張定梅 蔣再富 戴偉 侯蘭寶

摘要：為解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、設(shè)備老舊、臺(tái)套數(shù)等因素的限制，純虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不利于學(xué)生物理背景的理解和動(dòng)手能力的培養(yǎng)的問(wèn)題，構(gòu)建了虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，將實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、線下講解、線上線下操作、數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)報(bào)告融為一體，讓學(xué)生全方位、多維度理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過(guò)線下實(shí)操和線上虛擬的互動(dòng)，彌補(bǔ)了當(dāng)前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，并對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了優(yōu)化，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；虛實(shí)結(jié)合；學(xué)分制；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：O4-33 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1008-4657（2023）04-0091-06

0 ? ? ? ?引言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是大學(xué)理工科專業(yè)開設(shè)的一門公共基礎(chǔ)課程，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和動(dòng)手能力起著至關(guān)重要的作用。地方應(yīng)用型高校的儀器設(shè)備的數(shù)量、更新?lián)Q代率、設(shè)備的時(shí)效性制約了該門課程的教學(xué)，不利于應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)很多高校針對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)模式改革進(jìn)行了大量研究，取得了一定的成效［ 1-10 ］。近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)”的模式進(jìn)入了高校的視野。其中虛實(shí)結(jié)合、線上線下混合的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的研究是一個(gè)熱點(diǎn)。例如，姬鵬飛等［ 11 ］分析了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)劣勢(shì)問(wèn)題，優(yōu)化了虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。康小平等［ 12 ］提出了分層次、模塊化的虛實(shí)結(jié)合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。甘亮勤等［ 13 ］分析了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革必要性，提出網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與線下實(shí)踐相融的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。魏薇等［ 14 ］構(gòu)建了虛實(shí)結(jié)合的BOPPPS實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，顯著提高了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量。譚佐軍等［ 15 ］提出了虛擬仿真預(yù)習(xí)與開放實(shí)驗(yàn)室預(yù)習(xí)有機(jī)結(jié)合的新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和預(yù)習(xí)質(zhì)量。以上研究各有側(cè)重點(diǎn)，并結(jié)合自己的學(xué)校特點(diǎn)對(duì)虛實(shí)結(jié)合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了探索，但系統(tǒng)性和普適性不足。

1 ? ? ? 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困難

荊楚理工學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程在2017年就實(shí)施了選課制，并對(duì)全校理工科學(xué)生開放。課程總共48學(xué)時(shí)，3個(gè)學(xué)分，學(xué)生選課成功并確定班級(jí)后由一個(gè)教師上課。雖然選課制調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并促進(jìn)了各個(gè)專業(yè)的交流與融合，但在實(shí)際教學(xué)中也遇到了一些難題。

1.1 ? ? ? 選課制制約了分級(jí)教學(xué)

由于學(xué)生來(lái)自于不同的學(xué)院和專業(yè)，專業(yè)側(cè)重和學(xué)生基礎(chǔ)不盡相同，這給教學(xué)帶來(lái)了困難。由于選課前沒有進(jìn)行物理基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試，也沒有對(duì)學(xué)生進(jìn)行分級(jí)，學(xué)生隨機(jī)選定一個(gè)教學(xué)班級(jí)上課，無(wú)法對(duì)學(xué)生進(jìn)行分層、分級(jí)教學(xué)。雖然荊楚理工學(xué)院在制定教學(xué)大綱時(shí)已經(jīng)對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了分級(jí)，也對(duì)不同專業(yè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了區(qū)分和優(yōu)化，但選課制的實(shí)施阻礙了分級(jí)教學(xué)的推進(jìn)。

