■佟蕾

（渤海大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121013）

大學(xué)物理實驗是理工科類本科生必修的實踐課之一，在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和探究能力方面有著不可替代的作用[1]。隨著科技與信息時代的發(fā)展，為適應(yīng)不同教學(xué)需求，物理實驗教學(xué)模式已經(jīng)多元化發(fā)展[2]。尤其在近幾年疫情背景下，為了響應(yīng)國家號召做好防疫工作，在特殊時期會臨時開展線上教學(xué)，顯然對以動手操作為主的大學(xué)物理實驗課程提出了巨大的挑戰(zhàn)。因此，提出一種具有線上線下混合教學(xué)功能的新的教學(xué)模式成為順應(yīng)時代的迫切要求。

虛擬仿真實驗是以計算機為主要工具，借助網(wǎng)絡(luò)平臺，建立虛擬的實驗環(huán)境，利用虛擬實驗設(shè)備完成實驗，處理數(shù)據(jù)并給出成績的教學(xué)方式。隨著虛擬實驗技術(shù)的不斷成熟，在實驗過程中可以發(fā)揮學(xué)生的主體地位.學(xué)生不僅可以操作儀器還可以自行設(shè)計方案，擬定實驗參數(shù)，模擬現(xiàn)實中的實驗過程，打破了時間和空間的限制，讓線下做不了、完不成的實驗得以實現(xiàn).由于虛擬仿真實驗的獨有特點，因此成為線上完成實驗教學(xué)任務(wù)的重要手段，同時得到了全國多所高校在多個學(xué)科中的推廣和應(yīng)用[3-6]。

一、大學(xué)物理實驗傳統(tǒng)線下教學(xué)存在的主要問題

（一）課前預(yù)習(xí)不充分

學(xué)生進入課堂之前對實驗儀器不熟悉，預(yù)習(xí)的過程基本是按照實驗教材的原理和步驟照搬照抄，沒有經(jīng)過認真思考，達不到預(yù)習(xí)的目的.

（二）課堂教學(xué)效果不理想

傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗受到場地、設(shè)備等限制，按照現(xiàn)有的實驗條件，往往是兩名同學(xué)共用一臺儀器，這樣動手能力弱的同學(xué)只是配合另一名同學(xué)完成實驗，達不到獨立訓(xùn)練的目的。同時，在固定教學(xué)時間內(nèi)，學(xué)生僅依據(jù)老師的指導(dǎo)按部就班的完成實驗內(nèi)容，沒有獨立的深層次的思考過程，很難達到理想的教學(xué)效果。

（三）學(xué)生的個性化能力不能充分發(fā)展

大學(xué)物實驗教學(xué)過程中，學(xué)生一般只能在特定的時間完成特定的實驗題目，不能滿足不同能力學(xué)生在時間上和內(nèi)容上的個性化實驗的需求，在現(xiàn)今“雙創(chuàng)”背景下和“競賽”導(dǎo)向下[7]，需要讓學(xué)生的個性化能力充分發(fā)展，以上都對傳統(tǒng)的線下大學(xué)物理教學(xué)模式提出了巨大的挑戰(zhàn)。

二、虛擬仿真實驗的優(yōu)點

（一）有助于學(xué)生理解實驗原理，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)教材上實驗原理是二維平面圖像，學(xué)生很難建立起三維立體圖形.在仿真系統(tǒng)中，將實驗儀器利用3D 模型立體化呈現(xiàn)，學(xué)生利用鼠標鍵盤操作儀器，實驗過程中有一種游戲通關(guān)的感覺，極大的激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)性趣。

（二）學(xué)習(xí)時間充足，實驗地點靈活

在進行虛擬仿真實驗的時候，學(xué)生可以利用電腦等設(shè)備進行不限次數(shù)、不限時間的操作，實驗地點也可以靈活選取。由于每個實驗題目取最高分計入總成績，為了取得最高分數(shù)，學(xué)生會多次操作實驗，直至非常熟練.同時，由于仿真實驗沒有時間限制，對于基礎(chǔ)好、能力強的同學(xué)，在完成必做題目之后，還可以利用剩余時間完成其他感興趣的實驗題目，嘗試探究新的實驗思路，甚至利用平臺進行創(chuàng)新實驗和設(shè)計。

