虛實(shí)結(jié)合混合式大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模式的實(shí)踐

譚佐軍，程其孌，陳建軍，魏 薇，盧 軍

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院 物理系，湖北 武漢 430070)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程中的核心組成，對(duì)于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力具有重要作用. 傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模式僅限于教材，隨著數(shù)字課程資源的上線，學(xué)生可以通過學(xué)習(xí)眾多的視頻、PPT課件、立體化教材等課程教學(xué)資源，寫出預(yù)習(xí)報(bào)告，預(yù)習(xí)時(shí)學(xué)生無法接觸到實(shí)驗(yàn)儀器，對(duì)原理理解不深. 然而這種模式下，單純通過教學(xué)資源來掌握儀器構(gòu)造、工作原理和注意事項(xiàng)很困難，教學(xué)資源中教學(xué)內(nèi)容編排往往也沒留給學(xué)生獨(dú)立思考的余地，達(dá)不到預(yù)習(xí)效果，教師也無法評(píng)價(jià)學(xué)生的預(yù)習(xí)效果. 預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的不完善，使得學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，對(duì)即將開展的實(shí)驗(yàn)不熟悉，無法獨(dú)立思考，進(jìn)行有目的地操作和觀察，無法利用掌握的知識(shí)對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行合理分析討論，學(xué)生也容易損壞實(shí)驗(yàn)儀器，往往等著教師手把手進(jìn)行指導(dǎo)，自主性、探索性、創(chuàng)新性的學(xué)習(xí)無從談起. 如何打破傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模式，提高預(yù)習(xí)質(zhì)量和預(yù)習(xí)效果，成為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教師需要重點(diǎn)解決的問題[1-3].

在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”背景下的MOOC時(shí)代，實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容之一，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的載體，是高等學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的途徑[4]. 2016年被認(rèn)為是我國虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)的“元年”，國內(nèi)眾多高校和教育合作企業(yè)積極投入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)中[5]. 在此背景下，我們依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和全開放預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)室開展了虛實(shí)結(jié)合混合式大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模式的探索，將線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和線下全開放預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)有機(jī)融合，充分發(fā)揮了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和本地學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)，提高了學(xué)生自主預(yù)習(xí)興趣、預(yù)習(xí)質(zhì)量和預(yù)習(xí)效果.

1 虛實(shí)結(jié)合混合式大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模式的構(gòu)建思路

在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，關(guān)鍵是讓學(xué)生能夠接觸實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備并操作儀器設(shè)備，從而促進(jìn)學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理，并自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)步驟. 面對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室人員有限、設(shè)備資源有限等普遍問題，避免學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備造成不必要的損壞，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為教學(xué)提供了技術(shù)保證.

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教育大綱所需要的教學(xué)效果. 顯然，信息化技術(shù)特征、高度仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和對(duì)象以及滿足本科教學(xué)是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的本質(zhì)屬性[6]. 借助虛擬仿真教學(xué)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，可以解決學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中無法接觸實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、無法操作儀器設(shè)備、對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟無法產(chǎn)生深刻理解和認(rèn)識(shí)的問題. 進(jìn)行虛擬仿真操作后，學(xué)生往往對(duì)實(shí)驗(yàn)有一定的了解，但僅僅進(jìn)行虛擬仿真操作，學(xué)生不能達(dá)到預(yù)期的預(yù)習(xí)效果. 堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的理念，設(shè)計(jì)全開放預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)室，可以讓學(xué)生通過自由預(yù)約隨時(shí)進(jìn)入預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)習(xí)，有疑問時(shí)，可以通過師生互動(dòng)交流平臺(tái)進(jìn)行答疑解惑. 圖1為虛實(shí)結(jié)合混合式大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模式示意圖.

