虛擬仿真實驗融入大學(xué)物理教學(xué)的探討

吳旭普 劉高福

摘?要：大學(xué)物理是高等院校理工類專業(yè)學(xué)生的一門重要的公共基礎(chǔ)必修課。在“四新”建設(shè)背景下結(jié)合時代特點，文章探究了虛擬仿真實驗在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用，對大學(xué)物理教學(xué)方法及手段進(jìn)行了創(chuàng)新改革。通過改革不僅使學(xué)生在創(chuàng)新應(yīng)用能力和知識思維水平方面上得到了提升，同時也加強(qiáng)了教師自身的教學(xué)能力。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理教學(xué)；虛擬仿真實驗；“四新”建設(shè)；教學(xué)創(chuàng)新改革

中圖分類號：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.21.089

0?引言

如今，大力推進(jìn)“四新建設(shè)”（新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科）已成為各高校主動適應(yīng)國家發(fā)展戰(zhàn)略、調(diào)整學(xué)科和專業(yè)布局、開展一流專業(yè)和一流課程建設(shè)、推動教學(xué)理念和教學(xué)方法改革的重要抓手，其研究和實踐已在全國普遍展開。物理學(xué)作為理工學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)學(xué)科，在強(qiáng)化學(xué)生科研思維和創(chuàng)新能力上，在開展“四新建設(shè)”方面發(fā)揮著獨特的作用。近年來，貴州師范學(xué)院大學(xué)物理教學(xué)團(tuán)隊在教學(xué)模式、教學(xué)手段和教學(xué)內(nèi)容等方面進(jìn)行了改革和持續(xù)的探索。前期，本教學(xué)團(tuán)隊通過調(diào)研本校本科生大學(xué)物理課程學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)了以下問題，并針對所發(fā)現(xiàn)的問題對教學(xué)模式進(jìn)行了調(diào)整。同時，教師在教學(xué)改革過程中要積極吸收先進(jìn)的教學(xué)理念和方法，提升自身的理論水平，并結(jié)合實際情況開展教學(xué)，在教學(xué)實踐中提升教學(xué)水平。

1?當(dāng)前大學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)狀

1.1?教學(xué)內(nèi)容較多，專業(yè)銜接不通暢

大學(xué)物理知識體系龐雜且內(nèi)容繁多。一方面，教師要在規(guī)定的時間內(nèi)保質(zhì)保量完成教學(xué)任務(wù)是一個很大的挑戰(zhàn)，另一方面不同專業(yè)對于物理知識的需求不同，在教學(xué)中將所有知識全部教給學(xué)生會增加學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，學(xué)習(xí)效果也不明顯，對于其專業(yè)的發(fā)展也有一定弊端；新工科專業(yè)更需要物理知識與時俱進(jìn)的支撐，例如對于電子信息類專業(yè)，其專業(yè)知識涉及射頻、紅外、激光掃描等傳感器的應(yīng)用，這些技術(shù)都來源于物理學(xué)中振動、電磁波、激光等基本知識，受限于課程內(nèi)容繁多，教師愿意花更多時間來講解課本知識，沒有時間來處理物理知識與專業(yè)知識的銜接關(guān)系，這就造成了課本知識與新科技的脫節(jié)，大學(xué)物理教學(xué)無法順利地完成對專業(yè)課的承接作用。

1.2?大學(xué)物理知識“枯燥、難”，不好教

從訪談和問卷情況來看，學(xué)生覺得大學(xué)物理難學(xué)的主要原因在于大學(xué)物理知識邏輯嚴(yán)密，知識龐雜，對于數(shù)學(xué)的要求很高，大一學(xué)生理解起來非常困難，不知如何開展學(xué)習(xí)；枯燥物理定理、定律和復(fù)雜的微積分讓學(xué)生產(chǎn)生了畏難情緒，無法提起學(xué)習(xí)的興趣。另外，相似的物理知識點較多，學(xué)生學(xué)習(xí)起來經(jīng)常會犯迷糊，不容易全面掌握知識。例如，“動量定理”和“角動量定律”僅一字之差并且表達(dá)形式也相似，但使用范圍卻不同。傳統(tǒng)大學(xué)物理教學(xué)更注重知識的傳遞，較少地在教學(xué)中通過融入家國情懷、科學(xué)精神等內(nèi)容來激發(fā)學(xué)生不畏艱難、刻苦學(xué)習(xí)的精神。

“不好教”是教師對大學(xué)物理課程的常見評價；一方面是課程知識內(nèi)容比較多，相關(guān)知識較難講解，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低；另一方面來自課程教學(xué)管理水平的低下。傳統(tǒng)的課前預(yù)習(xí)由學(xué)生自主完成，教師缺少對學(xué)生的指引和監(jiān)督，造成學(xué)生課前預(yù)習(xí)效率的低下，且預(yù)習(xí)的內(nèi)容與課堂教學(xué)無法形成有效聯(lián)動。傳統(tǒng)的紙質(zhì)作業(yè)布置方式也存在批改反饋實時性較差及無法完全杜絕作業(yè)抄襲的問題。也無法做到對所有學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的監(jiān)督和學(xué)習(xí)效果的全面客觀評價。

