李 鵬 李小強(qiáng) 文曉艷

（武漢理工大學(xué)理學(xué)院 湖北·武漢 430000）

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為理工科學(xué)生的必修課程，為滿足與時俱進(jìn)、與社會接軌的教學(xué)需求，采用線上教學(xué)的方式，[1-2]通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)替代實(shí)體實(shí)驗(yàn)，[3-5]實(shí)現(xiàn)包括放射性、高溫高壓等高危領(lǐng)域在內(nèi)的多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)，形成系統(tǒng)化、多樣化、前沿化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色，是目前虛擬實(shí)驗(yàn)教育改革的重點(diǎn)。

實(shí)踐教學(xué)不同于理論教學(xué)，傳統(tǒng)線上教學(xué)中“視頻直播+在線答疑”的方式無法讓學(xué)生深刻理解實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法，缺乏對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)。因此，基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，結(jié)合多種信息化手段，對線上實(shí)踐教學(xué)活動進(jìn)行有序監(jiān)管，是提升教學(xué)質(zhì)量的有效途徑。

1 基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為課前預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理三個部分。在傳統(tǒng)教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，學(xué)生可通過高?，F(xiàn)有教材、擴(kuò)展資料、教學(xué)視頻來進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，掌握基本的實(shí)驗(yàn)原理和操作步驟。高?；趯?shí)體實(shí)驗(yàn)儀器的相關(guān)資源，選取具有代表性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，配合教學(xué)過程中的視頻錄播、直播，可面向?qū)W生提供全虛擬在線實(shí)驗(yàn)操作。這一環(huán)節(jié)需要高校在前期有相關(guān)資源積累，研發(fā)經(jīng)費(fèi)的投入、研發(fā)公司的水平和經(jīng)驗(yàn)等都將對虛擬實(shí)驗(yàn)的使用效果產(chǎn)生直接影響。學(xué)生通過對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中所測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，形成對實(shí)驗(yàn)操作和后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程的完善理解。

2 基于信息化技術(shù)的線上教學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

線上教學(xué)的特點(diǎn)在于學(xué)生除上課時候的視頻直播和在線答疑外，教師無法準(zhǔn)確掌握學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作情況，因而無法針對學(xué)生的個體差異展開有針對性的指導(dǎo)。多方調(diào)研的結(jié)果顯示，由于缺乏有效的監(jiān)管機(jī)制，線上實(shí)踐教學(xué)過程中，預(yù)習(xí)和數(shù)據(jù)處理部分所提供的電子化試題存在大量答題抄襲、數(shù)據(jù)復(fù)制等現(xiàn)象，教學(xué)效果很難得到保障?；谛畔⒒夹g(shù)的線上教學(xué)體系旨在解決常見在線實(shí)踐教學(xué)模式的弊端，為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)處理結(jié)果提供科學(xué)客觀的評價體系。

2.1 課前預(yù)習(xí)

課前預(yù)習(xí)是保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的先決條件，在無法保障師生當(dāng)堂交流的前提下，預(yù)習(xí)質(zhì)量的好壞直接影響學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的掌握。在提供和虛擬實(shí)驗(yàn)相配套的相關(guān)教材、音頻、視頻等預(yù)習(xí)資源基礎(chǔ)上，區(qū)別于傳統(tǒng)的固定試題或是手工抄寫實(shí)驗(yàn)報告的方案，采用電子化的在線預(yù)習(xí)測試系統(tǒng)可顯著強(qiáng)化學(xué)生的預(yù)習(xí)效果。預(yù)習(xí)測試系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)教師結(jié)合在線教學(xué)的實(shí)際情況、實(shí)驗(yàn)課程的物理原理和操作過程等，形成一套和實(shí)驗(yàn)過程息息相關(guān)的預(yù)習(xí)題庫（客觀題）。系統(tǒng)在課前給每位學(xué)生分配隨機(jī)的試題和選項(xiàng)，不同學(xué)生的將面對完全不同的預(yù)習(xí)試題。學(xué)生在提交選項(xiàng)后系統(tǒng)自動批閱并給出預(yù)習(xí)分?jǐn)?shù)，在提高評閱準(zhǔn)確率、提高評閱效率的同時，能敦促學(xué)生認(rèn)真預(yù)習(xí)。

