基于“虛擬仿真實驗+學習通”開展大學物理實驗教學初探

摘" 要：大學物理實驗是理工科專業學生必修的一門基礎實踐課程，在培養學生的學科素養和利用理論知識解決實際問題方面具有不可替代的作用。針對目前地方高等院校大學物理實驗教學的現狀和問題，文章以衡陽師范學院2020級理工科學生為對象，依托虛擬仿真實驗平臺和學習通平臺，提出了虛擬仿真實驗結合學習通融入大學物理實驗課程教學的新模式，并對該模式進行了實踐。實踐表明了此種教學模式能監督學生預習狀態，使教師有更充足的時間準備實驗，能搭建交流平臺，實現優質教育資源共享，較大地提高教學效果，有較大的實用價值，值得推廣。

關鍵詞：大學物理；實驗教學；學習通；虛擬仿真實驗平臺

中圖分類號：G642" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2024）35-0102-04

物理實驗不但為物理學的發展創造了條件，也為現代科學技術的研究打下了基礎，為此，高等教育既要重視物理理論教學，也要重視物理實驗教學。大學物理實驗是理工科專業學生必修的一門基礎實踐課程，在培養學生的學科素養，分析、解決問題的能力和創新能力方面具有不可替代的作用。大學物理實驗內容涵蓋力學、熱學、電磁學、光學、原子物理學實驗。目前大學物理實驗改革主要集中在虛擬仿真技術融入，［1］線上線下混合式教學模式、［2］翻轉課堂教學模式、［3］課程思政融入、［4］微課與慕課、［5-6］課程評價等方面。［7］文章以衡陽師范學院為例，基于大學物理實驗教學的現狀，對虛擬仿真實驗和學習通融入大學物理實驗課程進行實踐，旨在對大學物理實驗改革進行有益探索。

一、大學物理實驗教學現狀與分析

第一，實驗設施配備不足。學生數量多，實驗儀器不足，部分實驗儀器因老化而不能使用，通常是2—3名學生作為一個小組共用一套實驗儀器，使得實驗過程中動手能力較弱的學生過分依賴同伴，渾水摸魚，達不到獨立訓練的效果。另一方面，大學物理實驗室未配置多媒體輔助授課設備，學生實驗過程中碰到的問題難以解決，只能求助于指導教師，但問題較多時指導教師就無法及時為學生提供指導。第二，實驗預習有名無實。大學物理本身課程難度較大，非物理學專業學生興趣不高，實驗原理抽象和實驗儀器的復雜導致學生畏懼實驗，提前預習的學生很少。預習資料單一，因為缺乏真實的實驗場景，學生只能反復研究教材或者觀看視頻，預習的效果普遍較差。第三，授課模式過于陳舊。傳統模式中，教師課前板書相關的實驗目的、原理、步驟以及實驗注意事項，實驗前教師一一進行講解，并給學生進行演示，學生只需按照教師的講解步驟復制操作便能順利完成相關實驗。這極大地削弱了學生課前預習和深入思考的熱情，也導致難以考查學生在實驗過程中的表現，影響了課程的評價。還會導致學生失去獨立思考和設計實驗的情境，不利于學生創新能力和獨立解決問題能力的培養。第四，理論課與實驗課教學不同步。許多實驗教學先于理論課教學，導致學生對實驗原理的理解不深刻。實驗儀器少、學生多，以及實驗數目眾多是大學物理理論課與實驗教學難以同步的主要原因，即使實驗儀器滿足需求，開展不同實驗時更換儀器也將面臨巨大的挑戰，更換過程中也會增加損壞儀器的風險。第五，課程評價相對單一。目前學生的大學物理實驗成績主要基于實驗操作和實驗報告，實驗報告通常具有統一的模板。這種評價機制直接導致實驗報告抄襲嚴重，無法反映學生對實驗的真實掌握情況，難以全面評估學生的實驗能力。

