虛實結(jié)合下的大學物理實驗教學模式研究與實踐

蘇瑞霞 張艷 黃霞

摘? 要：文章從大學物理實驗教學的現(xiàn)狀出發(fā)，具體分析了傳統(tǒng)實操實驗和虛擬仿真實驗的優(yōu)缺點，介紹了虛實結(jié)合下的大學物理實驗教學模式的內(nèi)涵，闡述了虛實結(jié)合下大學物理實驗教學模式的應(yīng)用優(yōu)勢和構(gòu)建措施。文章認為這種虛實結(jié)合的教學模式激發(fā)了學生對大學物理實驗的學習興趣，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識，豐富了現(xiàn)有的實驗教學模式，使教學效果得到了極大提高。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)實驗；虛擬仿真實驗；虛實結(jié)合；教學模式

中圖分類號：G640? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2023）08-0054-04

基金項目：國家自然科學基金“界面效應(yīng)對納米材料熱傳導影響機理的研究”（項目編號：51706118）；2022年中國礦業(yè)大學（北京）本科教育教學改革與研究資助項目“虛實結(jié)合下的大學物理實驗教學模式研究與實踐”（項目編號：J220702）；中國礦業(yè)大學（北京）大學生創(chuàng)新訓練項目“低維系統(tǒng)的格波解及色散關(guān)系的研究”（項目編號：202207003）。

作者簡介：蘇瑞霞（1988—），女，博士，中國礦業(yè)大學（北京）理學院講師，研究方向為低維系統(tǒng)的熱傳導；張艷（2002—），女 ，學士在讀，中國礦業(yè)大學（北京）理學院，研究方向為非線性晶格鏈聲子譜；黃霞（1977—），女，博士，華北電力大學數(shù)理學院副教授，研究方向為耦合非線性系統(tǒng)的動力學研究及復雜系統(tǒng)的同步現(xiàn)象分析。

培養(yǎng)大學生嚴謹?shù)目茖W思維與創(chuàng)新能力是高校育人非常重要的一項目標，而大學物理實驗課程對大學生這兩項能力的培養(yǎng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)大學物理實驗課程的教學過程分為以下三步：第一步為學生通過閱讀教材和教師提供的課件進行預(yù)習；第二步為學生到實驗室觀看教師講解原理與實驗演示；第三步為學生進行實驗操作和完成實驗報告。這種傳統(tǒng)的教學模式相對單一，學生學習被動，教學效果欠佳［1-2］。大學物理實驗課程為大學理工科基礎(chǔ)教學課程，面對的班級數(shù)非常多，很多高校會受到一些客觀因素的限制：如設(shè)備、場地、課時等，存在實驗儀器落后且臺數(shù)不足、實驗教學內(nèi)容陳舊等情況。為解決上述大學物理實驗教學存在的問題，本研究基于前期大學物理實驗教學實踐中積累的經(jīng)驗，對傳統(tǒng)實操實驗和虛擬仿真實驗在教學中的優(yōu)劣勢進行了分析，創(chuàng)建了虛實結(jié)合的教學體系，旨在提高大學物理實驗教學實踐效果。

一、虛實結(jié)合下的大學物理實驗教學概述

虛擬仿真實驗的基礎(chǔ)是虛擬儀器，實現(xiàn)方式主要是基于多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、虛擬現(xiàn)實和計算機仿真軟件等技術(shù)［3］，在計算機平臺上，以傳統(tǒng)實驗資源為依托，構(gòu)建集現(xiàn)實資源和虛擬技術(shù)為一體的軟硬件操作環(huán)境，實現(xiàn)傳統(tǒng)實操實驗不具備或難以完成的教學功能。虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)實操實驗教學最大的區(qū)別在于它將實驗儀器設(shè)備、實驗教學內(nèi)容、教師實驗指導、學生實驗操作都融為了一體，形成了一部可操作性很強的教學資源［4-5］，具有良好的互動操作性、資源共享性和安全性，使得多名學生、多個實驗同時進行成為可能，為學生提供了自主學習的環(huán)境。仿真實驗緊密結(jié)合實操實驗，形成有效互補，突破空間和時間限制。下面首先分析傳統(tǒng)實操實驗和虛擬仿真實驗的優(yōu)勢與不足，然后進一步提出虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)與傳統(tǒng)實驗教學進行有機結(jié)合的方法。

二、傳統(tǒng)實操實驗的優(yōu)點與不足

（一）傳統(tǒng)實操實驗的優(yōu)點

1. 教學過程直接真實，學生感性認知提高。真實的實驗儀器和設(shè)備構(gòu)成了傳統(tǒng)實操實驗的物質(zhì)基礎(chǔ)，能夠在實驗教學中直觀展示實驗現(xiàn)象，模式簡明、清晰，有利于教師對整個教學過程的控制。學生也可以通過視覺、聽覺、觸覺等來認識客觀事物及規(guī)律獲得感性認知，進一步從感性認知中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題進而解決問題，最終獲得對客觀事物及規(guī)律的理性認識，實現(xiàn)對理論知識深入的理解。