1.3?理論與實驗割裂

實驗是物理學(xué)的基礎(chǔ)，歷史上物理的概念和定理都是通過實驗得到的，理論結(jié)合實驗教學(xué)不僅使學(xué)生感受到物理知識獲取的過程，也能夠使學(xué)生的綜合能力得到提升。傳統(tǒng)大學(xué)物理教學(xué)中教師主要進(jìn)行理論知識的傳輸，學(xué)生的學(xué)習(xí)沒有經(jīng)歷過程，僅僅是知識的記憶。盡管專門開設(shè)了大學(xué)物理實驗課程，但是受限于教學(xué)資源的短缺，學(xué)校無法將所有實驗都開設(shè)，大部分實驗只能停留在課本和視頻上面；受限于教學(xué)安排，實驗課與理論的進(jìn)度不符，學(xué)生無法將實驗與理論進(jìn)行對應(yīng)。造成了大學(xué)物理教學(xué)的空中樓閣，學(xué)生的學(xué)習(xí)只能停留在初級階段，無法應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題。

2?教學(xué)改革方案及措施

以學(xué)生為中心，因材施教，注重不同層次學(xué)生對本門課程的學(xué)習(xí)成果，在優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的同時，融入虛擬仿真實驗、引入信息化教學(xué)手段、優(yōu)化教學(xué)管理、完善教學(xué)評價等方式方法，構(gòu)建“課內(nèi)與課外”，“理論與實踐”，“教學(xué)與育人”相結(jié)合的大學(xué)物理課程育人體系，實現(xiàn)對學(xué)生知識、能力和素養(yǎng)的協(xié)同培養(yǎng)。

2.1?精簡教學(xué)內(nèi)容，更新課程體系

以學(xué)生發(fā)展為中心，根據(jù)不同專業(yè)需求，精簡教學(xué)內(nèi)容；團(tuán)隊成員梳理了大學(xué)物理課程所有知識點，按照專業(yè)特點進(jìn)行分類，最終將現(xiàn)有大學(xué)物理知識點分為通用性知識點和專業(yè)關(guān)聯(lián)知識點，使用物理知識能夠與學(xué)生的專業(yè)相對應(yīng)；并對各專業(yè)大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整（如圖1）。例如，生物和化學(xué)專業(yè)對熱學(xué)部分的知識需求較大，我們就加大了熱學(xué)知識在生物和化學(xué)專業(yè)中的比重，這樣的調(diào)整使教學(xué)更具有針對性，減少學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

2.2?梳理知識，豐富教學(xué)方法

（1）采用思維導(dǎo)圖梳理知識要點；建構(gòu)主義的觀點表明，結(jié)構(gòu)化的知識體系是減少認(rèn)知負(fù)荷的有效方法。繪制思維導(dǎo)圖，是應(yīng)對大學(xué)物理知識龐雜的有效方法。課程結(jié)束以后，教師引導(dǎo)學(xué)生完成章節(jié)思維導(dǎo)圖，快速掌握課程的全貌并了解核心知識點在課程中的作用，從而建構(gòu)知識體系，加深對知識的理解。如圖2，力和動量知識點思維導(dǎo)圖。

（2）課程思政的滲透，在教學(xué)中合理進(jìn)行思政元素的滲透，不僅僅能夠激發(fā)學(xué)生的民族自信、培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神和刻苦鉆研的精神；還能夠激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，減輕大量理論知識帶來的思維沖擊。例如在講解磁場中的帶電粒子的知識點時，由于需要進(jìn)行復(fù)雜的公式推導(dǎo)，此時可以讓學(xué)生討論“科學(xué)家通過什么方式使氘和氚在非常高的溫度下發(fā)生定向聚變？”，不僅調(diào)節(jié)了課堂的氣氛還讓學(xué)生了解前沿知識。同時，應(yīng)用世界觀和方法論可幫助學(xué)生抓住主要矛盾，理清思路，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，提高學(xué)生正確認(rèn)識問題、分析問題和解決問題的能力。例如麥克斯韋完成著名的“麥?zhǔn)戏匠探M”實現(xiàn)電磁的統(tǒng)一，這正是辯證唯物主義中“對立統(tǒng)一”思想。

（3）堅持“學(xué)生中心”，開展“課前-課上”結(jié)合教學(xué)；相比于課上教學(xué)，課前教學(xué)也是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，更能激發(fā)學(xué)生的自主性，同時也提升了教師對教學(xué)過程管理的效率。教師將“課前”學(xué)習(xí)任務(wù)發(fā)布在“雨課堂”平臺上，學(xué)習(xí)小組根據(jù)教師的學(xué)習(xí)任務(wù)，開展有關(guān)知識的討論，并形成“課前學(xué)習(xí)報告”，初步了解知識點。課上，教師根據(jù)課前學(xué)習(xí)報告情況組織以學(xué)生為中心的課堂教學(xué)，通過提出問題、討論問題、解決問題完成對知識的吸收。每一個環(huán)節(jié)，學(xué)生都能夠發(fā)揮主觀能動性學(xué)習(xí)，同時也能夠及時得到教師的指導(dǎo)。

