[摘 要] 線上仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠擺脫現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)時(shí)間和空間的限制，極大地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，是課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有力補(bǔ)充。根據(jù)示波器線上仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了線上仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和教學(xué)效果，分析了線上仿真教學(xué)中遇到的問(wèn)題，提出了解決方案和完善手段。同時(shí)，結(jié)合對(duì)線上仿真教學(xué)效果和不足的分析，闡明了其在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的地位和適用范圍。

[關(guān)鍵詞] 線上仿真實(shí)驗(yàn);大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);示波器實(shí)驗(yàn)

[基金項(xiàng)目] 2019年度湖南省教育廳一般項(xiàng)目“納米黏土異質(zhì)結(jié)界面構(gòu)建及其光催化性能研究”（19C0079）

[作者簡(jiǎn)介] 蔣登輝（1981—），男，湖南長(zhǎng)沙人，博士，長(zhǎng)沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院和湖南省柔性電子材料基因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室講師，主要從事半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)光化學(xué)轉(zhuǎn)化及其應(yīng)用研究。

[中圖分類號(hào)] O4-33：6642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）08-0153-04? ?[收稿日期] 2020-09-16

一、引言

物理學(xué)是理論與實(shí)驗(yàn)高度結(jié)合的自然科學(xué)，對(duì)于人們邏輯思維、實(shí)踐能力和科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)極為重要。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課是一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，加深對(duì)物理知識(shí)的理解[1，2]。然而，傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)受制于多種因素[3]，例如，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、儀器等教學(xué)資源偏少，不僅嚴(yán)重壓縮了教學(xué)時(shí)間，也降低了學(xué)生良好的學(xué)習(xí)感受。實(shí)驗(yàn)教師相對(duì)缺乏，不僅加大教師的教學(xué)壓力，還嚴(yán)重限制了教學(xué)安排的靈活性。另外，實(shí)驗(yàn)儀器老舊、更新慢，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。由于眾多教學(xué)因素的限制，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)亟待其他教學(xué)手段予以補(bǔ)充和完善。

隨著網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，仿真物理實(shí)驗(yàn)相關(guān)軟件取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。仿真實(shí)驗(yàn)以計(jì)算機(jī)軟件為載體，利用虛擬儀器建立虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在虛擬環(huán)境中操作儀器，模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程[4]。它能夠有效解決現(xiàn)場(chǎng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的諸多弊端，已經(jīng)成為現(xiàn)場(chǎng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有力補(bǔ)充，在開(kāi)放性、設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮著重要的作用。目前相當(dāng)多的高校開(kāi)始進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[4]，特別是2020年新冠肺炎疫情期間，大量非畢業(yè)班學(xué)生不能返校，無(wú)法安排現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)開(kāi)始凸顯。在大學(xué)物理教學(xué)中引入仿真物理實(shí)驗(yàn)迫在眉睫。

長(zhǎng)沙理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心在2019—2020年學(xué)期引入了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺(tái)，進(jìn)行線上仿真大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在新冠肺炎疫情期間，線上仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅滿足了基本的教學(xué)任務(wù)，還取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。本文以示波器實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)線上仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)線上仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程遇到的各種問(wèn)題進(jìn)行探討，提出一系列的改進(jìn)建議。

二、線上仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)與效果

線上仿真實(shí)驗(yàn)具有眾多優(yōu)點(diǎn)[5]，如探究性、實(shí)用性、趣味性、高效、互動(dòng)性和科學(xué)性。經(jīng)過(guò)一學(xué)期的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)最主要的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在兩個(gè)方面。

（一）有效擺脫了現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)的時(shí)空限制，提高了教學(xué)效率

首先，線上仿真物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)以線上仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為載體，構(gòu)建了全天候開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，學(xué)生可以隨時(shí)進(jìn)入教學(xué)系統(tǒng)學(xué)習(xí)，完美地避開(kāi)傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的諸多時(shí)空限制[6]。線上仿真實(shí)驗(yàn)無(wú)須在固定的時(shí)間和地點(diǎn)開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，極大地提高了教學(xué)的靈活性，為學(xué)生和教師節(jié)約大量時(shí)間[7]，頗受師生的歡迎。其次，擺脫儀器數(shù)量和更新的限制。仿真實(shí)驗(yàn)中的儀器數(shù)量沒(méi)有限制，只要系統(tǒng)穩(wěn)定，就能保證多人同時(shí)操作。而且，只需對(duì)軟件進(jìn)行維護(hù)和更新，仿真儀器就可以做到經(jīng)常更新，具有最新功能，利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。最后，線上仿真實(shí)驗(yàn)在完全虛擬的環(huán)境下操作儀器，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)不存在安全隱患[8]。特別對(duì)使用示波器開(kāi)展電學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不會(huì)發(fā)生觸電危險(xiǎn)。使用精密儀器時(shí)，也不會(huì)因操作不當(dāng)和失誤而損壞儀器。

