“層次化”虛擬仿真實驗在《大學物理實驗》教學中的應用與實踐

朱海豐，張亞萍，張令坦，馬紅章，韓立立，李 靜

(中國石油大學(華東) 理學院，山東 青島 266580)

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，為適應高等教育人才培養(yǎng)的新要求、信息化時代教學的新規(guī)律[1-3]，從2013年開始的百所國家級虛擬仿真實驗教學中心建設[4]，到2017年開始的千個國家級虛擬仿真教學實驗項目的建設[5]，再到2018年開始萬門“金課”的打造(含虛擬仿真課程)，均按照《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》的要求[6]，大力推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，以加強高等教育實驗教學優(yōu)質資源建設與應用，提高高等教育實驗教學質量和實踐育人水平[7]。

虛擬仿真技術的推廣應用對實驗教學效果的提升具有較高可想維度。依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學生在虛擬環(huán)境中開展實驗，可打破實驗室資源、實驗時空的限制，能夠豐富實驗教學內容、優(yōu)化實驗教學形式，降低實驗儀器損壞率，可模擬操作昂貴大型精密儀器設備，引導學生對實驗的學習興趣，增強學生的創(chuàng)新原動力等[8-10]。

但實驗的本質是基于一定的思想或目的，通過一定的實驗方法和手段，來獲取經驗事實和檢驗科學假說、理論，實驗的結果通常會受到多重因素的影響，實驗過程中存在的變數不定，而往往從某些不確定性中能得到重要結論，這是實驗科學的意義所在，但這種變數在虛擬實驗中很難有所體現(xiàn)或者說是很難能夠充分體現(xiàn)。教育部關于虛擬仿真實驗項目建設中明確提出“能實不虛”的原則，從這點看，虛擬仿真實驗和實體實驗在培養(yǎng)學生實驗能力及發(fā)散思維能力等方面存在著一定的矛盾，但同時原則中也提出“虛實結合、相互補充”的要求，實踐教學中引入虛擬仿真實驗的教學形式，其終極目的是應用虛擬仿真實驗資源，在利用虛擬仿真實驗教學的同時，不能沖突實體實驗教學的主體地位。在當前我國高等教育多學科繁榮發(fā)展，基礎學科教學學時被壓縮的大背景下，如何保障學生在各類物理實驗課程中的培養(yǎng)質量，充分利用虛擬仿真實驗的優(yōu)勢，揚長避短，契合“虛實結合、相互補充”則是實踐教學信息化建設中的重點[11]。

以虛擬仿真物理實驗教學資源“建設好—使用好—管理好—效果好”為目標，將虛擬仿真資源建設與教學應用落到實處，實現(xiàn)虛擬實驗和實體實驗教學相長，構建虛擬+實體+遠程的立體化實驗教學體系，將“層次化”虛擬仿真物理實驗在《大學物理實驗》分類分層次教學體系中具體實施，彌補實踐教學不足，提高學生學習興趣，增強實驗學習體驗度，為引導學生開展創(chuàng)新實驗研究提供內容拓展保障[12]，提升教學質量。

1 “層次化”虛擬仿真資源

按照我?！叭北究平逃囵B(yǎng)體系，結合不同專業(yè)培養(yǎng)計劃及培養(yǎng)目標，大學物理實驗課程實施基礎實驗—綜合實驗—設計實驗—創(chuàng)新訓練的分類分層次教學體系，并以層次化的工科基礎實驗室—理科實驗室—專題實驗室—創(chuàng)新實驗室有效支撐該教學體系運行。按照國家及學校對信息化平臺建設的要求，對虛擬仿真實驗資源也進了層次化設計建設，包含基礎+綜合仿真實驗+虛實結合的遠程控制實驗—設計性仿真實驗—服務創(chuàng)新性課題研究的大型精密儀器及大型綜合訓練項目的仿真實驗，“層次化”虛擬仿真物理實驗教學體系結構，如圖1所示。

圖1 “層次化”虛擬仿真物理實驗教學資源示意圖

其中基礎+綜合仿真實驗+虛實結合的遠程控制實驗模塊包含基本測量儀器仿真操作及60項基礎綜合性仿真實驗，基本涵蓋目前開設的大部分實體實驗項目，虛實結合的遠程控制實驗主要包括PN結物理特性研究、電學元件伏安特性、光強分布測量、磁場分布測量、金屬電子逸出功5個實驗項目；光電設計性仿真實驗模塊含電學綜合設計實驗平臺一個；大型精密儀器及大型綜合訓練仿真實驗模塊含3個大型精密儀器SEM、TEM、PPMS仿真實驗和2個大型綜合訓練“液晶器件制備及性能測量”和“微波等離子體薄膜制備”共5個項目。虛擬仿真資源的學習使用不受時空限制，同時依托建設完成的虛擬仿真實驗室可開展以各類虛擬仿真資源為基礎的既定學時實驗授課，仿真實驗室為虛擬仿真課程開設提供保障，如圖2所示。

