石瑛 呂桓林

(大連工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)部 遼寧 大連 116034)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是高等理工科院校必修的一門重要基礎(chǔ)課，是所有理工科學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后最早開(kāi)設(shè)的一門比較系統(tǒng)、全面的實(shí)驗(yàn)課程．隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)也在發(fā)生著深刻的變化．傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在著嚴(yán)重的不足，例如，學(xué)生人數(shù)多導(dǎo)致排課困難，實(shí)驗(yàn)儀器更新快導(dǎo)致增補(bǔ)困難，由于場(chǎng)地不足導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室建設(shè)滯后，教學(xué)方法單一導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性，這些亟待解決的問(wèn)題使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)．因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須要進(jìn)行全面徹底的改革和創(chuàng)新．隨著虛擬技術(shù)的發(fā)展成熟，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)本著以學(xué)生為中心，教學(xué)相長(zhǎng)，可以提高學(xué)生參與化、趣味化、體驗(yàn)化、實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)；可以讓以往做不到、做不好、做不了、做不上的實(shí)驗(yàn)成為現(xiàn)實(shí)；可以擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度、延伸教學(xué)的時(shí)間和空間、打破理論課堂與實(shí)踐教學(xué)傳統(tǒng)壁壘，顯著提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平，從而得到全國(guó)很多高校的廣泛應(yīng)用[1～4]．

然而，紙上得來(lái)終覺(jué)淺，教學(xué)改革不能只停留在理念上，更重要的是著手去做．本文在大連工業(yè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，充分考慮我校學(xué)生自身的發(fā)展需要，結(jié)合不同專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，重視學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，去探索大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的道路，最大程度地發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的作用，從而完成交互性、開(kāi)放性、啟發(fā)性和自然、靈活、安全、高效的人性化教學(xué)過(guò)程．

1 我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)情況

大連工業(yè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，面向全校40個(gè)本科專業(yè)開(kāi)設(shè)6門實(shí)驗(yàn)課程，每學(xué)年約有2 000人上物理實(shí)驗(yàn)課．自2014年起，為適應(yīng)新時(shí)代學(xué)生需要，利用網(wǎng)絡(luò)的普及和信息技術(shù)發(fā)展，通過(guò)制作教學(xué)視頻、PPT以及思考題，開(kāi)出包括12個(gè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、8個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)、3個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，以及實(shí)驗(yàn)緒論課．根據(jù)《教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》(教高廳〔2017〕4號(hào))精神，我校積極開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，并獲批遼寧省大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心．經(jīng)過(guò)多年建設(shè)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心取得了一些成績(jī)．在硬件方面:(1)中心建立了專用服務(wù)器組，由2臺(tái)IBM專業(yè)服務(wù)器組成；(2)校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，可以提供免費(fèi)上網(wǎng)環(huán)境；(3)學(xué)校公用的大型機(jī)房，為沒(méi)有電腦的學(xué)生提供上機(jī)條件；(4)中心目前建立了3個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，均配備了電腦等設(shè)備，并對(duì)學(xué)生開(kāi)放了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，如圖1所示．在軟件方面,實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心擁有:(1)大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心門戶網(wǎng)站系統(tǒng)；(2)基于組件的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；(3)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)與自動(dòng)判卷系統(tǒng)；(4)物理實(shí)驗(yàn)交互系統(tǒng)．借助安徽某公司雄厚的技術(shù)研發(fā)實(shí)力和良好的產(chǎn)學(xué)研合作平臺(tái)，利用優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程建成了線上線下、虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源體系．

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室

2 基于虛擬仿真平臺(tái)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

2.1 開(kāi)展虛擬仿真教學(xué)的準(zhǔn)備工作

2019年1月，由大連工業(yè)大學(xué)物理教研室教師團(tuán)隊(duì)編寫的《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》中，編入了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)學(xué)生以及教師的網(wǎng)站登錄方式和使用方法，介紹了目前平臺(tái)擁有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目．虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含41個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，分別涵蓋了電磁學(xué)(3個(gè))、光學(xué)(10個(gè))、電學(xué)(12個(gè))、近代物理學(xué)(4個(gè))、熱學(xué)(5個(gè))、力學(xué)實(shí)驗(yàn)(7個(gè))．實(shí)驗(yàn)中心根據(jù)教學(xué)大綱設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，包括虛擬仿真實(shí)驗(yàn)大綱、實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)儀器、在線演示、實(shí)驗(yàn)作業(yè)等，學(xué)生可以登錄仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)在線獨(dú)立完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)．