1.2 ? ? ? 設(shè)備老舊制約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足、老化也是制約傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵因素。荊楚理工學(xué)院的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多數(shù)的使用年限已經(jīng)超過(guò)五年，設(shè)備老化嚴(yán)重，臺(tái)套數(shù)也不足。加上最近幾年本科生數(shù)量的增加，實(shí)驗(yàn)中心已經(jīng)是超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，雖然進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室開放，但依然滿足不了學(xué)生的需求。特別是無(wú)法保證學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，導(dǎo)致很多學(xué)生在課內(nèi)時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)。其次，由于學(xué)生預(yù)習(xí)不充分，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中無(wú)法按照流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致儀器損壞。例如“分光計(jì)的調(diào)節(jié)及使用”實(shí)驗(yàn)，分光計(jì)鎖緊螺絲未打開就進(jìn)行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致誤差不斷增大，并且三棱鏡損壞也比較嚴(yán)重。再例如“電表的改裝及校準(zhǔn)”實(shí)驗(yàn)，學(xué)生未按照電路圖規(guī)范連接電路，導(dǎo)致短路燒壞電表或者電表指針打彎，這都給實(shí)際教學(xué)帶來(lái)了困擾。目前這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由于臺(tái)套數(shù)不足，已經(jīng)無(wú)法開出。

2 ? ? ? 純虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的不足

疫情期間，由于學(xué)生無(wú)法返校，我們使用某品牌的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行了線上教學(xué)。雖然學(xué)生按照要求完成了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但反饋回來(lái)的實(shí)驗(yàn)效果并不理想，主要表現(xiàn)在以下兩點(diǎn)。

2.1 ? ? ? 對(duì)實(shí)驗(yàn)的物理背景理解不深刻

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是在純虛擬的環(huán)境下進(jìn)行的，里面的實(shí)驗(yàn)儀器都是以三維動(dòng)畫的形式呈現(xiàn)，很多學(xué)生為了節(jié)省時(shí)間，在沒有預(yù)習(xí)的情況下就進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)操作，當(dāng)遇到不會(huì)操作的時(shí)候，學(xué)生就直接查看操作流程指導(dǎo)。沒有仔細(xì)體會(huì)物理實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，最后造成期末考核的時(shí)候?qū)x器不熟悉。

2.2 ? ? ? 對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力培養(yǎng)培養(yǎng)不足

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作實(shí)際上是靠學(xué)生點(diǎn)擊鼠標(biāo)完成的，與線下的實(shí)驗(yàn)操作存在差別。線下的實(shí)驗(yàn)操作主要由實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、理論講解、操作講解、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)構(gòu)成。學(xué)生在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中會(huì)遇到一些問(wèn)題，通過(guò)問(wèn)題的解決能夠加深對(duì)物理原理、實(shí)驗(yàn)裝置的理解。例如，在做“密里根油滴”實(shí)驗(yàn)時(shí)，落到油滴室里的油滴在顯示屏上會(huì)斜著運(yùn)動(dòng)，這時(shí)就要思考是不是試驗(yàn)儀器沒有調(diào)平或者CCD探頭的角度選得不合適。同時(shí)也會(huì)遇到有的油滴運(yùn)動(dòng)得很快，有的油滴運(yùn)動(dòng)得很慢，油滴怎樣選擇等問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)油滴帶的電荷和質(zhì)量都會(huì)影響油滴運(yùn)動(dòng)的速度。而這些問(wèn)題只有在實(shí)際操作過(guò)程中才能遇到，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)只設(shè)置了一些固定場(chǎng)景，無(wú)法完全再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，因此在動(dòng)手能力的培養(yǎng)方面有些欠缺。

3 ? ? ? 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式構(gòu)建

線下實(shí)驗(yàn)和線上虛擬各自的不足，但同時(shí)也有各自的優(yōu)勢(shì)：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟诰€進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，不受場(chǎng)地、時(shí)間的限制，在疫情期間發(fā)揮了較大的作用；而線下實(shí)驗(yàn)?zāi)苠憻拰W(xué)生的動(dòng)手能力，通過(guò)解決實(shí)驗(yàn)中遇到的難題來(lái)加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，提升了認(rèn)知水平，培養(yǎng)了探究能力。在荊楚理工學(xué)院學(xué)分選課制大環(huán)境下如何兼顧線上與線下教學(xué)，并針對(duì)學(xué)生進(jìn)行分層分級(jí)教學(xué)是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