2. 提高學生動手能力。在大學物理實驗的實操過程中，學生會遇到各種實驗誤差，傳統(tǒng)實驗要求學生要知道誤差的來源，會分析相關(guān)實驗的誤差原因，能夠從系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩個角度進行誤差分析，掌握如何通過調(diào)節(jié)儀器解決問題的方法，從而具備一定的解決問題的能力。在調(diào)節(jié)真實儀器過程中，學生的動手能力、分析解決問題的能力以及理論聯(lián)系實際能力都會得到很大的提高。

（二）傳統(tǒng)實操實驗的不足

1. 無法控制預(yù)習環(huán)節(jié)。雖然要求學生對每個實驗進行課前預(yù)習，但學生對實驗預(yù)習的積極性不強，大部分學生只是機械地抄寫預(yù)習報告，并沒有很好地閱讀教材和教師提供的預(yù)習課件，對于實驗需要的理論知識基本沒有思考，更談不上掌握，因此學生的預(yù)習環(huán)節(jié)對實驗教學效率和質(zhì)量的提升根本不起作用。

2. 實驗教學受時空和師資因素限制。傳統(tǒng)的實驗教學會受到一些客觀因素的限制：如設(shè)備、場地、課時等，存在實驗儀器落后且臺數(shù)不足、實驗教學內(nèi)容陳舊等弊端，不利于學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。艱巨的教學任務(wù)導致師資嚴重不足，也不利于教師教學內(nèi)容的創(chuàng)新。再者，近幾年因為新冠肺炎疫情，有部分時間學生只能在線學習，導致一些實驗課程無法現(xiàn)場實踐開展。

3. 課后無法回溯，缺少對照總結(jié)。學生需要在實驗室完成操作以后撰寫實驗報告，實驗報告完成后，需上交給授課教師，教師批改后裝訂成冊留檔，導致學生不清楚自己實驗報告中存在的問題，不利于學生就物理實驗結(jié)果進行深入分析與理解。

三、虛擬仿真實驗的優(yōu)點與不足

（一）虛擬仿真實驗的優(yōu)點

1. 虛擬仿真實驗脫離了時空、課時等因素的影響。具體來說，學生可以靈活地運用自己的實驗時間在線進行實驗操作，自主學習，不受傳統(tǒng)實物實驗室關(guān)閉和開放時間的限制。新冠肺炎疫情期間，有部分時間學生無法返校，只能采取線上學習的方式，這種情況下學生只需具備電腦和網(wǎng)絡(luò)就可以隨時隨地進行虛擬仿真實驗操作，使實驗教學在時間、空間上得到了極大延伸［6］，彌補了傳統(tǒng)實操實驗帶來的不足。

2. 安全、經(jīng)濟。一部分物理實驗尤其是電學實驗，學生錯誤的操作很可能會損壞實驗儀器，影響下次課學生的有效實驗儀器數(shù)量，甚至個別嚴重的引發(fā)安全事故。而用虛擬仿真實驗時，如果學生錯誤操作，虛擬軟件會有相關(guān)操作錯誤警告，提醒學生，從而不會引發(fā)真正的事故。

3. 提高學生創(chuàng)新能力。虛擬仿真實驗可方便設(shè)置開放性實驗項目，使實驗內(nèi)容得到拓展。學生可根據(jù)興趣及專業(yè)方向自主選擇實驗項目進行操作，從而激發(fā)學生的物理實驗學習興趣，很好地將物理實驗與學生的專業(yè)知識建立起聯(lián)系，也培養(yǎng)了學生創(chuàng)新意識和獨立思考以及解決實際問題的能力。

（二）虛擬仿真實驗的不足

1. 預(yù)習效果仍待改善。對于虛擬仿真實驗，仿真實驗平臺提供了實驗簡介、原理、內(nèi)容和儀器設(shè)備等全套實驗內(nèi)容，這種極其全面和詳細的羅列模式和已有的實驗教材基本沒有區(qū)別，無法激發(fā)學生的學習興趣，在短時間內(nèi)學生也較難掌握實驗的整體框架和關(guān)鍵要領(lǐng)，并不能解決傳統(tǒng)實驗中的預(yù)習環(huán)節(jié)遇到的問題。

