郟友濤 吳偉敏 朱英嵐 林佳鑫

摘 要： 如今，學(xué)習(xí)者日益增長的學(xué)習(xí)需求與限制較多的傳統(tǒng)實驗教學(xué)的矛盾越來越突出。隨著信息化建設(shè)的不斷推進以及高校教育理念的不斷更新發(fā)展，物理實驗也應(yīng)符合時宜地上升到具有科技化、信息化，并與時代感相對稱的高水平方法上來。以虛擬實驗教學(xué)與移動應(yīng)用相結(jié)合為切入點，搭建了一個以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)虛擬實驗平臺，并進行了相應(yīng)的教學(xué)實踐。實踐表明，實驗教學(xué)結(jié)合虛擬實驗平臺可以有效改良教學(xué)效果并提高實驗資源的利用率。

關(guān)鍵詞： 虛擬實驗； 物理實驗； 移動學(xué)習(xí)； 教育應(yīng)用； 教學(xué)實踐

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2018）07-37-04

Abstract： Nowadays， the contradiction between increasing learning demand of contemporary learners and the limitations of traditional experiment teaching is becoming increasingly prominent. With the continuous advancement of information construction and the development of higher education concepts， physics experiments should also advance to a high-level method that is technological， informative to keep pace with the sense of the times. This article focuses on the combination of virtual experiment teaching and mobile application. Based on that， a student-centered virtual experiment platform for experiment teaching is constructed and experimented by corresponding teaching practice. Practice indicates that the experiment teaching combined with virtual experiment platform can effectively improve the teaching effect and the utilization of experimental resources.

Key words： virtual experiments； physics experiments； mobile learning； educational applications； teaching practice

0 引言

實驗教學(xué)是各學(xué)科教學(xué)中的一個重要的部分，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)過程中往往伴隨著材料磨損、實驗設(shè)備昂貴等各方面問題。而在虛擬實驗平臺中，這些問題可以得到有效的控制和解決，因而虛擬實驗教學(xué)與傳統(tǒng)實驗教學(xué)的互相結(jié)合將是實驗教學(xué)中一項有意義的工作。

隨著信息化建設(shè)的不斷推進，教育理念也開始發(fā)生了改變。慕課、微課等新型教學(xué)方式的出現(xiàn)讓建構(gòu)主義理論也得到了更好的實現(xiàn)，翻轉(zhuǎn)課堂的應(yīng)用更讓學(xué)生的學(xué)習(xí)過程不再局限于固定的課堂以及老師的知識灌輸，而是以學(xué)生自主構(gòu)建知識體系為主，教師作為促進者與輔助者提供幫助。在這樣的一種改革浪潮下，移動學(xué)習(xí)則成為當(dāng)下教育行業(yè)的熱點。

移動平臺為移動學(xué)習(xí)提供了更加強有力的支撐，也為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供了更便捷的途徑[1]，搭建以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)虛擬實驗平臺，開發(fā)跨平臺的虛擬實驗app，將成為利用碎片化時間進行學(xué)習(xí)的有效途徑。

1 虛擬實驗平臺

1.1 虛擬實驗的定義

虛擬實驗室最早出現(xiàn)于1989年，是由弗吉尼亞大學(xué)第一次提出并建立的一個計算機網(wǎng)絡(luò)化的虛擬環(huán)境實驗室。隨后聯(lián)合國教科文組織將其定義為：利用分散的信息和通訊技術(shù)以創(chuàng)造或獲取成果為目的在科研與其他創(chuàng)造性活動中進行遠(yuǎn)距離合作和實驗的一種電子協(xié)作組。1999年，美國愛荷華州立大學(xué)的專家會議中又進行了進一步的定義：虛擬實驗室是為研究和創(chuàng)新活動提供了遠(yuǎn)程的協(xié)作和實驗的電子平臺，用來描述計算機網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境。

1.2 虛擬實驗教學(xué)與傳統(tǒng)高校儀器分析教學(xué)的比較

在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，教師往往通過課堂上的講解，以及講臺上的實驗來給學(xué)生講授實驗知識。但是教師的講解往往是抽象的，學(xué)生若無法真正接觸實驗，那么實驗教學(xué)對于學(xué)生來說就都是紙上談兵。并且，相較于虛擬實驗平臺，傳統(tǒng)儀器分析教學(xué)又有著以下幾點問題。