實(shí)驗(yàn)中心為了開(kāi)出虛擬實(shí)驗(yàn)，首先購(gòu)買了一體機(jī)電腦，解決了學(xué)生上虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)備問(wèn)題．其次，完成實(shí)驗(yàn)室聯(lián)網(wǎng)工作．通過(guò)實(shí)驗(yàn)中心門戶網(wǎng)站進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方式有兩種，一種是網(wǎng)頁(yè)版，學(xué)生可以登錄進(jìn)行課前、課后的自主學(xué)習(xí)．一種是下載實(shí)驗(yàn)大廳，學(xué)生登錄后可以雙擊下載實(shí)驗(yàn)，通過(guò)鼠標(biāo)操作虛擬場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果．這兩種方式都需要聯(lián)網(wǎng)才可以操作．為了解決聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題，我校網(wǎng)絡(luò)信息中心提出在實(shí)驗(yàn)室安裝無(wú)線Access Point(AP)，既能節(jié)約空間又能保障教學(xué)的順利進(jìn)行．最后，為了能夠統(tǒng)計(jì)學(xué)生預(yù)習(xí)系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用情況，我們需要提前將學(xué)生學(xué)號(hào)名單導(dǎo)入到仿真系統(tǒng)平臺(tái)．但由于學(xué)校內(nèi)網(wǎng)限制，外網(wǎng)無(wú)法進(jìn)入內(nèi)網(wǎng)直接更改服務(wù)器信息，學(xué)生名單需經(jīng)過(guò)學(xué)校相關(guān)教師加入到服務(wù)器中．由于每學(xué)年都需要進(jìn)行升級(jí)維護(hù)更新學(xué)生名單，否則學(xué)生只能使用公用賬號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)學(xué)習(xí)，這將極大地降低預(yù)習(xí)系統(tǒng)的監(jiān)控性，針對(duì)這一問(wèn)題，我們期待學(xué)校在展開(kāi)多個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以后，能夠建立與安徽某公司的長(zhǎng)期合作，開(kāi)放部分服務(wù)器維護(hù)功能．在前期工作準(zhǔn)備期間，實(shí)驗(yàn)中心還通過(guò)DPU物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和奔跑吧DPU物理君微信公眾號(hào)以及多個(gè)QQ群等方式對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行宣傳，并面向全校學(xué)生開(kāi)放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)公用賬號(hào)．

2.2 虛擬仿真教學(xué)的實(shí)施過(guò)程

第一批進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)生是我校藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院藝術(shù)與科技專業(yè)學(xué)生．藝術(shù)與科技專業(yè)，秉承著人類知識(shí)是統(tǒng)一的整體，學(xué)科之間存在一定的聯(lián)系，將各種學(xué)科在知識(shí)背景、思維方法、學(xué)習(xí)能力、技能操作等方面的教育相互補(bǔ)充、融合和貫通，來(lái)促進(jìn)學(xué)生思維方式的多元化、知識(shí)掌握的綜合化，從而培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)造精神和實(shí)踐能力．對(duì)于這樣一批極具專業(yè)性的學(xué)生，物理實(shí)驗(yàn)中心充分考慮學(xué)生本身的特點(diǎn)，以及對(duì)于該專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)物理實(shí)驗(yàn)的目的，我們按照藝術(shù)創(chuàng)造過(guò)程應(yīng)遵循的開(kāi)放式原則，為學(xué)生提供了綜合性現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)以及基礎(chǔ)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)兩部分物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容．實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于綜合性物理實(shí)驗(yàn)，由于所需要的基礎(chǔ)知識(shí)內(nèi)容比較多，教師講解過(guò)程較長(zhǎng)，學(xué)生表現(xiàn)出的興趣不多，也沒(méi)有熱衷于完成實(shí)驗(yàn)得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果．而在基礎(chǔ)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生表現(xiàn)出躍躍欲試的積極性，普遍表示更容易接受仿真實(shí)驗(yàn)形式．對(duì)于仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在平臺(tái)操作實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，會(huì)主動(dòng)將遇到的問(wèn)題及時(shí)咨詢?nèi)握n教師，與大家一起討論，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，參與度很高．