2. 缺乏實驗的氛圍。在傳統(tǒng)實操實驗中，學生面對的是真實的實驗儀器設(shè)備，通常是學生兩人一組共同完成實驗操作，遇到問題可以共同討論，協(xié)作攻克問題，培養(yǎng)了學生交流以及團隊合作的能力。而虛擬仿真實驗采用一人一機的實驗?zāi)Ｊ?，學生面對的只有電腦和一些用到的軟件，無法體驗真實的物理實驗環(huán)境，使得學生合作交流能力的培養(yǎng)無法在實驗中實現(xiàn)。

3. 缺乏對實驗誤差的分析與理解。虛擬仿真實驗都是由設(shè)計好的程序來實施的，缺乏對真實物理實驗過程中的一些細節(jié)（尤其是易出現(xiàn)的實驗故障的一些問題）的模擬，因此目前虛擬仿真實驗基本上都是理想化的，非常不利于學生對實驗誤差的分析與理解，也不利于培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題的能力。

四、虛實結(jié)合教學模式的探索

大學物理實驗傳統(tǒng)與虛擬仿真教學模式各有其獨特的優(yōu)缺點，兩者并非相互對立的關(guān)系，而是互為補充、相輔相成、相互促進的統(tǒng)一體。為了最大限度地優(yōu)化大學物理實驗教學效果，在實驗教學中應(yīng)結(jié)合這兩種實驗?zāi)Ｊ剑瑥亩鴮崿F(xiàn)大學物理實驗教學的目的。

（一）虛擬仿真教學平臺的構(gòu)建

學校于2020年引入虛擬仿真實驗平臺，因為疫情很多地區(qū)學生無法返校正常上課，為順利開展大學物理實驗教學，中國礦業(yè)大學物理系與實驗教學中心第一時間引入虛擬仿真實驗平臺開展大學物理實驗教學，主要利用科大奧銳有限公司開發(fā)的大學物理實驗虛擬仿真教學平臺。此教學平臺集成性很高，將實驗中心門戶網(wǎng)站、預(yù)習環(huán)節(jié)、仿真實驗和實驗報告批改系統(tǒng)集成為一體，具有非常強大的功能，如信息發(fā)布、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、互動交流和成果展示等功能。仿真教學平臺全天24小時開放，學生登錄仿真平臺后可線上進行實驗預(yù)習、操作練習和提交實驗報告。教學平臺不僅方便學生，教師也可很便利地在教學平臺上布置實驗任務(wù)、組建和發(fā)放預(yù)習試卷、檢查學生預(yù)習情況、操作練習情況和批改實驗報告。

（二）合理設(shè)置虛實實驗比重

在引入虛擬仿真實驗后，開始對傳統(tǒng)實驗結(jié)合虛擬仿真實驗的教學模式不斷探索與嘗試。但需要注意的前提是一定要保證大學物理“實驗”的課程屬性不變。虛實結(jié)合，要求不僅要有傳統(tǒng)實操實驗項目，還要有虛擬仿真實驗項目，更進一步要開發(fā)虛實結(jié)合的實驗項目。虛、實實驗項目的比重要合理設(shè)置，對于基本的測量方法和常用測量工具的使用方法一定要基于實體儀器，一定讓學生在實驗室親自操作，比如示波器是很多物理實驗常用的測量設(shè)備，像液晶電光效應(yīng)、聲速測量、動力學法測楊氏模量等實驗都會用到，所以示波器的使用最好要在線下實操學習操作，只有這樣才能避免在日后的實際使用中出現(xiàn)紙上談兵的情況。虛擬仿真實驗則可以在某些特殊實驗條件（如疫情、儀器價格高昂）不可達變成可實現(xiàn)。例如磁滯回線實驗，在線下無法實時觀測在不同磁場下，磁性材料的磁化狀態(tài)，而學生要想深入理解磁滯回線，需要了解磁疇在外磁場下的轉(zhuǎn)動過程，而相應(yīng)的實驗設(shè)備就要用到磁力顯微鏡和磁光克爾效應(yīng)儀，這兩個設(shè)備不僅價格昂貴，而且后期維護成本高，非常不利于磁滯回線實驗的順利開展。這種情況下虛擬仿真實驗就發(fā)揮了不可替代的作用，它可將新材料、新科技便捷地引入實驗項目，很大程度地拓寬了大學物理實驗課程體系內(nèi)容，提高了實驗教學的先進性。對于一些現(xiàn)實不可達的物理量和物理規(guī)律也需用虛擬仿真實驗實現(xiàn)。