（三）操作環(huán)境安全，減少損耗

虛擬仿真實驗全部在電腦的操作系統(tǒng)中完成，操作環(huán)境安全，可以避免學(xué)生的錯誤操作造成的貴重和精密儀器的損壞。如在光學(xué)實驗中，學(xué)生不會接觸光學(xué)器件造成磨損，或者在電學(xué)實驗中，學(xué)生也不會因為錯誤操作而“觸電”。每個學(xué)生都能親身體驗實驗操作過程，避免傳統(tǒng)實驗中兩個學(xué)生共用一套設(shè)備，彌補現(xiàn)有儀器的數(shù)量不足或老舊維修等問題，可以起到減少損耗和節(jié)約資源的作用[8]。

（四）有利于拓展先進的實驗

利用虛擬仿真實驗還可以開展高成本的大型實驗，對于實驗室沒有的高端實驗儀器，學(xué)生可以通過仿真實驗去體會和實踐，如仿真實驗中的法拉第效應(yīng)以及太陽能電池的特性測量等，既可以開闊學(xué)生的眼界，也可為高校培養(yǎng)高端人才打下基礎(chǔ)。

三、大學(xué)物理仿真實驗教學(xué)的構(gòu)建與實施

（一）大學(xué)物理仿真實驗的教學(xué)準備

渤海大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院自2020 年開始，采用科大奧銳虛擬仿真實驗云平臺結(jié)合學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)課程進行大學(xué)物理仿真實驗教學(xué)，成為線下大學(xué)物理實驗的重要補充。仿真平臺現(xiàn)有仿真實驗題目25 個，每個實驗題目都有完整的理論基礎(chǔ)和相應(yīng)的視頻，同時設(shè)計了檢驗學(xué)習(xí)成果的測驗問題，通過回答問題情況可以統(tǒng)計學(xué)生的預(yù)習(xí)效果。由于大學(xué)物理仿真實驗開設(shè)學(xué)期為第2學(xué)期，學(xué)生缺少專業(yè)物理實驗的基礎(chǔ)知識，所以在學(xué)習(xí)通課程中首先設(shè)計了誤差理論、數(shù)據(jù)處理等相應(yīng)的理論知識。實驗題目的開設(shè)按照大學(xué)物理中力熱、光、電磁、近代物理的課程順序，學(xué)生需完成至少6 個實驗題目（見表1），既包含了基礎(chǔ)性實驗也包含了綜合性實驗。線下教學(xué)時課程可以在仿真實驗室進行，特殊時期學(xué)生可自行用自己的電腦完成，在教學(xué)過程中充分實現(xiàn)線上線下教學(xué)模式自由轉(zhuǎn)換。

表1 仿真實驗開設(shè)的大學(xué)物理實驗題目

（二）大學(xué)物理仿真實驗的教學(xué)實施

在課前準備環(huán)節(jié)，教師通過學(xué)習(xí)通平臺發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)，布置預(yù)習(xí)相關(guān)的理論知識。學(xué)生可以通過自學(xué)實驗教材或觀看仿真系統(tǒng)里的視頻，了解實驗原理、操作關(guān)鍵步驟以及注意事項等。教師在學(xué)習(xí)通平臺上對學(xué)生的每次預(yù)習(xí)都留有相應(yīng)任務(wù)，通過完成測試題反饋學(xué)生的預(yù)習(xí)情況和學(xué)生實驗操作中可能存在的主要問題，這樣教師在課堂中就可以有針對性的進行講解。

在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，教師在課堂中進行講解，包括重點步驟和注意事項，尤其在介紹實驗背景的時候可以引入物理學(xué)史，介紹科學(xué)家艱難的探究過程和其無私奉獻的科學(xué)精神，在提升學(xué)生興趣的同時開展“課程思政”，將人文素養(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng)有機結(jié)合。教師講解后，學(xué)生獨立完成實驗操作，在操作過程中可以多次嘗試不同的操作順序和測量方法，通過不斷思考對實驗結(jié)果進行優(yōu)化，也可以對提供的儀器進行組合，用不同的方法完成同一實驗，并且通過討論的方式得到最好的實驗方法和結(jié)果。在此環(huán)節(jié)，要充分體現(xiàn)出學(xué)生的主體地位，所有的教學(xué)過程和教學(xué)活動都要圍繞學(xué)生展開，教師盡量減少演示過程，僅起到輔助的作用。在操作過程中，學(xué)生會出現(xiàn)各種錯誤，仿真實驗會以最大的容錯率允許學(xué)生做各種嘗試，而不用擔心對儀器造成傷害。通過課上的實操訓(xùn)練，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力以及分析和解決問題的能力都將得到提升，仿真系統(tǒng)操作界面見圖1 和圖2。