2.3?構(gòu)建虛擬仿真實驗融入大學(xué)物理教學(xué)體系

虛擬仿真實驗融入大學(xué)物理課程的設(shè)計，既要滿足學(xué)生的認(rèn)知水平，使學(xué)生快速將實驗與理論結(jié)合起來，提高學(xué)習(xí)效率，又要滿足對專業(yè)知識的銜接，讓學(xué)生通過實驗掌握基本的實驗技巧，提高應(yīng)用能力。因此，圍繞著大學(xué)物理核心知識點我們開發(fā)了包含力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)四個維度50個實驗項目（其中30個為必修項目），建立了虛擬仿真融入大學(xué)物理教學(xué)體系，如圖3。

（1）?通過屏幕，學(xué)生能夠隨時隨地、身臨其境地進(jìn)行實驗。教學(xué)中教師根據(jù)課程內(nèi)容融入虛擬仿真實驗，可課下實驗學(xué)習(xí)，也可以課上教學(xué)。虛擬仿真實驗項目的融入為物理教學(xué)的改革帶來了新的契機(jī)，特別是在疫情期間發(fā)揮了重要作用。

（2）虛擬仿真實驗項目與大學(xué)物理核心知識點緊密對應(yīng)，注重通過文字、圖片、課下學(xué)習(xí)，整個仿真實驗操作與真實實驗操作具有很高的相似性，具有非常直觀生動實驗場景，虛擬仿真實驗系統(tǒng)還提供了即時的指導(dǎo)和提示功能，學(xué)生可以通過完成核心知識點對應(yīng)的實驗來經(jīng)歷物理知識探索的過程，加深對知識點的理解。

2.4?優(yōu)化教學(xué)組織，完善教學(xué)評價

課前，教師提供自學(xué)內(nèi)容，如：課程平臺篩選的在線視頻、章節(jié)重點內(nèi)容、微視頻、課前測試等。課中，情境設(shè)置導(dǎo)入新課內(nèi)容，多媒體與板書結(jié)合授課，探討式互動，典型例題分析，實踐應(yīng)用案例，科技前沿滲透等。課后，重點內(nèi)容總結(jié)、知識面拓展、線上討論及答疑解惑、學(xué)習(xí)小組討論、項目式探究學(xué)習(xí)等。

教學(xué)評價上突出“過程化考核”，將線上平臺學(xué)生的課前預(yù)習(xí)、課堂互動、線上討論、課后作業(yè)、社會活動參與等分別設(shè)置各項權(quán)重（平時成績=考勤（10%）+作業(yè)（10%）+線上學(xué)習(xí)（20%）+課堂互動（10%）+線下考試（50%）。），融入評價機(jī)制，過程評價組成做到有理有據(jù)、公平公正。

3?小結(jié)

3.1?教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整使得教學(xué)更加具有針對性

通過對教學(xué)內(nèi)容針對性調(diào)整，一方面減輕了各專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，另一方面使得相關(guān)的知識更加符合學(xué)生專業(yè)發(fā)展方向，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得到了激勵，提升了教學(xué)效率。同時在教學(xué)中通過融入傳統(tǒng)文化、辯證唯物主義、科學(xué)精神等思政元素，不僅僅提升了學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)水平，也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

3.2?基于信息化教學(xué)手段提升了教學(xué)效率

通過引入信息化教學(xué)手段，加強(qiáng)了教學(xué)環(huán)節(jié)的管理，教師能夠及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，并能夠根據(jù)相關(guān)的狀態(tài)及時進(jìn)行教學(xué)調(diào)整。信息化教學(xué)的交互性有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)生主體作用的發(fā)揮；網(wǎng)絡(luò)特性有利于開展協(xié)作學(xué)習(xí)和發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，提升了教學(xué)效率。同時教師在探索新的教學(xué)模式過程中也提升了自身的教學(xué)水平。

3.3?實現(xiàn)理論與實驗結(jié)合的教學(xué)

通過即時虛擬仿真實驗融入教學(xué)，使得實驗教學(xué)和理論教學(xué)得到相互融合。采用交互式教學(xué)資源，學(xué)生學(xué)習(xí)不受條件限制，豐富了課程教學(xué)內(nèi)容。針對相應(yīng)的知識點學(xué)生可以及時通過登錄虛擬仿真實驗系統(tǒng)進(jìn)行實驗，及時將理論知識與實驗相結(jié)合。學(xué)生通過反復(fù)實驗加深了對物理知識的深入理解，同時學(xué)生的實踐能力得到了提升。

4?結(jié)語

在新工科時代的呼喚下，大學(xué)物理教學(xué)改革刻不容緩，本文結(jié)合大學(xué)物理教學(xué)中的“痛點”，將虛擬仿真實驗融入到大學(xué)物理教學(xué)中，采用適合學(xué)生時代特點的教學(xué)方式，解決教學(xué)中的實際問題，激發(fā)了學(xué)生主動性，擴(kuò)展教學(xué)時空，突破授課學(xué)時限制，提升了教學(xué)效率，讓學(xué)生真正地體會到物理學(xué)有所用。

參考文獻(xiàn)

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