圖1 虛實(shí)結(jié)合混合式大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模式示意圖

2 虛實(shí)結(jié)合混合式大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模式的實(shí)現(xiàn)

2.1 線上虛擬仿真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路

實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的目的是全面了解和認(rèn)識(shí)所要做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，因此線上虛擬仿真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)環(huán)境和效果評(píng)價(jià)3個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)[7].

從教學(xué)目標(biāo)來看，學(xué)生完成的每個(gè)實(shí)驗(yàn)都應(yīng)有明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，做到有的放矢. 教學(xué)內(nèi)容需要有實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、儀器介紹、引導(dǎo)操作、預(yù)習(xí)報(bào)告、預(yù)習(xí)考核等內(nèi)容，按實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分模塊，采用統(tǒng)一良好的導(dǎo)航結(jié)構(gòu)，內(nèi)容表現(xiàn)方式以全景、立體動(dòng)態(tài)展示的形式，虛擬仿真呈現(xiàn)給學(xué)生，通過人機(jī)交互，完成大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)任務(wù)和預(yù)習(xí)考核任務(wù).

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)線上虛擬仿真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)營造的學(xué)習(xí)環(huán)境是學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)活動(dòng)的場(chǎng)所，高度仿真的自主學(xué)習(xí)場(chǎng)景對(duì)于提高學(xué)生預(yù)習(xí)積極性和實(shí)驗(yàn)興趣非常重要. 虛擬環(huán)境中的場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室高度一致，包括實(shí)驗(yàn)室各種設(shè)備的放置、實(shí)驗(yàn)室文化、安全設(shè)施、板書等，學(xué)生進(jìn)入全景、立體動(dòng)態(tài)的仿真實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，以達(dá)到掌握基本技能操作的目的，學(xué)生也可以跟真實(shí)環(huán)境一樣獲取豐富的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字課程學(xué)習(xí)資源，幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及相關(guān)儀器設(shè)備使用.

線上虛擬仿真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要采用虛擬實(shí)驗(yàn)練習(xí)、在線測(cè)試、預(yù)習(xí)報(bào)告等形成性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià). 學(xué)生完成預(yù)習(xí)后，測(cè)試成績(jī)合格才能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn). 這樣有效地實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)質(zhì)量和預(yù)習(xí)效果的測(cè)評(píng)監(jiān)控. 學(xué)生也可以及時(shí)了解自己的預(yù)習(xí)效果，調(diào)整和改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，從而達(dá)到預(yù)習(xí)要求.

2.2 線上虛擬仿真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要求以3D模型為基礎(chǔ)，可進(jìn)行全景觀測(cè)，學(xué)生可以進(jìn)行良好的人機(jī)交互，平臺(tái)具備網(wǎng)絡(luò)交互功能，可以方便地?cái)U(kuò)展到IOS和Android平臺(tái)，并能適應(yīng)觸摸屏操作. 因此，平臺(tái)選擇了Unity3D開發(fā)平臺(tái).Unity3D是由UnityTechnologies公司開發(fā)的三維開發(fā)引擎，支持C#和JavaScript等語言開發(fā)擴(kuò)展；支持SolidWorks、3DSMax、MaYa等建模軟件的輸出格式[8].

圖2 虛實(shí)結(jié)合混合式大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模式示意圖

虛擬仿真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、設(shè)備介紹、引導(dǎo)操作、預(yù)習(xí)報(bào)告、預(yù)習(xí)習(xí)題6個(gè)部分，圖2為利用光的等厚干涉測(cè)量生物膜厚度實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目界面. 平臺(tái)具體設(shè)計(jì)分為建模和交互設(shè)計(jì). 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真預(yù)習(xí)系統(tǒng)中看到的設(shè)備和模型都是真實(shí)場(chǎng)景中實(shí)物的再現(xiàn)，模型是組成虛擬仿真預(yù)習(xí)系統(tǒng)的基本部分，是虛擬現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)體現(xiàn). 系統(tǒng)中的模型使用SolidWorks或3dsMax建立零部件三維模型(*.SLDPRT)，并進(jìn)行配合完成整裝配(.SLDASM). 對(duì)模型轉(zhuǎn)換導(dǎo)出(*.OBJ/*.C4D/*.FBX). 在3dsMax中處理模型材質(zhì)顏色等.

