大學(xué)物理實驗虛實結(jié)合實驗教學(xué)模式的實踐與探索

姬鵬飛，孫現(xiàn)亭，田明麗

(平頂山學(xué)院 電氣與機械工程學(xué)院，河南 平頂山 467000)

大學(xué)物理實驗作為理工科院?；A(chǔ)教學(xué)中大學(xué)生必修的一門課程，實踐能力強，對于培養(yǎng)學(xué)生實事求是、嚴謹認真的科學(xué)態(tài)度；分析問題、解決問題的能力；理論聯(lián)系實際，科學(xué)素養(yǎng)等方面發(fā)揮著重要的作用。隨著互聯(lián)網(wǎng)+教育快速發(fā)展，必將引起教學(xué)理念、教學(xué)模式和學(xué)習(xí)方式等深層的變革，因此，實驗教學(xué)應(yīng)當充分利用包括網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體教學(xué)軟件等在內(nèi)的現(xiàn)代教育技術(shù)、營造多元化的教學(xué)模式[1,2]。在高校課堂改革要求打造金課的背景下，不僅要在傳統(tǒng)模式的基礎(chǔ)上更新現(xiàn)有環(huán)境條件與教學(xué)理念，而且要探索實施線上(虛擬仿真實驗)+線下(實操實驗)混合式新的教學(xué)模式，從而變革學(xué)習(xí)方式，達到良好的教與學(xué)的狀態(tài)[3]。目前已經(jīng)有一些高校結(jié)合虛擬仿真實驗對大學(xué)物理實驗教學(xué)改革進行了一些嘗試，并取得了一定的效果[4,5]，但如何在大學(xué)物理實驗教學(xué)改革中能夠持續(xù)的促進實驗教學(xué)的提高和發(fā)展是實驗教學(xué)改革的根本，文章結(jié)合我校大學(xué)物理實驗教學(xué)實踐中的經(jīng)驗，分析實操實驗與虛擬仿真實驗在實驗實踐教學(xué)中的優(yōu)劣，在線上+線下虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式下，提出優(yōu)化虛實結(jié)合實驗教學(xué)模式的建議。

1 傳統(tǒng)實驗的優(yōu)勢與問題

1.1 傳統(tǒng)實操實驗的優(yōu)勢：

實踐是檢驗真理的唯一標準，實操實驗是實驗教學(xué)的靈魂，是實驗課必要不可或缺的環(huán)節(jié)。實操實驗在實驗教學(xué)中能夠直接、真實地把實驗現(xiàn)象展示出來，學(xué)生通過觀察，動手操作，從感性認知中能夠發(fā)現(xiàn)-分析-解決問題，最終上升到理性認識，獲取知識的精髓。這對于學(xué)生動手能力、分析解決問題的能力以及理論聯(lián)系實際能力以及科學(xué)素養(yǎng)等方面的培養(yǎng)起到至關(guān)重要的作用。

1.2 傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的問題：

(1)實驗預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)：學(xué)生實驗預(yù)習(xí)積極性不高，雖然很多學(xué)生交了預(yù)習(xí)報告，但是可能也是千篇一律地抄寫，做到有效預(yù)習(xí)的學(xué)生寥寥無幾，預(yù)習(xí)效果差。

(2)實驗授課環(huán)節(jié)：雖然實驗教師與時俱進，不斷更新教學(xué)觀念，改變教學(xué)方法，但傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗的授課過程—教師課堂講授+學(xué)生實操實驗，這種模式下課堂的教與學(xué)的學(xué)時有限：在兩個學(xué)時的實驗授課中，實驗課堂中時間的把控變成了許多實驗教師的最大困擾：如果同學(xué)們要想順利地完成實驗，那么，實驗教師往往要在課堂上詳細的去講解目的，原理，儀器操作，甚至是一些常規(guī)的注意事項等知識，這樣保證學(xué)生能夠完成實驗，但是學(xué)生在實操過程中并沒有時間發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，而是按照老師的詳細講解進行操作，這樣達不到實操實驗的實驗?zāi)康腫6]；課堂上倘若把大部分時間留給學(xué)生，一些學(xué)生沒有有效地進行實驗預(yù)習(xí)，則很多學(xué)生無法在課堂上完成實驗，課堂教與學(xué)的效果不理想。

