王 露 魯廣鐸

（三峽大學(xué)理學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 引言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程作為大學(xué)生步入大學(xué)后接觸到的第一門基礎(chǔ)性實(shí)踐課程，在培養(yǎng)學(xué)生動手能力和探究意識上具有不可替代的作用[1]。但從當(dāng)前的教學(xué)現(xiàn)狀來看，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過多，設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)過少，更沒有涉及基于智能移動終端和生活中常用器材的自主探索實(shí)驗(yàn)。

在信息化時代，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的改革勢在必行，需要革新教學(xué)形式、教學(xué)方法、教學(xué)平臺[2]。特別是在2020年年初（抗疫期間），傳統(tǒng)的線下教學(xué)形式已不能保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利展開，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革顯得異常重要。為此，不同高校采取了不同的方式，有的等學(xué)生返校后再開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有的開展了全線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，有的開展了“宅家探索實(shí)驗(yàn)”。為落實(shí)教育部的要求，三峽大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)示范中心根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)自身獨(dú)特的課程性質(zhì)，積極探索，啟動了“居家自主探索實(shí)驗(yàn)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”這種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

1 新教學(xué)模式的運(yùn)用

我校物理實(shí)驗(yàn)示范中心常規(guī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生先對照課本預(yù)習(xí)，再網(wǎng)上預(yù)約實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和時間，然后按照預(yù)約在實(shí)驗(yàn)室完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

自主探索實(shí)驗(yàn)是指利用智能移動終端或者身邊的裝置和材料搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，解決或驗(yàn)證某個物理問題[3]；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有形象逼真的操作環(huán)境和豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，其嚴(yán)格的評判標(biāo)準(zhǔn)利于學(xué)生掌握儀器操作[4]。

為體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，切實(shí)提高學(xué)生的動手能力，疫情期間，我校物理實(shí)驗(yàn)示范中心推出了基于智能手機(jī)和phy.phox軟件的一系列自主探索實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在家利用身邊的條件，完成物理量的測量和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。利用智能手機(jī)內(nèi)置的傳感器再配合phy.phox軟件可以實(shí)現(xiàn)力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等多種物理參數(shù)的測量。首批推出的實(shí)驗(yàn)包括：利用單擺測重力加速度，利用多普勒效應(yīng)測速度，利用光柵衍射測波長等。學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)際情況和課時從中選擇2～3個實(shí)驗(yàn)，2～3周內(nèi)完成，完成后提交數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告，以及相關(guān)的照片視頻，指導(dǎo)教師對學(xué)生的數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)過程的真實(shí)性和完整性進(jìn)行評判、評分。一部手機(jī)，一把尺子，一個硬幣，家里的電風(fēng)扇和桌子都搖身一變成了實(shí)驗(yàn)器材，既鍛煉了學(xué)生的動手能力，又能讓學(xué)生體會到物理學(xué)無處不在，提高了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

經(jīng)過綜合比較，我校物理實(shí)驗(yàn)示范中心選擇了科大奧銳科技有限公司的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺，根據(jù)不同學(xué)時的課程向?qū)W生布置了和常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)名稱一致的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，包括長度與固體密度測量、示波器實(shí)驗(yàn)、分光計(jì)實(shí)驗(yàn)等共計(jì)15個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生通過電腦可完成和實(shí)體實(shí)驗(yàn)一樣的操作，有很強(qiáng)的互動性和逼真性，虛擬實(shí)驗(yàn)不受時間空間限制，可多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作直至完全掌握，系統(tǒng)自動對操作步驟和所測數(shù)據(jù)進(jìn)行評判，給出操作分?jǐn)?shù)，學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告由教師人工評閱。

自主探索實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，一實(shí)一虛，優(yōu)勢互補(bǔ)，一個體現(xiàn)物理思想，培養(yǎng)學(xué)生動手能力，一個體現(xiàn)操作的標(biāo)準(zhǔn)化和測量的準(zhǔn)確性，兩者結(jié)合最大程度實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在開展的以“居家自主探索實(shí)驗(yàn)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”這種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的教學(xué)中，有約4 000人完成了自主探索實(shí)驗(yàn)，近2 800人完成了規(guī)定的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真項(xiàng)目使用達(dá)5萬人次，上交電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告近15 000份。

2 新教學(xué)模式的優(yōu)缺點(diǎn)

通過一學(xué)期“居家自主探索實(shí)驗(yàn)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”新模式的教學(xué)，它與傳統(tǒng)教學(xué)模式凸顯出一些優(yōu)點(diǎn)：