在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中，學(xué)生被要求課前完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、課上認(rèn)真聽(tīng)實(shí)驗(yàn)講解、最后完成實(shí)驗(yàn)并給出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論．經(jīng)過(guò)此次實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)，在這一過(guò)程中，我們往往忽略了學(xué)生的體驗(yàn)感受，忽略了給學(xué)生提供思考的時(shí)間和空間，從而導(dǎo)致以往成績(jī)?cè)u(píng)定仍主要看實(shí)驗(yàn)的結(jié)果而定，輕過(guò)程而重結(jié)果的傾向十分明顯．提高學(xué)生的整體素質(zhì)和綜合能力必須重視學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)允許失敗，實(shí)驗(yàn)教學(xué)既是學(xué)習(xí)的過(guò)程也是探索的過(guò)程，沒(méi)有哪個(gè)實(shí)驗(yàn)一定會(huì)百分百成功，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了這樣的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生能夠大膽地動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，而不用擔(dān)心因?yàn)閷?shí)驗(yàn)操作不當(dāng)而損壞儀器．這不但能激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，還可以啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的過(guò)程認(rèn)知、過(guò)程運(yùn)作、過(guò)程表現(xiàn)，在過(guò)程中促進(jìn)各方面能力成長(zhǎng)，獨(dú)立思維能力、解決問(wèn)題能力、表達(dá)溝通能力、合作能力等．

接下來(lái)，實(shí)驗(yàn)中心按照大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，對(duì)我校理工專業(yè)的學(xué)生開(kāi)設(shè)了虛擬仿真輔助教學(xué)的3個(gè)實(shí)驗(yàn)．分別是密立根油滴實(shí)驗(yàn)(如圖2)、落球法測(cè)定液體在不同溫度的黏度以及演示物理實(shí)驗(yàn)的VR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)．由于所開(kāi)設(shè)的前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)皆為操作簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，而基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)注重物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)的學(xué)習(xí)，物理原理的理解以及基本科學(xué)實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)．我們所采取的方法是，學(xué)生在課前進(jìn)行簡(jiǎn)單預(yù)習(xí)后，在課堂上經(jīng)過(guò)任課教師簡(jiǎn)單的啟發(fā)，自主使用電腦在虛擬仿真平臺(tái)上按步驟開(kāi)始虛擬實(shí)驗(yàn)，并隨時(shí)向任課教師提出所遇到的問(wèn)題，及時(shí)解決問(wèn)題并完成虛擬實(shí)驗(yàn)，然后再回到實(shí)際操作中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．在這一過(guò)程中，教師將主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，讓學(xué)生自己探索，完成一個(gè)完整實(shí)驗(yàn)需要做的是什么，包括實(shí)驗(yàn)儀器的了解以及實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理，熟知實(shí)驗(yàn)步驟，最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證原理的正確性．而教師將原本對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、過(guò)程的講解調(diào)整為對(duì)實(shí)驗(yàn)背景和歷史的引入，在增加學(xué)生興趣的同時(shí)開(kāi)展“課程思政”建設(shè)，將科學(xué)素養(yǎng)與人文精神有機(jī)結(jié)合，將思政元素巧妙的融入，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大學(xué)生的思想教育．以密立根油滴實(shí)驗(yàn)為例，作為最美物理實(shí)驗(yàn)之一，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的方法是十分美麗的，但實(shí)驗(yàn)背后，不管是密立根是否對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化，還是他的學(xué)生哈維·福萊柴爾最終如何成了“立體聲之父”，都讓學(xué)生了解到，學(xué)習(xí)的過(guò)程并不止于對(duì)知識(shí)的獲取，還應(yīng)該具備對(duì)科學(xué)的忠誠(chéng)以及對(duì)事實(shí)的認(rèn)可態(tài)度．通過(guò)正確、嚴(yán)格、系統(tǒng)的引領(lǐng)，學(xué)生從單一的被動(dòng)接受者轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)驗(yàn)創(chuàng)造者和設(shè)計(jì)者，自己去探索并掌握實(shí)驗(yàn)研究的方法和技巧，更重要的是，可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度、探索精神和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，從而為后繼課程的學(xué)習(xí)以及培養(yǎng)獨(dú)立工作能力和創(chuàng)新能力打好廣闊、寬厚的基礎(chǔ)．