我們通過(guò)對(duì)2021級(jí)全校理工類專業(yè)學(xué)生進(jìn)行試驗(yàn)，摸索了一套虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互動(dòng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，如圖1所示。

對(duì)于一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教師首先發(fā)布實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)通知，學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)里面進(jìn)行初步預(yù)習(xí)，了解基本實(shí)驗(yàn)原理和物理背景。接下來(lái)教師在課堂上進(jìn)行講解，詳細(xì)介紹實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟，并強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng)。學(xué)生可在線上先操作一次，了解實(shí)驗(yàn)的基本操作步驟，并將仿真中遇到的問(wèn)題記錄下來(lái)。再到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)操，解決仿真中的問(wèn)題，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，并記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)線上、線下操作都完成后便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)處理先在線上進(jìn)行，由于線上處理數(shù)據(jù)是靠軟件計(jì)算完成的，中間過(guò)程并不是很清楚。線下再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫，并將線上、線下處理的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最終完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的整個(gè)流程。

楊氏模的測(cè)定是荊楚理工學(xué)院新購(gòu)買的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，仿真系統(tǒng)包含實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、參考資料、實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)操作等模塊，學(xué)生可以在仿真系統(tǒng)中預(yù)習(xí)，熟悉實(shí)驗(yàn)原理，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)初步操作，并與線下操作進(jìn)行互動(dòng)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。學(xué)生首先登錄虛擬仿真系統(tǒng)熟悉實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)儀器，了解楊氏模量測(cè)定儀（包括砝碼、光杠桿、望遠(yuǎn)鏡、標(biāo)尺）的使用方法，掌握數(shù)據(jù)處理（固體楊氏模量公式、不確定度）的計(jì)算方法。然后教師進(jìn)行線下實(shí)驗(yàn)講解，內(nèi)容包括固體楊氏彈性模量的公式推導(dǎo)及計(jì)算方法、楊氏模量的物理背景、光杠桿的使用方法、望遠(yuǎn)鏡仰俯角的調(diào)節(jié)方法、標(biāo)尺的讀數(shù)及注意事項(xiàng)等，讓學(xué)生全方位了解實(shí)驗(yàn)原理和操作步驟。緊接著學(xué)生在線上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，遇到問(wèn)題時(shí)可詢問(wèn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師和實(shí)驗(yàn)員，掌握虛擬系統(tǒng)里面每個(gè)功能按鍵的使用和調(diào)節(jié)。然后結(jié)合線上操作遇到的問(wèn)題再進(jìn)行線下操作，其中光杠桿的調(diào)節(jié)要細(xì)致，仰俯角的細(xì)微的差別會(huì)影響標(biāo)尺在望遠(yuǎn)鏡中的讀數(shù)。其次，加砝碼的時(shí)候要按照順序加減，避免出現(xiàn)回程誤差。當(dāng)實(shí)驗(yàn)儀器調(diào)節(jié)好后，便可記錄數(shù)據(jù)。最后是處理數(shù)據(jù)，線上處理數(shù)據(jù)需要利用軟件進(jìn)行，雖然過(guò)程不直觀，但準(zhǔn)確度較高?？蓪⒕€上、線下結(jié)合，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)考核，我們采用虛擬仿真考核和線下操作考核相結(jié)合的形式進(jìn)行。其中虛擬仿真考核包含基礎(chǔ)原理測(cè)試題、數(shù)據(jù)處理題和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作題，占總成績(jī)的40％。同時(shí)線下也要進(jìn)行考核，一般是選取一個(gè)已經(jīng)做過(guò)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行，需要學(xué)生記錄數(shù)據(jù)并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并考查學(xué)生的操作情況，占總成績(jī)的60％。

我們也對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了優(yōu)化，如表1所示，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含了力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)中的內(nèi)容，并且分為驗(yàn)證性、綜合性和探究性實(shí)驗(yàn)。