2.2 實(shí)驗(yàn)操作

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)利用計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)構(gòu)建虛擬的實(shí)驗(yàn)場景，重現(xiàn)和實(shí)體操作一致的實(shí)踐體驗(yàn)，是信息化教育改革的發(fā)展方向。長期以來，高校在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)中本著“虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)、以虛促實(shí)”的宗旨，逐步推進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺的發(fā)展進(jìn)程。

大部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)從靜態(tài)素材、程序腳本、3D 建模、貼圖渲染、動畫制作到實(shí)驗(yàn)階段設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等已經(jīng)有了非常成熟的開發(fā)流程，以國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺為例，平臺提供了大量精品示范虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)精巧，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，受到社會各界的一致好評，也為高校間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源的建設(shè)提供了相互之間借鑒交流的平臺。

值得注意的是，大部分虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于如何繪聲繪色地模擬實(shí)驗(yàn)過程，讓用戶獲得身臨其境的參與體驗(yàn)，而對于高校實(shí)踐教學(xué)的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)而言，缺乏對學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果的監(jiān)督。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)的操作過程中，使用同樣的虛擬設(shè)備，以同樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑閷?dǎo)向，所測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很可能大同小異。這就導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)的獲取途徑上存在復(fù)制他人測量結(jié)果的可能性。為此，基于信息化技術(shù)可在虛擬實(shí)驗(yàn)操作過程中對學(xué)生進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化要求，敦促學(xué)生認(rèn)真完成虛擬實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生通過線上實(shí)踐教學(xué)能掌握實(shí)際實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法和測量手段，科學(xué)客觀地評價學(xué)生的操作過程。

具體手段主要有：

（1）在學(xué)生進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)時分配隨機(jī)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，即在實(shí)驗(yàn)設(shè)備允許的范圍內(nèi)，為學(xué)生制定差異化的測量目標(biāo)。以常見實(shí)驗(yàn)“補(bǔ)償法測電阻”為例，可以為不同學(xué)生指定從1-1000范圍的隨機(jī)測量任務(wù)，確保每個學(xué)生自己動手，在對儀器使用步驟和實(shí)驗(yàn)原理都完全掌握的前提下，完成系統(tǒng)分配的測量目標(biāo)，這種方式能培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立動手實(shí)踐和思考能力。

（2）充分利用虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢，在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中，賦予每個虛擬測量儀器不同（一定范圍內(nèi)隨機(jī)）的測量誤差。這種方式一方面能強(qiáng)化學(xué)生對測量誤差的理解，也能為后續(xù)甄別學(xué)生測量結(jié)果的有效性提供可靠的憑據(jù)。

（3）在傳統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中基于學(xué)生操作時長、操作步驟的評價體系基礎(chǔ)上進(jìn)一步延伸，根據(jù)差異化實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、儀器誤差等關(guān)鍵參數(shù)對學(xué)生測量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動評價。學(xué)生可隨時自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提交后系統(tǒng)實(shí)時批改給出操作分?jǐn)?shù)。在提升教學(xué)效率的同時，減少任課教師憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行主觀判斷產(chǎn)生的評價誤差，相較于傳統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下的操作評價體系更加科學(xué)、客觀、公正、合理。