基于線上實(shí)驗(yàn)隨時(shí)開(kāi)放的優(yōu)勢(shì)，我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率大大提升。2019—2020年學(xué)期，我校有1000多名本科生需要做大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，通過(guò)線上仿真實(shí)驗(yàn)，平均一周內(nèi)完成2個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這在以前的課堂教學(xué)中是很難做到的。在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，我校采取網(wǎng)上預(yù)約實(shí)驗(yàn)的形式，學(xué)生根據(jù)自己的情況預(yù)約實(shí)驗(yàn)課時(shí)間，安排相當(dāng)靈活。然而，由于對(duì)實(shí)驗(yàn)課不夠重視，學(xué)生經(jīng)常以各種理由拖延實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)開(kāi)學(xué)大量缺課、期末扎堆補(bǔ)做的情況，嚴(yán)重影響授課秩序和教學(xué)效果。借助線上平臺(tái)，課后實(shí)驗(yàn)報(bào)告可以直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提交，方便快捷，為學(xué)生和教師節(jié)省大量時(shí)間。

另外，線上仿真實(shí)驗(yàn)還可提高師生的互動(dòng)頻率，增進(jìn)感情。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，學(xué)生和教師的交流僅限于儀器使用方面，交流頻次和時(shí)間非常有限。在線上教學(xué)的實(shí)驗(yàn)和撰寫報(bào)告階段，學(xué)生都可以通過(guò)線上即時(shí)通信工具向教師尋求幫助和指導(dǎo)，這種線上溝通方式對(duì)于“00后”大學(xué)生更為適宜。另外，對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成情況，教師一目了然，通過(guò)線上交流，可以較好地督促學(xué)生做好實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

（二）增強(qiáng)學(xué)生自學(xué)能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以學(xué)生獨(dú)立自學(xué)為主，采用學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的“雙主”教學(xué)模式。仿真實(shí)驗(yàn)通過(guò)分解教學(xué)過(guò)程，對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論進(jìn)行講解，介紹實(shí)驗(yàn)的背景和意義、應(yīng)用等內(nèi)容，讓學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上，通過(guò)思考正確操作。仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M真實(shí)的環(huán)境，具有很強(qiáng)的交互性，自帶操作指導(dǎo)，有利于學(xué)生主動(dòng)探究、自主學(xué)習(xí)，對(duì)培養(yǎng)大學(xué)生的自學(xué)能力極為有利[5]。

仿真實(shí)驗(yàn)界面逼真，操作簡(jiǎn)單，能夠引起學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。對(duì)于在網(wǎng)絡(luò)下成長(zhǎng)的“00后”大學(xué)生，在線仿真實(shí)驗(yàn)非常具有親和力。具有較好自學(xué)能力的學(xué)生，不僅會(huì)認(rèn)真預(yù)習(xí)原理和操作視頻，還會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自主尋找學(xué)習(xí)資料。學(xué)生通過(guò)自學(xué)的形式，完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)其自學(xué)能力的培養(yǎng)和自信心建立具有顯著的促進(jìn)作用。開(kāi)放性和研究性實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供了良好的教學(xué)平臺(tái)[9]。

三、線上仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問(wèn)題

線上仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以學(xué)生在線自學(xué)和自主實(shí)驗(yàn)為主，是學(xué)生與仿真系統(tǒng)一對(duì)一交互的過(guò)程，與課堂教學(xué)情形相差甚遠(yuǎn)，每個(gè)學(xué)生遇到的問(wèn)題都不一樣。同時(shí)，仿真軟件也有諸多不足，主要有以下四個(gè)方面亟待改進(jìn)。