⑴ 硬件設(shè)施不夠齊全，實驗條件有限。一些精密的分析儀器往往價格昂貴，所以一臺儀器可能要被幾位同學(xué)共同使用，加之這些儀器的運行成本較高，導(dǎo)致這類儀器主要面向于高校教師和研究生，對于本科生的開放程度則較低，嚴(yán)重限制了實驗教學(xué)對于高校本科生的普及。

⑵ 學(xué)生無法深入理解與掌握。由于高校中本科生的基數(shù)大，所以每個實驗小組可能會有比較多的人數(shù)，大部分情況下學(xué)生動手操作的機會少，只能通過教師的講解和演示實驗來觀察實驗的原理和儀器的構(gòu)造，了解實驗的操作流程和方法，因此學(xué)生對實驗知識停留在了書本上面，不利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

⑶ 實驗無需思考，只要達(dá)到目標(biāo)即可。高校的實驗中，一般僅僅局限于教材書本上的幾個小實驗，學(xué)生在實驗的時候，只需要保證實驗的基本操作是與實驗指導(dǎo)書上一致的就可以順利通過，而無需在意實驗原理。

⑷ 實驗考核存在一定問題。在高校中，實驗課程的分?jǐn)?shù)主要是通過實驗的結(jié)果來進行打分，而缺少了對過程的分析。這樣的實驗評估機制直接導(dǎo)致學(xué)生只注重對理論知識和正確實驗操作的機械記憶，課前不需要做預(yù)習(xí)準(zhǔn)備，課上不認(rèn)真做或只是為了分?jǐn)?shù)而敷衍了事，課后抄襲實驗報告，極度不利于學(xué)生的綜合素質(zhì)的培養(yǎng)[2]。

2 基于移動端的虛擬實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，移動端APP應(yīng)用越來越廣泛。廣大師生也越來越期望能使用手機端訪問各種應(yīng)用系統(tǒng)，以充分享受移動互聯(lián)網(wǎng)帶來的便利[3-6]。因此，本文基于智能移動終端開發(fā)移動虛擬實驗平臺。

2.1 需求分析

虛擬實驗平臺中的實驗資源多種多樣，可以很大程度上滿足學(xué)習(xí)者的需求，提升實驗學(xué)習(xí)質(zhì)量。在提供翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)支持、學(xué)習(xí)者自主進行物理實驗等方面，虛擬實驗平臺將發(fā)揮重要作用。通過此移動端虛擬實驗室平臺，學(xué)習(xí)者可以在移動端設(shè)備上利用碎片化的時間學(xué)習(xí)相關(guān)實驗操作以及細(xì)節(jié)，從而加深實驗的理解。

學(xué)生需要了解相關(guān)物理實驗的知識架構(gòu)、操作流程、操作結(jié)果以及相關(guān)課外知識等，教師需要了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并掌握實驗數(shù)據(jù)和實驗成績。因此該平臺的主要功能需求有以下。

⑴ 平臺的注冊和登錄。學(xué)生需要有一個自己的用戶賬戶，便于個性化記錄自身學(xué)習(xí)情況，包括錯誤操作記錄、實驗成績、實驗流程等。

⑵ 模擬實驗的流程、內(nèi)容或任務(wù)。平臺需要提供完善的模擬實驗，能對平臺用戶的模擬操作產(chǎn)生一定的交互，并以此產(chǎn)生操作結(jié)果（成績），這也是平臺最核心的功能。

⑶ 后臺數(shù)據(jù)管理。教師需要一個途徑管理學(xué)生實驗數(shù)據(jù)和相關(guān)實驗流程，并對這些數(shù)據(jù)進行篩選和分析，以此作為實驗成績評判的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 平臺開發(fā)實現(xiàn)

學(xué)生用戶在使用本平臺的基本行為流程為：注冊用戶信息，登錄虛擬實驗平臺，自主學(xué)習(xí)實驗操作，完成實驗后提交所得實驗結(jié)果。

教師用戶則可以在服務(wù)器端提供的web頁面上查看并導(dǎo)出、記錄學(xué)生所得的成績，系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