2.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理是科研人員必備的技能，也是實(shí)踐教學(xué)過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)之一。一直以來，無論是傳統(tǒng)的實(shí)體儀器實(shí)驗(yàn)還是虛擬仿真線上實(shí)驗(yàn)，對學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果都難以形成高效準(zhǔn)確的判定方法。根據(jù)對幾家大型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)企業(yè)的調(diào)研，許多仿真實(shí)驗(yàn)在同一實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)下所測得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別很小甚至完全一致，而由于數(shù)據(jù)處理計(jì)算量較大，任課教師很難逐一核算學(xué)生的計(jì)算結(jié)果，相當(dāng)一部分學(xué)生在數(shù)據(jù)處理過程中直接抄襲、或根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容偽造數(shù)據(jù)處理結(jié)果。另一方面，許多高校采用學(xué)生手寫紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報告或WORD 實(shí)驗(yàn)報告在線提交等方式，考察學(xué)生實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理能力，這也在一定程度上為學(xué)生之間互相參考借鑒提供了便利。這種現(xiàn)象導(dǎo)致不少學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的過程缺乏足夠的理解和認(rèn)知，也不利于建立和培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的實(shí)驗(yàn)精神。

利用信息化技術(shù)，針對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行深入研發(fā)，在一舉解決上述弊端的同時，還能推廣應(yīng)用于實(shí)體教學(xué)及其他相關(guān)領(lǐng)域。

具體手段有：

（1）采用在線實(shí)驗(yàn)報告的形式，以網(wǎng)頁的形式呈現(xiàn)待處理的內(nèi)容。學(xué)生登錄后網(wǎng)頁直接讀取學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中所測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，敦促學(xué)生務(wù)必在自己測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

（2）學(xué)生提交報告后，在線實(shí)驗(yàn)報告根據(jù)學(xué)生所測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)處理的結(jié)果（客觀題部分）進(jìn)行驗(yàn)算，根據(jù)處理結(jié)果與參考答案之間的誤差范圍、有效數(shù)字、單位等情況綜合評價，給出客觀題得分。這種方式不再需要教師參與客觀題的批閱過程，極大地提高了線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中批閱實(shí)驗(yàn)報告的效率和準(zhǔn)確率，從根本上杜絕了學(xué)生抄襲、偽造數(shù)據(jù)處理結(jié)果的行為。

（3）在線實(shí)驗(yàn)報告除客觀題外，適當(dāng)設(shè)立主觀題部分，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理的過程主動思考，強(qiáng)化學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理、儀器操作及數(shù)據(jù)處理的理解，激發(fā)學(xué)生的求知欲和實(shí)驗(yàn)探索的興趣。

3 結(jié)語

可以預(yù)見，基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的線上教學(xué)在高校實(shí)踐教學(xué)過程中將發(fā)揮重要作用，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于信息化技術(shù)的線上教學(xué)模式能對教學(xué)活動的秩序提供強(qiáng)有力的監(jiān)管，有效提升教學(xué)效率和質(zhì)量。結(jié)合監(jiān)管模式的虛擬實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)在實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的熱情和興趣、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量和能力都有了明顯提升。

這種線上教學(xué)的監(jiān)管模式同樣也適用于實(shí)體實(shí)踐教學(xué)中，通過完善的預(yù)習(xí)-操作（隨機(jī)指定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)/實(shí)體儀器實(shí)驗(yàn)/當(dāng)堂在線錄入操作數(shù)據(jù)）-報告的全信息化實(shí)驗(yàn)流程，在同樣提高實(shí)驗(yàn)效率、教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，以全數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)報告形式取代傳統(tǒng)的紙質(zhì)報告，省去了實(shí)驗(yàn)報告遞交、分發(fā)的繁瑣過程，一舉解決了紙質(zhì)報告易遺失、難保存等問題，隨時快速查閱歷史報告。在此基礎(chǔ)上，基于信息化技術(shù)可進(jìn)一步構(gòu)建數(shù)據(jù)分析平臺，通過相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法清晰、準(zhǔn)確地調(diào)整實(shí)踐教學(xué)方向和側(cè)重點(diǎn)，加強(qiáng)教師對教學(xué)進(jìn)度、教學(xué)難點(diǎn)的把控，做到有的放矢，加速推進(jìn)學(xué)科發(fā)展。