基于虛擬仿真平臺的大學(xué)物理實驗教學(xué)改革探索*

石瑛 呂桓林

(大連工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)部 遼寧 大連 116034)

大學(xué)物理實驗是高等理工科院校必修的一門重要基礎(chǔ)課，是所有理工科學(xué)生進入大學(xué)后最早開設(shè)的一門比較系統(tǒng)、全面的實驗課程．隨著計算機和互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，大學(xué)物理實驗教學(xué)也在發(fā)生著深刻的變化．傳統(tǒng)的實驗教學(xué)存在著嚴重的不足，例如，學(xué)生人數(shù)多導(dǎo)致排課困難，實驗儀器更新快導(dǎo)致增補困難，由于場地不足導(dǎo)致實驗室建設(shè)滯后，教學(xué)方法單一導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習主動性和創(chuàng)造性，這些亟待解決的問題使得實驗教學(xué)質(zhì)量也面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)．因此，實驗教學(xué)必須要進行全面徹底的改革和創(chuàng)新．隨著虛擬技術(shù)的發(fā)展成熟，虛擬仿真實驗本著以學(xué)生為中心，教學(xué)相長，可以提高學(xué)生參與化、趣味化、體驗化、實踐能力和創(chuàng)新意識；可以讓以往做不到、做不好、做不了、做不上的實驗成為現(xiàn)實；可以擴展教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度、延伸教學(xué)的時間和空間、打破理論課堂與實踐教學(xué)傳統(tǒng)壁壘，顯著提高實驗教學(xué)的質(zhì)量和水平，從而得到全國很多高校的廣泛應(yīng)用[1～4]．

然而，紙上得來終覺淺，教學(xué)改革不能只停留在理念上，更重要的是著手去做．本文在大連工業(yè)大學(xué)物理實驗中心現(xiàn)有的虛擬仿真實驗平臺的基礎(chǔ)上，充分考慮我校學(xué)生自身的發(fā)展需要，結(jié)合不同專業(yè)學(xué)生的特點，重視學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，去探索大學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)改革的道路，最大程度地發(fā)揮虛擬仿真實驗的作用，從而完成交互性、開放性、啟發(fā)性和自然、靈活、安全、高效的人性化教學(xué)過程．

1 我校大學(xué)物理實驗教學(xué)中心建設(shè)情況

大連工業(yè)大學(xué)物理實驗教學(xué)中心，面向全校40個本科專業(yè)開設(shè)6門實驗課程，每學(xué)年約有2 000人上物理實驗課．自2014年起，為適應(yīng)新時代學(xué)生需要，利用網(wǎng)絡(luò)的普及和信息技術(shù)發(fā)展，通過制作教學(xué)視頻、PPT以及思考題，開出包括12個基礎(chǔ)性實驗、8個綜合性實驗、3個設(shè)計性實驗，以及實驗緒論課．根據(jù)《教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》(教高廳〔2017〕4號)精神，我校積極開展虛擬仿真實驗平臺建設(shè)，并獲批遼寧省大學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)示范中心．經(jīng)過多年建設(shè)，實驗教學(xué)中心取得了一些成績．在硬件方面:(1)中心建立了專用服務(wù)器組，由2臺IBM專業(yè)服務(wù)器組成；(2)校園無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，可以提供免費上網(wǎng)環(huán)境；(3)學(xué)校公用的大型機房，為沒有電腦的學(xué)生提供上機條件；(4)中心目前建立了3個虛擬仿真實驗室，均配備了電腦等設(shè)備，并對學(xué)生開放了虛擬仿真實驗，如圖1所示．在軟件方面,實驗教學(xué)中心擁有:(1)大學(xué)物理虛擬仿真實驗中心門戶網(wǎng)站系統(tǒng)；(2)基于組件的仿真實驗系統(tǒng)；(3)物理實驗預(yù)習與自動判卷系統(tǒng)；(4)物理實驗交互系統(tǒng)．借助安徽某公司雄厚的技術(shù)研發(fā)實力和良好的產(chǎn)學(xué)研合作平臺，利用優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，大學(xué)物理實驗課程建成了線上線下、虛實結(jié)合、相互補充的實驗教學(xué)資源體系．