交互設(shè)計(jì)以引導(dǎo)操作為主(圖3)，底部顯示當(dāng)前動(dòng)畫的說明字幕，并有語音提示，給出正確的操作使用步驟，指明每個(gè)操作步驟應(yīng)該采用的正確方法、必須完成的具體工作、需要注意的事項(xiàng)，視角自由控制，當(dāng)學(xué)生操作時(shí)，如果操作過程出現(xiàn)錯(cuò)誤則不能進(jìn)入下一步，系統(tǒng)會(huì)給出提示幫助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn). 預(yù)習(xí)平臺(tái)提供師生交流互動(dòng)平臺(tái)，平臺(tái)可以促進(jìn)師生互動(dòng)、生生互動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生協(xié)作學(xué)習(xí)，從而達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較深刻的理解和掌握，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教學(xué)理念.

圖3 虛擬仿真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的操作引導(dǎo)

2.3 線下全開放預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)

建立線下全開放物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)室，可以讓學(xué)生在經(jīng)過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)后，進(jìn)入預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)室，熟悉相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，將線上虛擬仿真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲得的預(yù)習(xí)知識(shí)與直觀的儀器使用體驗(yàn)結(jié)合，從而達(dá)到很好的預(yù)習(xí)效果，學(xué)生帶著良好的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備基礎(chǔ)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下，自主完成實(shí)驗(yàn)操作，通過觀察現(xiàn)象、定量測(cè)量、數(shù)據(jù)采集記錄，完成實(shí)驗(yàn)課堂部分，課后按照要求完成實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)都能達(dá)到教學(xué)要求.

全開放物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)室采用全開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)進(jìn)行管理(圖4)，將大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程學(xué)生選做的所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在該實(shí)驗(yàn)室中放置1套裝置，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)的儀器設(shè)備均采用電源控制系統(tǒng)，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室門口的派位機(jī)上刷校園卡預(yù)約需要預(yù)習(xí)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并進(jìn)行派位，派位成功后，自動(dòng)開啟對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的電源，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室門口門禁刷卡后可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)習(xí)，預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生刷卡關(guān)閉電源，離開預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)室. 由于24h開放運(yùn)行，為了保證實(shí)驗(yàn)室的安全和設(shè)備的正常運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)室安裝監(jiān)控系統(tǒng)，管理員定時(shí)巡查，如發(fā)現(xiàn)存在異常，則可調(diào)出監(jiān)控視頻查找問題. 教師和管理員也可在線實(shí)時(shí)查看預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)室和每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)時(shí)狀態(tài).

圖4 線下全開放預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)室及預(yù)約派位

3 結(jié)束語

依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和全開放預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了虛實(shí)結(jié)合混合式大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模式，創(chuàng)新了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模式，踐行了信息化技術(shù)與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，將線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和線下全開放預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)有機(jī)融合，充分發(fā)揮了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和本地學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)，提高了學(xué)生自主預(yù)習(xí)興趣、預(yù)習(xí)質(zhì)量和預(yù)習(xí)效果，促進(jìn)了學(xué)生向自主性學(xué)習(xí)、合作探究、研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變. 在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”時(shí)代，隨著移動(dòng)智能設(shè)備的廣泛使用，依托移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)學(xué)習(xí)將進(jìn)一步推進(jìn)教學(xué)方式的改革和創(chuàng)新，采用Unity3D開發(fā)平臺(tái)開發(fā)運(yùn)行于移動(dòng)智能設(shè)備的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生在任何地方、任何時(shí)刻進(jìn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，從而促進(jìn)大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)泛在化學(xué)習(xí)的研究邁入新的研究階段.

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