圖1 霍爾效應(yīng)仿真實驗

圖2 三線擺法測剛體的轉(zhuǎn)動慣量數(shù)據(jù)界面

課后作業(yè)與鞏固環(huán)節(jié)，完成實驗后，系統(tǒng)通過對學(xué)生操作的規(guī)范性和數(shù)據(jù)的準確性自動給出評判，學(xué)生可以在平臺上利用“成績查看”功能查看實驗操作成績。如果學(xué)生對成績不滿意，可以多次完成實驗，系統(tǒng)自動給出最高分數(shù)，在此過程中，學(xué)生必定會仔細思考如何讓實驗操作更規(guī)范，如何計算數(shù)據(jù)更加準確，同時預(yù)習(xí)過程中不明確的知識點也通過實驗得到更好的理解和消化吸收。通過該環(huán)節(jié)，教師也可以反思自己課堂教學(xué)的不足之處，如學(xué)生操作的易錯點是否重點提示，理論知識是否講到位，根據(jù)學(xué)生課堂表現(xiàn)和操作成績調(diào)整預(yù)習(xí)任務(wù)，從而更好的優(yōu)化課堂教學(xué)。

（三）大學(xué)物理仿真實驗考核體系的構(gòu)建

仿真系統(tǒng)能夠自動對操作步驟和實驗數(shù)據(jù)進行評分，為了全面的考察學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，教師通過學(xué)習(xí)通平臺中針對每個實驗題目布置相應(yīng)的練習(xí)題，最終課程成績評定總評成績構(gòu)成包含課堂表現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)課程、實驗操作以及實驗考核四部分組成，與傳統(tǒng)的考核方式不同，實驗考核采取線上隨機抽題形式，這種線上線下結(jié)合的考核方式最大程度保證了學(xué)生的參與度和科學(xué)評判了學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，有利于促進教學(xué)質(zhì)量的提升。具體成績構(gòu)成、分值比例及考核形式考核要求如表2 所示。

表2 仿真實驗考核成績構(gòu)成、分值比例以及考核形式

（四）成績分析和教學(xué)效果評價

大學(xué)物理仿真實驗經(jīng)過教學(xué)實踐取得了良好的學(xué)習(xí)效果。以渤海大學(xué)物理學(xué)專業(yè)2021 級為例，參加本門課程學(xué)習(xí)的學(xué)生共計139 人，學(xué)生的平均分90.9，其中90 分以上100 人，優(yōu)秀率71.9%，與傳統(tǒng)實驗相比優(yōu)秀率有大幅度提高。分析成績，學(xué)生在課堂表現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)課程兩項成績中除個別同學(xué)外，普遍得分較高，原因是除了學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度認真外，全新的實驗授課模式得到學(xué)生的普遍認可。實驗操作環(huán)節(jié)主要考查正確設(shè)計實驗步驟，正確使用、調(diào)節(jié)實驗儀器以及數(shù)據(jù)的處理，學(xué)生的成績在這部分呈現(xiàn)出差異，由于學(xué)生可以無限次實驗，系統(tǒng)自動記錄最高成績，所以獲得高分的同學(xué)需要具有較強的操作能力以及不斷完善實驗的過程，而成績較低者往往是數(shù)據(jù)測量誤差較大，同時也沒有多次重復(fù)實驗改正錯誤。通過各項內(nèi)容的學(xué)習(xí)和考核，可以發(fā)現(xiàn)仿真實驗不僅可以鍛煉學(xué)生的思維能力、合作能力，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴謹科學(xué)的學(xué)習(xí)態(tài)度。

結(jié)合成績分析，反思教學(xué)過程中存在的問題，仿真實驗是自動生成的實驗報告，學(xué)生沒有體驗和學(xué)習(xí)報告的撰寫過程，同時實驗操作的過程主要是鼠標，同學(xué)們沒有真實的儀器觸摸的感覺，這些都需要傳統(tǒng)線下實驗進行補充.

四、結(jié)語

仿真實驗的諸多優(yōu)點，雖不能完全取代線下實驗，卻以它獨特的形式在特殊時期完成了線上教學(xué)的使命。隨著疫情時代的結(jié)束，大學(xué)物理實驗主體可以回歸線下，但是多元化的視角和全新的教學(xué)理念已經(jīng)深入教學(xué)一線。在未來的實驗教學(xué)中，物理仿真實驗可以推廣到其他專業(yè)的大學(xué)物理實驗課程以及大學(xué)物理實驗的進階課程，如近代物理實驗等。這種開放的教學(xué)模式也為將來的實驗教學(xué)改革指明了方向，為高校培養(yǎng)出更多具有科學(xué)素養(yǎng)的適用性人才提供了借鑒與思考。