二、虛擬仿真實驗和學習通融入大學物理實驗教學

（一）虛擬仿真實驗和學習通融入大學物理實驗的教學模式

虛擬仿真實驗主要是利用現代計算機、互聯網等信息技術，對各種虛擬實驗環境進行創設，模擬真實的實驗過程。實驗過程、數據處理和實驗成績均由虛擬仿真實驗平臺記錄和保存。學習通是基于微服務架構打造的學習課程、傳播知識、管理和分享資源的平臺。基于虛擬仿真實驗、學習通的特點以及學校大學物理實驗的現狀，本研究提出了將虛擬仿真實驗和學習通融入大學物理實驗課程的新教學模式，具體融入流程見圖1。

（二）新模式的優點

1. 利用學習通發布各階段任務，設置相應的提示，每一階段學生應該干什么一目了然，如圖2所示。學生進度如何，教師通過學習通一覽便知。整個學習過程的材料和批閱均由虛擬仿真實驗平臺和學習通記錄，方便教師進行期末課程的最終評定。

2. 虛擬仿真實驗進行預習管理，提高預習效果，落實實驗預習。虛擬仿真實驗打破了實驗的時空限制，學生只需電腦和網絡就能進行實驗預習，并且操作時間和次數不受制約。仿真系統中實驗儀器是三維的立體圖形，按實驗原理連接好各實驗儀器后，學生通過鼠標和鍵盤操作實驗儀器便可觀察到儀器的各項功能，有利于學生掌握實際實驗過程中實驗儀器的使用技巧。例如，聲速的測量這一實驗需用到示波器，而示波器上的功能鍵眾多，如果實驗前學生不了解示波器的使用，實際實驗過程中學生可能無法完成利用相位比較法來測量聲速。更重要的是虛擬仿真實驗能夠再現實驗場景，加強學生的實驗代入感，從而使學生獲得更好的預習效果。學生是否在虛擬仿真實驗系統里完成了預習任務，系統都有記錄，方便教師實時監控和管理，從而確保學生完成實驗預習任務。

3. 虛擬仿真實驗輔助課堂實驗操作，解放教師課前講解并解決學生疑難問題。實際課堂實驗時，因前期的預習管理，教師無須再給學生進行前期的實驗目的、原理，實驗步驟等過程的講解，以及實驗演示，因而學生有更多的時間來設計和完成相關實驗，充分發揮學生的主體作用。學生在實驗過程中遇到疑難問題時，可以自主利用虛擬仿真實驗來解決，也可以求助于指導教師。

4. 學習通實時監測實驗報告和作業，效率更高，實驗報告電子化更有利于實驗材料的保存。學生從學習通上下載實驗報告模板，填入關鍵原理、步驟、數據和數據處理便可完成實驗報告，并直接在學習通上提交，不需要學生重新抄寫相關實驗目的、儀器、原理、步驟等內容，這極大地提高了學生的效率。實驗報告的電子化使學生無須再提交紙質版的實驗報告，更有利于實驗材料的保存。

5. 虛擬仿真實驗連同實際實驗考試檢測實驗效果，解決實驗儀器不夠的問題。在實驗考試時，因大學物理實驗學生人數眾多，實驗儀器不夠，分批次也很難讓學生完成考試，引入虛擬仿真實驗進行考試可以解決這一難題。教師只需在仿真平臺設置考試試卷，考試時間，學生登錄考試平臺即可進行考試，并由平臺自動進行判分，教師無須閱卷。

6. 學習通搭建討論、資源共享，作業等平臺，利于教師課程管理與反思。學習通的區域搭建結構如圖3所示，交流區主要是教師發布通知、學生之間的相互交流和討論、學生課后反饋的平臺。資源共享區主要用來存放實驗講義、經典視頻和參考文獻。例如有文獻提供了駐波法、相位法、時差法、變頻定距法、超聲光柵法、干涉法、共振聲譜法等七種聲速測量方法并進行了理論探討。［8］學生通過閱讀本文，對聲速測量實驗的物理圖像將會有更清楚的認識；有利于深入理解和探討聲速測量實驗方法；并有助于實驗的順利進行。有的文獻闡明，運用Mathematica軟件動態模擬李薩如圖形，讓學生直觀了解李薩如圖形以及參數改變對圖形的影響，可幫助學生更好地理解李薩如圖形法測量聲速的實驗原理及實驗操作技巧，加深對簡諧振動合成的理解。［9］作業上交區用于學生上交實驗報告和預習作業等。成績發布區可提供學生的查詢成績通道。課程總結區用于教師根據學生的實際情況總結課程。