圖1 虛擬仿真實驗室

2 基于虛擬仿真平臺的大學(xué)物理實驗教學(xué)改革

2.1 開展虛擬仿真教學(xué)的準備工作

2019年1月，由大連工業(yè)大學(xué)物理教研室教師團隊編寫的《大學(xué)物理實驗》中，編入了虛擬仿真實驗平臺學(xué)生以及教師的網(wǎng)站登錄方式和使用方法，介紹了目前平臺擁有的實驗項目．虛擬仿真實驗平臺包含41個仿真實驗，分別涵蓋了電磁學(xué)(3個)、光學(xué)(10個)、電學(xué)(12個)、近代物理學(xué)(4個)、熱學(xué)(5個)、力學(xué)實驗(7個)．實驗中心根據(jù)教學(xué)大綱設(shè)計相關(guān)實驗，包括虛擬仿真實驗大綱、實驗簡介、實驗內(nèi)容、實驗儀器、在線演示、實驗作業(yè)等，學(xué)生可以登錄仿真實驗系統(tǒng)，根據(jù)實驗指導(dǎo)在線獨立完成相關(guān)實驗．

實驗中心為了開出虛擬實驗，首先購買了一體機電腦，解決了學(xué)生上虛擬實驗的設(shè)備問題．其次，完成實驗室聯(lián)網(wǎng)工作．通過實驗中心門戶網(wǎng)站進入虛擬仿真實驗系統(tǒng)的方式有兩種，一種是網(wǎng)頁版，學(xué)生可以登錄進行課前、課后的自主學(xué)習．一種是下載實驗大廳，學(xué)生登錄后可以雙擊下載實驗，通過鼠標操作虛擬場景的實驗儀器進行仿真實驗，記錄實驗數(shù)據(jù)并提交實驗結(jié)果．這兩種方式都需要聯(lián)網(wǎng)才可以操作．為了解決聯(lián)網(wǎng)問題，我校網(wǎng)絡(luò)信息中心提出在實驗室安裝無線Access Point(AP)，既能節(jié)約空間又能保障教學(xué)的順利進行．最后，為了能夠統(tǒng)計學(xué)生預(yù)習系統(tǒng)以及實驗系統(tǒng)使用情況，我們需要提前將學(xué)生學(xué)號名單導(dǎo)入到仿真系統(tǒng)平臺．但由于學(xué)校內(nèi)網(wǎng)限制，外網(wǎng)無法進入內(nèi)網(wǎng)直接更改服務(wù)器信息，學(xué)生名單需經(jīng)過學(xué)校相關(guān)教師加入到服務(wù)器中．由于每學(xué)年都需要進行升級維護更新學(xué)生名單，否則學(xué)生只能使用公用賬號進入系統(tǒng)學(xué)習，這將極大地降低預(yù)習系統(tǒng)的監(jiān)控性，針對這一問題，我們期待學(xué)校在展開多個虛擬仿真實驗項目以后，能夠建立與安徽某公司的長期合作，開放部分服務(wù)器維護功能．在前期工作準備期間，實驗中心還通過DPU物理實驗教學(xué)和奔跑吧DPU物理君微信公眾號以及多個QQ群等方式對虛擬仿真實驗進行宣傳，并面向全校學(xué)生開放虛擬仿真實驗平臺公用賬號．

2.2 虛擬仿真教學(xué)的實施過程

第一批進行虛擬仿真實驗的學(xué)生是我校藝術(shù)設(shè)計學(xué)院藝術(shù)與科技專業(yè)學(xué)生．藝術(shù)與科技專業(yè)，秉承著人類知識是統(tǒng)一的整體，學(xué)科之間存在一定的聯(lián)系，將各種學(xué)科在知識背景、思維方法、學(xué)習能力、技能操作等方面的教育相互補充、融合和貫通，來促進學(xué)生思維方式的多元化、知識掌握的綜合化，從而培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)造精神和實踐能力．對于這樣一批極具專業(yè)性的學(xué)生，物理實驗中心充分考慮學(xué)生本身的特點，以及對于該專業(yè)學(xué)生開設(shè)物理實驗的目的，我們按照藝術(shù)創(chuàng)造過程應(yīng)遵循的開放式原則，為學(xué)生提供了綜合性現(xiàn)場實驗以及基礎(chǔ)性虛擬仿真實驗兩部分物理實驗內(nèi)容．實驗發(fā)現(xiàn)，對于綜合性物理實驗，由于所需要的基礎(chǔ)知識內(nèi)容比較多，教師講解過程較長，學(xué)生表現(xiàn)出的興趣不多，也沒有熱衷于完成實驗得到實驗結(jié)果．而在基礎(chǔ)性虛擬仿真實驗中，學(xué)生表現(xiàn)出躍躍欲試的積極性，普遍表示更容易接受仿真實驗形式．對于仿真實驗，學(xué)生在平臺操作實驗的同時，會主動將遇到的問題及時咨詢?nèi)握n教師，與大家一起討論，充分調(diào)動了學(xué)習的主動性和積極性，參與度很高．