（一）軟件仿真度亟待完善

以示波器實(shí)驗(yàn)為例，仿真信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)頻率和相位與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有任何變化。利用李薩如圖形測(cè)量未知信號(hào)頻率的實(shí)驗(yàn)中，仿真實(shí)驗(yàn)的李薩如圖形是穩(wěn)定不變的，但真實(shí)的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)頻率相位會(huì)有微小變化，李薩如圖形很難完全穩(wěn)定。另外，通過(guò)改變信號(hào)發(fā)生器頻率調(diào)節(jié)李薩如圖形的時(shí)候，頻率改變不是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，頻率調(diào)整過(guò)程會(huì)出現(xiàn)臨界值，在臨界值之內(nèi)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)比例的李薩如圖形（如1∶1時(shí)的橢圓），偏離一點(diǎn)點(diǎn)就是完全不一樣的圖形，這和真實(shí)實(shí)驗(yàn)差別很大。這導(dǎo)致學(xué)生在調(diào)節(jié)李薩如圖形時(shí)難度加大，容易氣餒、放棄。總之，仿真儀器和真實(shí)儀器有差別，真實(shí)度欠佳，這些都不利于學(xué)生對(duì)真實(shí)儀器的認(rèn)識(shí)和理解。

（二）仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作分評(píng)價(jià)亟待改進(jìn)

在示波器實(shí)驗(yàn)中，操作分是基于填入的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，和實(shí)際操作沒(méi)有關(guān)系。對(duì)于示波器的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，第一個(gè)實(shí)驗(yàn)（用X軸的時(shí)基測(cè)量信號(hào)的時(shí)間參數(shù)）中，所有學(xué)生測(cè)量的都是相同的固定頻率;因而部分同學(xué)投機(jī)取巧，直接拿別人或網(wǎng)上的數(shù)據(jù)填入表格，沒(méi)做實(shí)驗(yàn)且操作分高。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是利用李薩如圖形測(cè)量信號(hào)頻率的實(shí)驗(yàn)，每次待測(cè)信號(hào)頻率都是未知的，這樣能夠有效地判斷學(xué)生是不是真實(shí)操作。因此，對(duì)于仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要盡可能隨機(jī)選擇，有利于督促學(xué)生認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)。

（三）驗(yàn)證性試驗(yàn)多，探索性實(shí)驗(yàn)少

目前仿真物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的內(nèi)容多和課堂教學(xué)一致，以驗(yàn)證演示類實(shí)驗(yàn)為主，有待增加探索性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[ 10 ]。雖然演示實(shí)驗(yàn)通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，能對(duì)物理概念和基本原理做出更加生動(dòng)形象的解釋，加深學(xué)生對(duì)物理概念和規(guī)律的理解，達(dá)到更好的教學(xué)效果[ 11 ]，但是演示性實(shí)驗(yàn)缺乏靈活性，對(duì)學(xué)生限制較多，學(xué)生需要嚴(yán)格按照操作步驟操作，才能獲得理想的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這嚴(yán)重限制了學(xué)生的自主性，不利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新性思維[ 12 ]。同時(shí)，課堂實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一、老舊，不同高校的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容幾乎千篇一律。由于受儀器場(chǎng)地等眾多限制，開(kāi)設(shè)探索性實(shí)驗(yàn)困難重重。高校需要做大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的理工科專業(yè)眾多，很多工科專業(yè)的學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)“不感冒”，很難激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，因此，高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)亟待改革。如果大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芨鶕?jù)不同學(xué)科特點(diǎn)，加入更多具有相應(yīng)專業(yè)背景的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不僅有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，還有助于各高校突出其辦學(xué)特色。

在線仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有開(kāi)設(shè)探索性實(shí)驗(yàn)的先天優(yōu)勢(shì)，如果能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，在線仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則成為開(kāi)設(shè)探索性實(shí)驗(yàn)的理想教學(xué)平臺(tái)。然而，仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)里的儀器模塊相對(duì)較少，儀器功能開(kāi)發(fā)不完全，不少按鈕在特定的實(shí)驗(yàn)里會(huì)被屏蔽，不能操作，這與實(shí)際嚴(yán)重不符。雖然這在一定程度上有利于提高學(xué)生做特定實(shí)驗(yàn)的效率，減少出錯(cuò)的概率，但是嚴(yán)重阻礙了學(xué)生的探索欲望。仿真平臺(tái)的儀器模板沒(méi)有完全開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致仿真儀器不能形成獨(dú)立的模塊。沒(méi)有完全功能化的仿真儀器不利于開(kāi)設(shè)具有特色的開(kāi)放性和研究性實(shí)驗(yàn)，大大限制了其優(yōu)勢(shì)。