圖2 信息化仿真實驗室

圖2是一個涵蓋開放式基礎虛擬仿真實驗學習、遠程控制實驗學習、VR虛擬仿真實驗體驗、創(chuàng)新式自主設計仿真實驗訓練、線上網絡資源學習及虛擬仿真實驗教學一體化的信息化教學實驗室。

2 教學應用實施

按照層次化設置的虛擬仿真實驗資源，將基礎類、綜合類、遠程控制類虛擬仿真實驗，現(xiàn)代光電技術仿真設計實驗平臺，大型精密儀器虛擬仿真實驗有針對性的對應現(xiàn)有大學物理實驗系列課程的教學實施。

2.1 基礎類、綜合類虛擬仿真實驗在大學物理實驗教學中的應用

基礎類、綜合類虛擬仿真實驗在實際教學過程中具有以下兩個功能：①輔助現(xiàn)有實驗教學項目的教學，提高既定實驗項目的學習質量及效果；②豐富拓展實驗教學內容，拓展學生物理知識面；從而為提高學生的實驗能力，培養(yǎng)學生物理與其他學科相結合的創(chuàng)新實驗開展奠定良好基礎。基礎類虛擬仿真實驗資源含部分物理實驗基本測量儀器的仿真操作，仿真實驗項目18項，綜合類虛擬仿真實驗資源設計力學、熱學、電學、光學、近現(xiàn)代物理等范疇的項目60項，如圖3所示。

按照現(xiàn)行實體實驗模塊式教學模式，將基礎類、綜合類虛擬仿真實驗資源按專業(yè)特點進行模塊式劃分，并納入實驗教學中，即大學物理實驗課程的計劃教學含虛擬仿真和實體實驗教學兩部分。針不同專業(yè)實施4學時的虛擬仿真實驗教學，按模塊化虛擬仿真資源的設置實施3-4個虛擬仿真實驗項目的學習，學生線下完成所學項目的考核，考核結果作為該門課程最終評定成績的一部分。

圖3 基礎類、綜合類虛擬仿真實驗資源

2.2 虛實結合的遠程控制實驗在大學物理實驗、理科物理實驗教學中的應用

虛實結合的遠程控制實驗不同于單純的虛擬仿真實驗，遠程控制實驗是通過過虛擬的儀器控制面板遠程控制真實的實驗儀器，全程視頻實時觀察真實實驗儀器運行狀態(tài)，獲取真實實驗數據，可更加充分的體現(xiàn)仿真實驗與真實實驗的互為補充[13]。目前，可開放運用實驗教學的遠程控制實驗有“PN結物理特性研究、電學元件伏安特性、光強分布測量、磁場分布測量、金屬電子逸出功”五個項目，如圖4所示。

圖4 虛實結合的遠程控制實驗資源

遠程控制實驗在實際教學過程中具有以下兩個功能：①物理實驗的拓展內容學習；②預約既定實體實驗的補充輔助學習。24小時對學生實施全開放，采用排隊使用模式，前序網絡申請人優(yōu)先使用，后序申請人按請求順序排隊，只有前序使用人完成實驗退出后，后序申請人才可使用。任何學生個體均可遠程網絡申請相關實驗項目的學習，先以虛擬仿真實驗學習為準備基礎，后以網絡遠程控制形式完成實體實驗。

2.3 仿真設計實驗平臺在大學物理實驗、大學物理綜合設計實驗教學中的應用

虛擬仿真實驗一般是基于實際實驗運行過程或真實實驗數據開發(fā)，虛擬仿真實驗是實際實體實驗的模擬或部分模擬，具有既定的模式，如通過高仿真度的虛擬實驗設備，進行虛擬的實驗項目自主設計，那么虛擬仿真實驗的實際應用意義更大。圖5為電學仿真設計實驗平臺，內含多種虛擬電學器件，可根據不同的使用需求、功能進行虛擬電學實驗的設計開發(fā)。電學仿真設計平臺具有可在虛擬仿真環(huán)境中進行綜合仿真電學實驗設計的功能。對電學類必做專業(yè)學生，要求其以電學仿真實驗平臺為基礎設計復現(xiàn)已學習過的某個電學實驗項目或自主設計新的相關電學實驗一個，作為課程論文考核部分，對僅完成電學實驗的仿真復現(xiàn)，得出仿真實驗結果的，按原標準考核權重進行課程最終成績評定；對完成電學虛擬仿真實驗設計，并在實驗室完成實體實驗驗證的，按1個既定實驗項目成績進行最終課程成績評定。