在以往的實驗教學(xué)模式中，學(xué)生被要求課前完成實驗預(yù)習、課上認真聽實驗講解、最后完成實驗并給出正確的實驗結(jié)論．經(jīng)過此次實驗，我們發(fā)現(xiàn)，在這一過程中，我們往往忽略了學(xué)生的體驗感受，忽略了給學(xué)生提供思考的時間和空間，從而導(dǎo)致以往成績評定仍主要看實驗的結(jié)果而定，輕過程而重結(jié)果的傾向十分明顯．提高學(xué)生的整體素質(zhì)和綜合能力必須重視學(xué)生的學(xué)習過程，特別是實驗教學(xué)，實驗允許失敗，實驗教學(xué)既是學(xué)習的過程也是探索的過程，沒有哪個實驗一定會百分百成功，虛擬仿真實驗為學(xué)生提供了這樣的機會，讓學(xué)生能夠大膽地動手進行實驗操作，而不用擔心因為實驗操作不當而損壞儀器．這不但能激發(fā)學(xué)生對實驗的興趣，還可以啟發(fā)學(xué)生學(xué)習過程中的過程認知、過程運作、過程表現(xiàn)，在過程中促進各方面能力成長，獨立思維能力、解決問題能力、表達溝通能力、合作能力等．

接下來，實驗中心按照大學(xué)物理實驗教學(xué)大綱，對我校理工專業(yè)的學(xué)生開設(shè)了虛擬仿真輔助教學(xué)的3個實驗．分別是密立根油滴實驗(如圖2)、落球法測定液體在不同溫度的黏度以及演示物理實驗的VR虛擬仿真實驗．由于所開設(shè)的前兩個實驗皆為操作簡單的基礎(chǔ)性實驗，而基礎(chǔ)性實驗注重物理實驗知識的學(xué)習，物理原理的理解以及基本科學(xué)實驗技能的培養(yǎng)．我們所采取的方法是，學(xué)生在課前進行簡單預(yù)習后，在課堂上經(jīng)過任課教師簡單的啟發(fā)，自主使用電腦在虛擬仿真平臺上按步驟開始虛擬實驗，并隨時向任課教師提出所遇到的問題，及時解決問題并完成虛擬實驗，然后再回到實際操作中進行實驗．在這一過程中，教師將主動權(quán)交給學(xué)生，讓學(xué)生自己探索，完成一個完整實驗需要做的是什么，包括實驗儀器的了解以及實驗前的準備工作，學(xué)習實驗原理，熟知實驗步驟，最終通過實驗結(jié)果驗證原理的正確性．而教師將原本對實驗原理、過程的講解調(diào)整為對實驗背景和歷史的引入，在增加學(xué)生興趣的同時開展“課程思政”建設(shè)，將科學(xué)素養(yǎng)與人文精神有機結(jié)合，將思政元素巧妙的融入，從而實現(xiàn)對大學(xué)生的思想教育．以密立根油滴實驗為例，作為最美物理實驗之一，這個實驗的方法是十分美麗的，但實驗背后，不管是密立根是否對實驗數(shù)據(jù)進行了優(yōu)化，還是他的學(xué)生哈維·福萊柴爾最終如何成了“立體聲之父”，都讓學(xué)生了解到，學(xué)習的過程并不止于對知識的獲取，還應(yīng)該具備對科學(xué)的忠誠以及對事實的認可態(tài)度．通過正確、嚴格、系統(tǒng)的引領(lǐng)，學(xué)生從單一的被動接受者轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶒瀯?chuàng)造者和設(shè)計者，自己去探索并掌握實驗研究的方法和技巧，更重要的是，可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度、探索精神和理論聯(lián)系實際的能力，從而為后繼課程的學(xué)習以及培養(yǎng)獨立工作能力和創(chuàng)新能力打好廣闊、寬厚的基礎(chǔ)．