7. 成績評定更加科學。此模式下，學生的實驗成績不再是根據實驗操作、實驗報告和期末考試給出，而是根據實驗預習、實驗操作、實驗報告、實驗考試，以及整體任務完成進度等多方面按權重評定，成績評定更加科學。實踐過程中課程的總成績=實驗預習（10%）+實驗操作（35%）+實驗報告（20%）+實驗考試（30%）+任務完成進度（5%）。

三、“虛擬仿真實驗+學習通”融入教學實踐

（一）實踐的可行性分析

衡陽師范學院物理虛擬仿真實驗平臺于2015年開始搭建并投入使用，目前系統包括45個在線仿真實驗項目，涵蓋面廣，涉及力學、熱學、光學、電學、電磁學、近代物理等物理實驗。學校為每位在校師生設立了學習通賬號，老師只需在教師端將參加物理實驗的學生加入所建班級，就可以進行在線互通互學。為了知曉學生擁有電腦的比例在2020級學生中進行了調查統計，調查對象為生物科學與環境學院9個班級，共390名學生。在學習通內發調查問卷，以班級為單位進行統計。圖4提供了相應的調查結構統計，數據顯示班級中擁有電腦人數占比最高為93.33%，最低為63.64%。學生可以靈活安排時間，達到利用虛擬仿真平臺進行預習實驗的目的。

（二）實踐方案

在大學物理實驗教學過程中將使用電腦人數占比較高的生科1班、生科3班、生科4班和食品科學1班這四個班分為第一組，其他使用電腦占比人數較低的五個班分為第二組。針對第一組，對聲速的測量和旋光儀測糖溶液濃度這兩個實驗采取新模式進行教學，其他實驗依舊采取常規的教學模式，見表1。對于第二組一律采用常規的教學模式進行教學。

（三）實踐效果

為了檢驗新模式的實踐效果，期末分別從兩種模式培養的學生中各隨機抽取40名學生參加聲速的測量這一實驗考試，實驗考試結果如圖5所示。采用新模式教學培養的學生都能通過考試，新模式下80分以上的學生人數達26人，占比約為65%，比普通模式高20個百分點。此外，從新模式培養的學生中額外抽取了20名學生，讓這20名學生依次參加用旋光儀測糖溶液濃度和弦振動與駐波的研究這兩個實驗的考試。從圖6中可以看出85%的學生在新模式教學下的考試成績高于常規模式培養下的考試成績。可見，新模式能顯著提高教學質量。

四、結語

虛擬仿真實驗結合學習通融入大學物理實驗課程教學的新模式，能夠再現實驗場景，監督學生預習狀態，使預習落到實處；解放教師課前講解，使學生實驗時間更加充足，教師有更多的時間進行答疑；電子版實驗報告，學生只需提交關鍵數據，極大地提高了學生完成實驗報告的效率；能搭建學習交流平臺，實現資源優質共享，更有利于創新思維培養；成績評定更加客觀、科學。在新模式下，能大大提高教學質量，值得廣泛應用和推廣。

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（責任編輯：邵秋露）

基金項目：2022年湖南省普通高等學校教學改革研究項目“師范類專業認證背景下地方師范類院校數學物理方法教學改革探索”（項目編號：HNJG-2022-0915）；2023年湖南工程學院教研教改研究項目“新工科和工程教育專業認證背景下《大學物理》課程教學改革和優化研究”；2019年衡陽師范學院教研教改研究項目“地方院校大學物理實踐教學研究和實踐”（項目編號：JYKT201908）。

作者簡介：伍法美（1986—），女，碩士，衡陽師范學院物理與電子工程學院助理工程師，研究方向為大學物理教學、超材料；張定宗（1984—），男，博士，衡陽師范學院物理與電子工程學院副教授，研究方向為物理學專業教學、磁約束核聚變等離子體物理；唐世清（1982—），男，博士，衡陽師范學院物理與電子工程學院教授，研究方向為物理專業教學、量子信息技術；盧旺軍（1990—），男，博士，湖南工程學院計算科學與電子學院副教授，研究方向為量子信息與大學物理教學。