在平臺的搭建過程中，利用unity游戲引擎結(jié)合php服務(wù)器腳本語言實現(xiàn)客戶端與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間的交互，并通過md5碼加密等方式對各級用戶數(shù)據(jù)進行加密，確保平臺的安全性和穩(wěn)定性。

2.3 大學(xué)物理的設(shè)計及實現(xiàn)——以“聲波測速實驗”為例

在大學(xué)物理教學(xué)過程中，物理實驗是必不可少的一部分，以虛擬物理模型來代替具體物理實驗器材，可以使物理規(guī)律及事物的性質(zhì)得到更加簡明準(zhǔn)確的表達(dá)，從而增強學(xué)習(xí)的有效性。

2.3.1 聲波測速實驗的設(shè)計思路

在聲波測速實驗中，首先要對儀器器材進行三維建模，利用三維動畫技術(shù)增強模擬實驗的仿真效果，通過unity腳本來對實驗流程及可能出現(xiàn)的情況進行相應(yīng)控制及提示。

2.3.2 聲波測速實驗的實現(xiàn)

該實驗在實現(xiàn)中考慮及需解決的問題：

⑴ 該實驗中物理器材的模型均由3dmax三維建模工具所實現(xiàn)，所以需要研究具體物理設(shè)備，以此來更好的制作模型的物理外觀、材質(zhì)、貼圖等。

⑵ 考慮到移動端僅依靠手指來進行操作的操作特點，需在模擬實驗中構(gòu)建合理精準(zhǔn)的物理碰撞系統(tǒng)，并通過unity腳本編寫算法，實現(xiàn)觸摸事件，以此來提高手指觸碰的精度，實現(xiàn)對器材的操作。

⑶ 示波器所顯示的波形圖由多個物理元件所控制，需要用靜態(tài)數(shù)據(jù)來存儲其控制參數(shù)，如振幅，相位等，以實現(xiàn)根據(jù)學(xué)習(xí)者所選擇的操作來動態(tài)生成波形曲線。

⑷ 虛擬實驗中由于屏幕大小所限，很多操作會產(chǎn)生儀器的連鎖反應(yīng)，為了全面地展示實驗的現(xiàn)象，對于儀器間的關(guān)聯(lián)反應(yīng)的展現(xiàn)可以采取多相機分屏處理的方法以實現(xiàn)全面展現(xiàn)的效果。

2.3.3 測試運行

在整個虛擬聲波測速實驗場景構(gòu)建完成之后，我們對該實驗進行了相應(yīng)的測試，即在移動終端安裝此app，并通過內(nèi)測賬號登入實驗平臺來進行測試。

通過該模擬實驗，學(xué)生清楚地了解到了聲波測速實驗的具體操作流程，明白了示波器、滾輪、游標(biāo)卡尺等基本器材的基本操作，對于不同操作會導(dǎo)致不同波形的變化也有所了解。學(xué)生們通過調(diào)節(jié)示波器，獲得頻率的均值，通過旋轉(zhuǎn)滾輪并觀察記錄波形圖峰值位置來測量波長。實驗操作界面如圖2所示。

3 虛擬實驗室app的實踐意義

在實踐教學(xué)中，利用虛擬實驗室app來輔助教學(xué)，實現(xiàn)“虛實結(jié)合”的實驗教學(xué)模式，并與傳統(tǒng)實驗教學(xué)相比較，得到以下結(jié)論：

3.1 虛擬實驗室app結(jié)合教學(xué)使得實驗教學(xué)成本顯著降低

虛擬實驗中使用到的設(shè)備是通過計算機構(gòu)建出來的虛擬物體，而且這些虛擬的儀器設(shè)備在使用過程中沒有任何損耗，所以虛擬實驗可以有效的節(jié)約實驗教學(xué)中的成本[7]。在實踐中，以虛擬實驗室app輔助教學(xué)，有效地減少了器材損壞過快，如：同樣新進的器材，采用虛實結(jié)合教學(xué)模式的器材使用次數(shù)可以達(dá)到傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式下使用次數(shù)的兩倍以上。