（1）打破傳統(tǒng)的單一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式和教學(xué)平臺，使得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、形式更為豐富多彩，實(shí)驗(yàn)教學(xué)更有彈性，在特殊情況下也能開展高效的教學(xué)活動，而不降低培養(yǎng)質(zhì)量；（2）自主探索實(shí)驗(yàn)會激發(fā)學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的興趣和好奇心，促使學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識，提高獨(dú)立思考及分析問題和解決問題的能力；（3）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供開放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，不局限于固定場合和固定時間，學(xué)生可隨時、多次做實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)充了學(xué)習(xí)時間空間容量，而線上豐富的實(shí)驗(yàn)資源也有利于學(xué)生熟練掌握儀器操作，進(jìn)行全方位的知識點(diǎn)訓(xùn)練。

在一學(xué)年的“居家自主探索實(shí)驗(yàn)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”后又進(jìn)行了一學(xué)年的線下常規(guī)教學(xué)，發(fā)現(xiàn)“探索實(shí)驗(yàn)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”模式除了以上優(yōu)點(diǎn)外，也存在不足：

自主探索實(shí)驗(yàn)范圍廣泛，但實(shí)驗(yàn)選題受實(shí)驗(yàn)條件及材料的限制具有一定的局限性；實(shí)驗(yàn)過程中不能隨時指導(dǎo)從而影響學(xué)生積極性；探索的深度需要花費(fèi)學(xué)生和教師大量的時間和精力；不同專業(yè)對探索實(shí)驗(yàn)的側(cè)重點(diǎn)選取需要指導(dǎo)教師具備一定的專業(yè)知識。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目豐富，每一個實(shí)驗(yàn)都可反復(fù)操作，但虛擬儀器畢竟是虛擬儀器，學(xué)生的鼠標(biāo)操作不能代表他們的動手能力，從現(xiàn)實(shí)的客觀反映，只進(jìn)行線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的新生，在后續(xù)的線下實(shí)操實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出對基本實(shí)驗(yàn)中的基本儀器的生疏以及對儀器調(diào)節(jié)的吃力感。所以，“居家自主探索實(shí)驗(yàn)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”和常規(guī)實(shí)驗(yàn)線下實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來才能更好的實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)課程的培養(yǎng)目標(biāo)。

3 新教學(xué)模式的思考與優(yōu)化

“居家自主探索實(shí)驗(yàn)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在特定時期體現(xiàn)了它的使命和優(yōu)點(diǎn)，鍛煉了學(xué)生的動手能力，提供了學(xué)生探索實(shí)現(xiàn)的方法途徑，也激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，但還要深入研究什么樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)，以前作為輔助教學(xué)手段的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)馨l(fā)揮多大的效能，是否需要將自主探索實(shí)驗(yàn)列入將來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃。

在新的教學(xué)模式下，自主探索實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的選擇還需要在以下三方面進(jìn)行優(yōu)化和完善。

（1）自主探索實(shí)驗(yàn)的選擇及其和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)對高校學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系。自主探索實(shí)驗(yàn)以動手操作為主，以解決問題、掌握實(shí)驗(yàn)方法和物理實(shí)驗(yàn)思想為主，不追求高精度測量，是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新方式；那什么樣的自主探索實(shí)驗(yàn)?zāi)芴娲Ｒ?guī)教材的部分內(nèi)容，達(dá)到課程的培養(yǎng)目標(biāo)；（2）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的選擇，如何跟線下實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，線上資源的建立、運(yùn)用和完善。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)利用信息技術(shù)完成的實(shí)驗(yàn)畢竟不能完全替代實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作，如何選擇合適的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，如何和線下實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合才能使學(xué)生更深刻的掌握實(shí)驗(yàn)，并理解對應(yīng)的物理原理；（3）教學(xué)效果反饋和學(xué)生學(xué)習(xí)成績評價機(jī)制的建立和完善。自主探索實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)效果如何，是否有必要在將來繼續(xù)保持這種教學(xué)方式，需要對其教學(xué)效果進(jìn)行評價和反饋。

2021年春季學(xué)期，我校物理實(shí)驗(yàn)示范中心根據(jù)在2020年春季“居家自主探索實(shí)驗(yàn)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”中積累的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，推出了“線上+線下”物理實(shí)驗(yàn)一流課程的建設(shè)，在試點(diǎn)班充分利用多樣化的教學(xué)平臺，開展了多種形式的教學(xué)和課堂互動，探索新時代下最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和評價機(jī)制，為大規(guī)模推廣積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)語

無論以哪種形式的模式開展大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，都是為了更大程度地提高學(xué)生對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，提高知識傳授效率，提升教學(xué)效果，為此高校要充分利用現(xiàn)代新技術(shù)、新方法、新設(shè)備，開拓物理實(shí)驗(yàn)新的教學(xué)方法、手段和平臺，使教學(xué)方法多樣化，和時代緊密結(jié)合，夯實(shí)學(xué)生的“新工科”物理基礎(chǔ)。特殊時期的“居家自主探索實(shí)驗(yàn)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”這種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式促進(jìn)了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革。