試兩部分組成，各占總成績的50%。其中平時成績由常規實驗和創新實驗兩部分組成。常規實驗占40%，創新實驗占10%。將傳統的實驗操作部分與實驗報告部分合并為實驗操作部分，增加線上虛擬仿真實驗部分，線上虛擬仿真實驗部分與實驗操作部分各占平時成績的一半。期末考試成績由理論部分和實驗操作兩部分組成，理論部分全班相同，而實驗操作部分結合實驗教學內容讓學生抽取不同的實驗項目來完成。

同時，在平時教學過程中要求實驗課教師及時批改線上、線下實驗報告，并將成績錄入系統，學生可通過虛擬仿真實驗系統學生端查看平時成績，及時掌握個人的學習情況，起到及時反饋和督促的作用，促進大家的學習。

結語

本文根據甘肅民族師范學院學生實際，結合國家教育數字化轉型的要求，對我校大學物理實驗課程在融入虛擬仿真數字化實驗平臺后，從教學體系、考核評價體系等方面進行了優化，教學效果明顯得到了提高。

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基金項目：2021年甘肅省課程思政示范建設研究項目（GSkcsz2021046）；2023年甘肅省高等教育教學成果培育項目（甘高教函［2023］14號）階段性成果

作者簡介：張曉娟（1979—），女，甘肅民族師范學院物理與水電工程系副教授，主要從事原子與分子物理以及基礎物理課程教學與研究。