(3)信息回饋環(huán)節(jié)：實驗報告往往是上交到授課的實驗教師那里，經(jīng)批改后裝訂成冊留檔，學(xué)生只能看到自己的實驗成績卻不能看到自己的實驗報告的問題所在，更不能對問題進行糾正，因而不能形成有效回饋。

(4)大學(xué)物理實驗一些實驗設(shè)備陳舊，且部分設(shè)備價值高，設(shè)備更新速度慢，跟不上社會發(fā)展的速度和滿足不了學(xué)生對于高大上的心理需求。

2 虛擬仿真實驗的優(yōu)勢與問題

2.1 虛擬仿真實驗的優(yōu)勢

(1)虛擬仿真實驗操作，不受課時、地點限制、不受實驗次數(shù)和一些隨機因素影響，是實驗教學(xué)內(nèi)容在時間、空間上得到了延伸[7]，在疫情期間，同學(xué)們無法到校，則只需要具備電腦及網(wǎng)絡(luò)則可以隨時隨地去進行仿真實驗操作，最大限度地彌補無法進行實操帶來的不足。

(2)對于一些具有價格高昂實驗設(shè)備的實驗或者危險系數(shù)高的實驗(比如實驗中使用大型儀器設(shè)備、高溫、高壓、強電設(shè)備等)，虛擬仿真實驗可以達到實操實驗難以實現(xiàn)的效果，可以實現(xiàn)對傳統(tǒng)實驗的有效補充，是傳統(tǒng)實驗教學(xué)有效的輔助手段[8]。

(3)虛擬仿真實驗可以實現(xiàn)綠色實驗教學(xué)：由于在網(wǎng)絡(luò)上進行仿真實驗操作，不消耗實驗耗材，能夠有效減少實驗經(jīng)費，節(jié)約教學(xué)資源[9]。

(4)虛擬仿真實驗在線操作過程中能夠師生互動，學(xué)生能夠及時查看自己仿真效果，并且實驗完成后可以通過網(wǎng)絡(luò)提交實驗報告，教師批改后學(xué)生亦可及時查看，對于出現(xiàn)的問題及時的修正，從而提高學(xué)習(xí)效果，能夠有效解決傳統(tǒng)實驗報告反饋問題。

2.2 仿真實驗中存在的問題

(1)仿真實驗的內(nèi)部邏輯步驟和結(jié)果都是按照實驗內(nèi)容和規(guī)律，以及編程人員的思路確定下來的，固定的，即使有偏差也是人為設(shè)定出來的，一切都在預(yù)料的范圍之中，因此，仿真實驗在培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能和能力、創(chuàng)造發(fā)現(xiàn)的機會與環(huán)境方面的確有所欠缺。

(2)仿真實驗不能單獨存在，我院2012年引進科大奧瑞大學(xué)物理實驗2010在線版，最初讓學(xué)生以開放實驗的形式選做仿真實驗操作，其中一些實驗是在實驗室內(nèi)并沒有開設(shè)導(dǎo)致學(xué)生沒有進行實操實驗的探索，這樣的效果非常不理想，用仿真實驗替代實操實驗是不合適的，沒有實操的檢驗是不合理的，做了仿真實驗并不等于真正做了實驗，效果很不理想，猶如紙上談兵。

(3)為了輔助實操實驗引入的虛擬仿真實驗的使用中，除了仿真實驗外，仿真實驗平臺提供了幾乎全套實驗的內(nèi)容，從實驗簡介、實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗儀器，但這種羅列的模式跟實驗教材幾乎沒有區(qū)別，不能激發(fā)學(xué)生的興趣，并不能解決傳統(tǒng)實操實驗中的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)遇到問題。