（四）教師的線上指導(dǎo)需進(jìn)一步完善

實(shí)驗(yàn)課主要考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解和相關(guān)儀器的使用能力。對(duì)于示波器這種比較新奇的電子儀器，絕大部分學(xué)生對(duì)實(shí)物是比較陌生的，對(duì)示波器的認(rèn)知只停留在高中階段的基本原理學(xué)習(xí)方面，對(duì)于很多具體知識(shí)和概念都已模糊。雖然大部分學(xué)生以前沒(méi)有見(jiàn)過(guò)示波器實(shí)物，但對(duì)儀器比較感興趣，有比較強(qiáng)烈的動(dòng)手操作意愿。然而，對(duì)于實(shí)驗(yàn)課，很多學(xué)生似乎僅僅關(guān)心儀器怎么用、怎么操作等問(wèn)題，忽視對(duì)基本原理的理解。學(xué)生的這種認(rèn)知結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其只能理解儀器使用過(guò)程中比較表象的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)背景原理以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程都有較為詳細(xì)的文字介紹。然而，部分學(xué)生為了快速地完成實(shí)驗(yàn)，只看仿真實(shí)驗(yàn)操作指導(dǎo)視頻和說(shuō)明，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理一知半解，這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果大打折扣。因此，做仿真實(shí)驗(yàn)前，可以通過(guò)在線課堂和微課小視頻方式，對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理的指導(dǎo)。在線的原理課可以從日常生活中常見(jiàn)的電視機(jī)和電腦CRT顯示器引入介紹示波器，這不僅能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能讓學(xué)生更好地理解示波器的基本原理。另外，需要著重對(duì)示波器顯示波形原理做比較具體的介紹，有利于學(xué)生對(duì)儀器原理有更加深入的理解，有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和興趣，加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，彌補(bǔ)做實(shí)驗(yàn)前理論知識(shí)儲(chǔ)備不足的問(wèn)題。

由于學(xué)生做仿真實(shí)驗(yàn)的時(shí)間分散，教師指導(dǎo)的及時(shí)性較差，不可能做到隨時(shí)隨地指導(dǎo)學(xué)生。課堂教學(xué)中，大部分學(xué)生初次使用示波器時(shí)都會(huì)很急切，想迅速調(diào)出波形，往往丟三落四，犯很低級(jí)的錯(cuò)誤，如忘記接線、沒(méi)開(kāi)電源燈光。對(duì)于這種問(wèn)題，教師可以在課堂上及時(shí)給予指導(dǎo)，采用循循善誘的方法，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，自己解決問(wèn)題，有利于積累形成實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，鍛煉其解決問(wèn)題的能力。在線教學(xué)中，對(duì)于部分自學(xué)能力較強(qiáng)的學(xué)生，可不斷加強(qiáng)其自學(xué)能力;對(duì)于獨(dú)立能力較差的學(xué)生，容易打擊其信心，因此，線上仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)該有針對(duì)性地給予學(xué)生更多的指導(dǎo)和鼓勵(lì)。

四、結(jié)束語(yǔ)

線上仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驍[脫現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)時(shí)間和空間的限制，不僅能夠完成基本教學(xué)任務(wù)，還能極大地提高教學(xué)效率。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以學(xué)生為主體，創(chuàng)設(shè)交互式的學(xué)習(xí)環(huán)境，可增強(qiáng)學(xué)生的自學(xué)能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。然而，在線仿真實(shí)驗(yàn)仍有不少問(wèn)題需要改進(jìn)。首先，仿真軟件的仿真度欠佳，與真實(shí)儀器有不小的差別，軟件仿真度有待進(jìn)一步提高。沒(méi)有完全功能化的仿真儀器不利于開(kāi)設(shè)具有特色的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，大大限制其應(yīng)用范圍和優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。其次，仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)以是否正確操作儀器進(jìn)行操作分評(píng)價(jià)，以數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)的方式亟待改進(jìn)。最后，教師的在線指導(dǎo)需進(jìn)一步完善，可通過(guò)在線課堂和微課小視頻等多層級(jí)方式，對(duì)學(xué)生進(jìn)行全方位的指導(dǎo)。

總之，線上仿真實(shí)驗(yàn)不僅能夠滿足基本的教學(xué)任務(wù)，是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)手段的有力補(bǔ)充，還能夠?yàn)殚_(kāi)設(shè)開(kāi)放性和研究性實(shí)驗(yàn)提供良好的教學(xué)平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

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