結(jié)合我們現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器和虛擬仿真項(xiàng)目，設(shè)置了線下實(shí)驗(yàn)、虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。其中，包含七個(gè)線下實(shí)驗(yàn)，采用傳統(tǒng)的教學(xué)完成。六個(gè)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)，需要按照?qǐng)D1的教學(xué)模式進(jìn)行。三個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，只需在網(wǎng)上完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。由于目前只是虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索階段，沒有將所有項(xiàng)目設(shè)置為虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)，隨著條件成熟，我們將全面推廣。

4 ? ?虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果

每屆我們從全校理工科學(xué)生里面挑選12組參加湖北省大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新大賽，圖2給出了連續(xù)六屆的獲獎(jiǎng)情況。

由圖2可知，2022年我們實(shí)施虛實(shí)結(jié)合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)以后，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量明顯提高，可以看出，前五屆獲三等獎(jiǎng)以上數(shù)量基本上保持在3項(xiàng)左右，其他基本上是優(yōu)秀獎(jiǎng)。但是在實(shí)施了虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，獲獎(jiǎng)數(shù)量明顯增加。并且2022年獲得了一等獎(jiǎng)一項(xiàng)，由計(jì)算機(jī)學(xué)院的學(xué)生獲得，實(shí)現(xiàn)了荊楚理工學(xué)院參賽以來(lái)的大的突破。因此，采用虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互動(dòng)的教學(xué)模式，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量明顯提高了。

圖3展示了近五年該門課程學(xué)生評(píng)教的平均分和實(shí)驗(yàn)平均成績(jī)情況。

如圖3所示，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程采取虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式后，學(xué)生的平均分和學(xué)生的滿意度都有一定提高，2020年、2021年學(xué)生的平均成績(jī)有所下降，這主要是疫情期間有一半的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采取純虛擬仿真教學(xué)造成的，但在2022年實(shí)施新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式后，平均成績(jī)提高到了85分，說(shuō)明學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性有所提高。此外，從圖中學(xué)評(píng)教的平均分來(lái)看，采用新的模式教學(xué)后，雖然每名教師的授課有所差異，但學(xué)生的整體滿意度提高了。

5 ? ?總結(jié)

傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)受選課制、場(chǎng)地、設(shè)備、時(shí)間等因素的影響，純虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)也表現(xiàn)出物理背景理解不深刻，動(dòng)手能力欠缺等弊端，為了解決此問(wèn)題，我們提出了虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互動(dòng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。新模式是將實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、教師講解、線上操作、線下操作、線上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、線下實(shí)驗(yàn)報(bào)告有機(jī)融合，線上虛擬和線下實(shí)操進(jìn)行互動(dòng)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)和純虛擬教學(xué)的不足。此外，構(gòu)建了虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。通過(guò)湖北省物理創(chuàng)新大賽、學(xué)評(píng)教以及學(xué)生平均成績(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的新模式有效地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

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Research on the Reform of College Physics Experiment

Teaching Based on the Combination of Virtual and Real

under the Credit Dystem

ZHANG Dingmei， JIANG Zaifu， DAI Wei， HOU Lanbao

（School of Mathematics and physics， Jingchu University of Technology， Jingmen 448000， China）

Abstract：In order to solve the problem of traditional experimental teaching being limited by factors such as experimental venues， outdated equipment， and the number of sets， and the problem that pure virtual simulation experiments are not conducive to students' understanding of physical backgrounds and the cultivation of hands-on abilities， a new experimental teaching model that combines virtual and real elements and interactive virtual and real elements has been constructed， integrating experimental preview， offline explanation， online and offline operation， data processing， and experimental reports， enabling students to comprehensively multidimensional understanding of experimental content. Through offline practice and online virtual interaction， the shortcomings of current college physics experimental teaching have been made up， and the projects of the college physics experimental have been optimized to improve the quality of experimental teaching.

Key words：Physics; college physics experiments; virtual with reality; credit system; teaching reform