（三）虛實對照，預(yù)習和講授相結(jié)合

為了更好地提高大學物理實驗的教學效果，本研究嘗試了以下虛實結(jié)合的教學模式；要求學生先自主地根據(jù)實驗學習的需要在虛擬實驗平臺進行線上深入預(yù)習，但考慮到一般的虛擬仿真實驗平臺并不能改善學生的預(yù)習效果，要解決這一問題，必須要強化虛擬仿真實驗平臺的展示作用，盡量將實驗儀器特點、實驗原理及實驗操作步驟用動畫和實物視頻演示等方式替代仿真實驗項目上固有的純文本內(nèi)容的展示方式，這樣學生才更加容易接受；在實驗仿真平臺上可以加入一些優(yōu)秀的物理實驗教學視頻，增加一些介紹與實驗相關(guān)的物理學家、生活中的物理小知識等視頻，提高學生對大學物理實驗的學習興趣，拓寬學生的知識面；教師可通過組卷功能給學生發(fā)放難度較小的測試題，學生測試成績合格后，才能進入課堂進行實踐操作，這樣更便于提高學生預(yù)習的積極性與預(yù)習效果，有效縮短教師在線下課堂的講解時間，從而給學生提供充足的實踐操作時間。學生在進行了有效的預(yù)習后，再進行線下實操實驗，課堂上教師的詳細講解與示范操作，可以進一步加深學生對整個物理實驗的設(shè)計思路和實驗的觀測手段的認識。對于預(yù)習中遇到的問題，學生也可以直接與教師的講解進行對照，隨時提問交流，使預(yù)習中的問題得到有效解決。

（四）線上驗證鞏固，閉環(huán)學習

線下得出實驗結(jié)論、完成實驗報告后，對實驗中存在的問題，可以通過線上虛擬實驗再次進行實驗驗證。對于部分學生如果實驗過程中沒有完全掌握一些物理概念，也可結(jié)合虛擬仿真實驗來鞏固提高，從而使大學物理實驗學習過程形成閉環(huán)。這樣虛實結(jié)合的實踐教學模式可以提升學生對大學物理實驗學習的主觀能動性，使學生對實驗原理與實驗規(guī)律的認識和理解更加深刻。

（五）即時交流工具發(fā)揮重要作用

在虛實結(jié)合實驗項目的實施過程中，還應(yīng)重視即時交流工具的作用，在虛實結(jié)合實驗教學過程中，微信答疑群和QQ答疑群能很好地促進師生之間溝通，既拉近了教師與學生的距離，又能使學生放下包袱，跟教師積極交流，師生互動遠比實驗室熱烈，交流時間也比線下時間增長。學生間也可以隨時展開討論，互相幫助，合作解決問題的能力的培養(yǎng)有所提升。因此微信答疑群和QQ答疑群可以作為大學物理實驗教師的教學助手，為建立良好的實驗課程學習氛圍發(fā)揮重要作用。

五、虛實結(jié)合教學模式的應(yīng)用挑戰(zhàn)

我國物理虛擬仿真實驗教學模式起步較晚，特別是物理虛擬實驗開發(fā)技術(shù)、設(shè)備等方面均落后于發(fā)達國家。目前，高校的虛擬實驗儀器模型的種類普遍比較單一，從功能上來說，部分實驗的真實性與實際實驗室的實驗器材相比都還存在較多欠缺之處，這會導致學生在虛擬環(huán)境下進行實驗操作時產(chǎn)生疑問，對知識的遷移產(chǎn)生不利影響。解決這個問題的方法是學校應(yīng)在考慮成本允許和虛擬仿真實驗技術(shù)成熟的情況下，大力引入VR、友好的人機交互等國內(nèi)外先進的仿真操作新技術(shù)，使虛擬仿真實驗更加貼近真實的實操實驗。再者目前虛擬仿真教學資源還遠遠不夠完善，創(chuàng)新性和設(shè)計性的實驗項目數(shù)量十分匱乏。在今后的實驗教學中，應(yīng)適當加大自主開發(fā)虛擬仿真教學資源的力度，建立虛擬實驗與硬件實驗的緊密聯(lián)系，為培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才提供良好平臺。此外，虛實結(jié)合的大學物理實驗教學平臺建設(shè)需要的成本較高，尤其在建設(shè)初期，高比例的維護成本支出也在很大程度上制約了虛實結(jié)合下的大學物理實驗教學平臺的建設(shè)效率。

六、結(jié)語

本文詳細分析了傳統(tǒng)實操實驗與虛擬仿真實驗的優(yōu)劣勢，提出要將虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)實驗教學有機結(jié)合。虛實結(jié)合的教學模式，不僅能夠明顯提高學生學習大學物理實驗的主觀能動性，還能加深學生對實驗原理和結(jié)論的理解，減少實驗硬件損耗?？梢源蚱苽鹘y(tǒng)物理實驗教學的時空限制，改變傳統(tǒng)單一的填鴨式教學方式，增強大學物理實驗的可設(shè)計性。讓學生學習更加自由和靈活，可實現(xiàn)全空間、全過程的閉環(huán)學習模式，極大提高物理實驗教學效果。

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（責任編輯：淳潔）