圖5 電學設計仿真實驗平臺

2.4 大型精密儀器及大型綜合訓練虛擬仿真實驗在創(chuàng)新物理實驗教學中的應用

大型精密實驗儀器是開展科學實驗研究或創(chuàng)新實驗研究的重要保障條件，但由于大型精密儀器操作復雜、成本高、臺套數少、配件耗材昂貴等原因，使其難以進行量大面廣的教學實施，開發(fā)大型儀器設備的虛擬仿真項目并應用于實踐輔助教學，可有效提高實驗設備利用率、降低實際設備使用故障率，消除學生使用畏難情緒，激勵學生運用大型儀器設備開展相關創(chuàng)新實驗研究的主動性。如圖6所示，大型儀器設備的虛擬仿真實驗具有對學生進行大型精密設備及大型綜合訓練項目實際應用前的培訓，從而為學生開展創(chuàng)新實驗研究奠定基礎的功能。針對物理專業(yè)、理科實驗班及部分全校各工科專業(yè)學生，實施以基于教師科研方向的教師發(fā)布創(chuàng)新研究課題和學生自擬研究課題，以1名指導教師和2～3名學生為一團隊的創(chuàng)新實驗教學模式，將大型儀器設備的虛擬仿真實驗納入32學時的物理實驗創(chuàng)新訓練課程，在開展相關創(chuàng)新實驗研究前，由指導老師使用大型精密儀器及大型綜合訓練虛擬仿真實驗資源對學生進行實驗前培訓。

圖6 大型精密儀器及大型綜合訓練仿真實驗

3 教學評價及效果

引導學生積極利用虛擬仿真實驗資源輔助實驗學習，充分發(fā)揮出虛擬仿真實驗輔助實驗教學的優(yōu)勢，提高實驗教學質量，對學生能夠進行虛擬仿真實驗學習的考核評定，并計入學生課程最終成績中是一種有效的激勵手段。將現(xiàn)應用的實體實驗教學管理系統(tǒng)及虛擬仿真實驗管理系統(tǒng)對接，使學生基本信息一致，可實現(xiàn)對學生在大學物理實驗各類課程體系中“虛實結合”實驗學習的綜合成績評定，如圖7(a)、(b)所示，在明確的課程要求及有效的成績評定體系下，學生在開展實體實驗前進行虛擬仿真實驗學習的主動性提高，有效提升學生對各類實驗課程的學習質量，如圖7(c)、(d)所示。經近幾個學期的教學應用，學生對虛擬仿真實驗的學習使用已逐漸接受并認可，特別是在2020年新冠肺炎疫情期間，以虛擬仿真實驗資源為依托的教學實施成了完成正常教學任務的主要手段之一。

圖7 實體實驗教學管理系統(tǒng)

圖8(a)為學生對虛擬仿真實驗學時使用的反饋評價統(tǒng)計，可以看出，通過對虛擬仿真實驗的學習能夠有效達到學生對所學實驗的原理、內容的理解，實驗操作及數據處理方法的掌握，再結合實體實驗的學習，可切實提高實驗教學及實驗學習的質量。

圖8(a) 學生對虛擬仿真實驗學習評價

此外，在疫情期間，在應開設的創(chuàng)新訓練實驗課程受限情況下，學生對于自主開發(fā)虛擬仿真實驗的意愿增強，這也是所鼓勵和希望的，通過學生自主開發(fā)虛擬仿真實驗，不僅可節(jié)約仿真實驗開發(fā)成本，解決專業(yè)開發(fā)公司開發(fā)周期過長的問題，豐富本單位虛擬仿真實驗資源，更重要的是通過學生自主開發(fā)，可增強學生對所學實驗的深層次理解，提高學生的實際工程應用能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新實驗思維，圖8(b)為學生自主開發(fā)的模擬法測繪靜電場虛擬仿真實驗，并基于該項目獲得了山東省物理科技創(chuàng)新大賽一等獎和全國大學生物理實驗競賽參賽資格，極大激發(fā)了學生開展虛擬仿真實驗開發(fā)的積極性。

圖8(b) 學生自主開發(fā)虛擬仿真實驗

4 結 語

虛擬實驗自身具有一定的局限性，在培養(yǎng)學生實際實驗能力方面，不能夠完全替代實體實驗，但虛擬仿真實驗的學習具有不受時空限制，學生自主性強的優(yōu)勢，因此，引導激勵學生有效利用虛擬仿真實驗資源，發(fā)揮出仿真實驗自身優(yōu)勢，切實實現(xiàn)對實體實驗教學的高效輔助性則是至關重要的。以豐富的、層次化設置的虛擬仿真實驗資源為依托，將其引入到明確的課程體系之中，在完善的綜合評價體系下，通過虛擬+實體+遠程的立體化實驗教學開展，保障學生物理實驗課程學習的高質量，拓展學生物理知識面，促進學生創(chuàng)新探索研究開展，為虛擬仿真資源的建設及實際教學應用，促進教學模式、教學方法和手段的改革探索提供參考。