圖2 密立根油滴實驗

2.3 虛擬仿真實驗教學(xué)的反饋

實驗中心在開展虛擬仿真教學(xué)改革的同時，以問卷形式隨時收集學(xué)生的反饋意見，經(jīng)過整理，學(xué)生普遍反映虛擬仿真實驗有著這樣的優(yōu)點：能夠更好地開展實驗預(yù)習，復(fù)制實驗環(huán)境；更加直觀了解實驗進程，更加獨立地操作實驗儀器，在實際操作中更加熟練的使用儀器，對實驗儀器起到良好的保護作用；比較實用，對學(xué)生比較友好，有了更多的容錯率，可以進行多次實驗；相對更安全、更容易進行實驗，實驗結(jié)果更準確，效率高．同時，學(xué)生也反映了目前使用虛擬仿真平臺所遇到的困難：缺少實際實驗中出現(xiàn)錯誤操作的后果，實際可能遇到的問題仿真實驗中不會出現(xiàn)；沒有以往老師演示的直觀，視頻指導(dǎo)步驟進行太快；與傳統(tǒng)教師直接授課相比，產(chǎn)生距離感，沒有直接觸摸設(shè)備的舒適感；功能鍵有重疊，有延時，操作不靈活，反應(yīng)不夠靈敏，容易卡機；使用說明過于簡單，操作與操作指示說明分屏，不便于邊看邊操作等．從學(xué)生的反饋來看，學(xué)生普遍能夠接受新的教學(xué)方式，也樂于使用新的學(xué)習方法，但虛擬仿真實驗所存在的問題不容忽視，隨著虛擬技術(shù)的成熟，實驗中心在今后的虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)中，應(yīng)嚴格把控虛擬實驗質(zhì)量，從而提升學(xué)生的體驗感．

虛擬仿真實驗教學(xué)改革不僅僅改變了學(xué)生的認知以及學(xué)習方式，對授課教師也提出了挑戰(zhàn)．實驗中心在虛擬仿真實驗建設(shè)期間，多次派出任課教師參加高等學(xué)校虛擬現(xiàn)實技術(shù)教育應(yīng)用研討會，學(xué)習虛擬仿真實驗開展的經(jīng)驗．任課教師在深刻了解虛擬教學(xué)意義的同時，更新教學(xué)理念，重組教學(xué)內(nèi)容，在做中學(xué)、建中改、不斷調(diào)整教學(xué)方法．為了切實提升實驗教學(xué)質(zhì)量，實驗中心在持續(xù)虛擬教學(xué)改革時，要結(jié)合實驗室建設(shè)，對課程設(shè)置、培養(yǎng)方案設(shè)計有整體的把握，合理地制定計劃，一步一步分期建設(shè)，做到邊建設(shè)邊使用，邊使用邊完善．

3 結(jié)束語

開展虛擬仿真實驗教學(xué)的最終目的不是為了使用仿真實驗平臺，也不是為了翻新教學(xué)活動，而是打破封閉的教學(xué)局面，建立一種師生合作的開放式教學(xué)體系，培養(yǎng)更多適應(yīng)社會需要的應(yīng)用型人才．

在疫情影響的今天，高校延期開學(xué)，大學(xué)物理實驗面臨著如何進行線上教學(xué)的困境．為響應(yīng)教育部號召，停課不停學(xué)、不停教，虛擬仿真實驗教學(xué)改革給各所高校提供了思路．東北大學(xué)物理實驗教學(xué)中心，為學(xué)生打造了“MOOC看實驗+虛擬仿真實驗+在家動手做實驗”的全新在線教學(xué)模式．我校物理實驗中心也將借鑒多所高校的經(jīng)驗，利用虛擬仿真實驗平臺，積極開展線上實驗教學(xué)，不斷地完善和發(fā)展實驗教學(xué)改革．