3 虛實結(jié)合教學(xué)模式的探索

2012年以來我院嘗試引入虛擬仿真實驗的基礎(chǔ)上，不斷的嘗試傳統(tǒng)實驗結(jié)合仿真實驗的教學(xué)模式，線上與線下的結(jié)合改變了單一的傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，實現(xiàn)傳統(tǒng)的實操實驗與仿真實驗的優(yōu)勢互補，并確定了的傳統(tǒng)實操的核心地位以及虛擬仿真實驗的輔助定位，優(yōu)勢互補。針對設(shè)備陳舊問題，2019學(xué)年末我院對大學(xué)物理實驗設(shè)備進行了更新，根據(jù)不同學(xué)科專業(yè)特點，開設(shè)具有典型性的實驗，最大限度的發(fā)揮實操實驗的功能。但是實操實驗與虛擬仿真實驗相結(jié)合的教學(xué)模式，如圖1所示，還有問題需要解決，進行實踐探索：

圖1 虛實結(jié)合實驗教學(xué)模式

(1)根據(jù)大學(xué)物理實驗課題組長期經(jīng)驗來看，虛擬仿真實驗的引入并沒有解決預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)效果差的情況，這就需要強化虛擬仿真實驗平臺的展示作用：儀器特點、實驗原理以動畫演示、實體視頻演示等方式呈現(xiàn)給學(xué)生，這樣的效果相比仿真實驗項目上自帶的純文本內(nèi)容更加容易讓學(xué)生接受[10,11]；同時可以把一些優(yōu)秀的實驗教學(xué)視頻放置到實驗平臺上，亦可鏈接相關(guān)MOOCs開放資源，擺脫學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上尋求到魚龍混雜的實驗資源，學(xué)生可以搜尋、發(fā)現(xiàn)實驗共同點，拓寬學(xué)生的視野及解決問題的途徑，深化認識[12,13]。仿真實驗平臺課前預(yù)習(xí)內(nèi)容強化，能夠有效提高學(xué)生預(yù)習(xí)的積極性，勢必會提高學(xué)生預(yù)習(xí)的成效，結(jié)合仿真實驗及實操實驗一起達到最優(yōu)的實驗效果。

(2)對于部分基礎(chǔ)仿真實驗，增加規(guī)范學(xué)生的實驗操作的設(shè)置，對于只求結(jié)果不管過程的一些學(xué)生起到良好的過程約束作用，不規(guī)范的操作能夠得到有效的提示，對于良好實驗操作習(xí)慣的形成至關(guān)重要。

(3)仿真實驗應(yīng)緊密結(jié)合有限實操實驗(時間和空間)，作為實操實驗的拓展和輔助手段，開發(fā)實操實驗中相應(yīng)的、分層次的實驗內(nèi)容[14,15]，相對應(yīng)的仿真實驗內(nèi)容使虛擬仿真實驗和實操實驗達成一一對應(yīng)的關(guān)系，虛實有效結(jié)合，形成有效互補，實操實驗和仿真實驗各自優(yōu)勢最大化且不足又能最大化消減，另外，分層次的實驗內(nèi)容，難易層次分明，容易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，誘導(dǎo)其逐步深入，循序漸進、達到觸類旁通的實驗學(xué)習(xí)效果。

(4)對于虛擬仿真實驗應(yīng)根據(jù)技術(shù)成熟度和成本的情況，適時加入一些仿真操作新技術(shù)，比如VR技術(shù)引入，友好的人機交互，讓仿真實驗更加貼近真實的實操實驗。

4 結(jié) 語

我院大學(xué)物理實驗教學(xué)團隊對當前實驗教學(xué)進行了總結(jié)，在實操實驗與仿真實驗相結(jié)合的教學(xué)模式下，分析了實操實驗與虛擬仿真實驗的優(yōu)劣，確定實操實驗的主導(dǎo)地位，虛擬仿真實驗的輔助定位，并提出了優(yōu)化仿真實驗的建議，促進大學(xué)物理實驗教學(xué)改革，提高實驗教學(xué)效果。