圖2 密立根油滴實(shí)驗(yàn)

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的反饋

實(shí)驗(yàn)中心在開(kāi)展虛擬仿真教學(xué)改革的同時(shí)，以問(wèn)卷形式隨時(shí)收集學(xué)生的反饋意見(jiàn)，經(jīng)過(guò)整理，學(xué)生普遍反映虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有著這樣的優(yōu)點(diǎn)：能夠更好地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，復(fù)制實(shí)驗(yàn)環(huán)境；更加直觀了解實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，更加獨(dú)立地操作實(shí)驗(yàn)儀器，在實(shí)際操作中更加熟練的使用儀器，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器起到良好的保護(hù)作用；比較實(shí)用，對(duì)學(xué)生比較友好，有了更多的容錯(cuò)率，可以進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)；相對(duì)更安全、更容易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確，效率高．同時(shí)，學(xué)生也反映了目前使用虛擬仿真平臺(tái)所遇到的困難：缺少實(shí)際實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)錯(cuò)誤操作的后果，實(shí)際可能遇到的問(wèn)題仿真實(shí)驗(yàn)中不會(huì)出現(xiàn)；沒(méi)有以往老師演示的直觀，視頻指導(dǎo)步驟進(jìn)行太快；與傳統(tǒng)教師直接授課相比，產(chǎn)生距離感，沒(méi)有直接觸摸設(shè)備的舒適感；功能鍵有重疊，有延時(shí)，操作不靈活，反應(yīng)不夠靈敏，容易卡機(jī)；使用說(shuō)明過(guò)于簡(jiǎn)單，操作與操作指示說(shuō)明分屏，不便于邊看邊操作等．從學(xué)生的反饋來(lái)看，學(xué)生普遍能夠接受新的教學(xué)方式，也樂(lè)于使用新的學(xué)習(xí)方法，但虛擬仿真實(shí)驗(yàn)所存在的問(wèn)題不容忽視，隨著虛擬技術(shù)的成熟，實(shí)驗(yàn)中心在今后的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)中，應(yīng)嚴(yán)格把控虛擬實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，從而提升學(xué)生的體驗(yàn)感．

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革不僅僅改變了學(xué)生的認(rèn)知以及學(xué)習(xí)方式，對(duì)授課教師也提出了挑戰(zhàn)．實(shí)驗(yàn)中心在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)期間，多次派出任課教師參加高等學(xué)校虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教育應(yīng)用研討會(huì)，學(xué)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的經(jīng)驗(yàn)．任課教師在深刻了解虛擬教學(xué)意義的同時(shí)，更新教學(xué)理念，重組教學(xué)內(nèi)容，在做中學(xué)、建中改、不斷調(diào)整教學(xué)方法．為了切實(shí)提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)中心在持續(xù)虛擬教學(xué)改革時(shí)，要結(jié)合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，對(duì)課程設(shè)置、培養(yǎng)方案設(shè)計(jì)有整體的把握，合理地制定計(jì)劃，一步一步分期建設(shè)，做到邊建設(shè)邊使用，邊使用邊完善．

3 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最終目的不是為了使用仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也不是為了翻新教學(xué)活動(dòng)，而是打破封閉的教學(xué)局面，建立一種師生合作的開(kāi)放式教學(xué)體系，培養(yǎng)更多適應(yīng)社會(huì)需要的應(yīng)用型人才．

在疫情影響的今天，高校延期開(kāi)學(xué)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)面臨著如何進(jìn)行線上教學(xué)的困境．為響應(yīng)教育部號(hào)召，停課不停學(xué)、不停教，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革給各所高校提供了思路．東北大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，為學(xué)生打造了“MOOC看實(shí)驗(yàn)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)+在家動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)”的全新在線教學(xué)模式．我校物理實(shí)驗(yàn)中心也將借鑒多所高校的經(jīng)驗(yàn)，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，積極開(kāi)展線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不斷地完善和發(fā)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革．