3.2 虛擬實驗室app輔助實驗教學(xué)有效提升了實驗教學(xué)的效率

傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，學(xué)生在課前預(yù)習(xí)時沒有以實驗器材作為參照，導(dǎo)致做實驗時的成功率不高，實驗教學(xué)沒有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)和效果。在“虛實結(jié)合”教學(xué)模式中，學(xué)生在進行虛擬實驗時不需要進行一些簡單的勞動操作，因此有更多的時間去觀察實驗本身的現(xiàn)象，回到現(xiàn)實實驗中，又因熟悉操作而大大提高了實驗的效率。同時，虛擬實驗室還充分利用計算機優(yōu)勢，實現(xiàn)手把手的教學(xué)，從而學(xué)習(xí)者能更完美的完成實驗研究的要求，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)和研究效率的提高[8]。

3.3 虛擬實驗室app的內(nèi)容全面，自由度高，可以更好地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生一定的探究能力

虛擬實驗室的開發(fā)時考慮到了學(xué)生常見的錯誤實驗操作，也加入了一些額外的實驗現(xiàn)象或結(jié)果供學(xué)生自由發(fā)揮。實踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生更想知道實驗失敗后的現(xiàn)象，虛擬實驗室app滿足了學(xué)生對錯誤實驗方法造成的實驗結(jié)果的好奇心，將驗證型實驗與探究型實驗有機結(jié)合，增加了學(xué)習(xí)樂趣，也避免了不必要的損耗，有助于開拓學(xué)生的想象力和創(chuàng)新能力。

3.4 結(jié)合虛擬實驗app的教學(xué)模式更具安全性

在相關(guān)物理實驗中，往往會存在一些較危險的實驗過程，只要學(xué)生在實驗中出現(xiàn)操作失誤，就會帶來一定的安全隱患。虛擬實驗室相比于傳統(tǒng)教學(xué)實驗安全性更高，在模擬實驗中，高危操作不會產(chǎn)生危險情況。實踐中，學(xué)生群體在虛擬實驗中經(jīng)歷過各種錯誤操作之后，回歸到現(xiàn)實之中進行操作時，其犯錯率減少至原先的8.3%。由此可見，虛擬實驗可以有效減少現(xiàn)實實驗中的危險性[9]。

3.5 虛擬實驗室app不受時空限制，有效地利用了學(xué)生的碎片化學(xué)習(xí)時間

在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)環(huán)境中，并不是每一個學(xué)生都能按照教師規(guī)定的實驗計劃完成任務(wù)。在對比實驗中，傳統(tǒng)實驗教學(xué)出現(xiàn)學(xué)生因?qū)嶒灂r間不夠?qū)е碌膶嶒灁?shù)據(jù)記錄不全的情況，實驗結(jié)果不盡如人意?；谖覈苿佣擞布O(shè)備的普及，移動端虛擬實驗室實現(xiàn)了真正的突破時空限制，學(xué)生可充分地利用各種碎片化時間，享受到隨時隨地學(xué)習(xí)相關(guān)實驗課程的便利，提高了學(xué)生對于物理實驗的學(xué)習(xí)效率。

3.6 缺點與不足

⑴ 虛擬實驗?zāi)壳皟H適用于個人獨立實驗，學(xué)生進行實驗時的團隊協(xié)作性不足，仍需在開發(fā)過程中增強具體實驗的團隊協(xié)作性。

⑵ 目前，虛擬實驗只能是輔助手段，還不能完全取代物理實驗。虛擬實驗的交互性也有待提升，學(xué)生在實驗過程中所遇到的問題不一定是開發(fā)實驗時所預(yù)估到的問題，因而未必及時獲得實驗幫助，需要在長期的測試及實踐過程中，總結(jié)實驗中學(xué)生所反饋的問題信息，提升移動虛擬實驗平臺的可靠性。

4 結(jié)束語

目前，移動學(xué)習(xí)的教學(xué)模式已經(jīng)被廣大學(xué)生用戶及教師接受，虛擬實驗平臺相較于傳統(tǒng)實驗教學(xué)也確實有著其獨特的優(yōu)勢。實踐證明，移動虛擬試驗平臺無論是用于翻轉(zhuǎn)課堂或是輔助具體實驗教學(xué)，都能有效地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，激發(fā)學(xué)生對于知識的探索熱情。

在未來的教學(xué)中，可以進一步擴大移動虛擬實驗平臺的教學(xué)應(yīng)用范圍，促進各行業(yè)實驗教學(xué)的多元化，并可結(jié)合更為先進的移動虛擬現(xiàn)實技術(shù)，來提升虛擬實驗的真實性、交互性。

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