學(xué)分制下虛實結(jié)合的大學(xué)物理實驗教學(xué)改革研究

張定梅 蔣再富 戴偉 侯蘭寶

摘要：為解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)受實驗場地、設(shè)備老舊、臺套數(shù)等因素的限制，純虛擬仿真實驗不利于學(xué)生物理背景的理解和動手能力的培養(yǎng)的問題，構(gòu)建了虛實結(jié)合、虛實互動的實驗教學(xué)新模式，將實驗預(yù)習(xí)、線下講解、線上線下操作、數(shù)據(jù)處理與實驗報告融為一體，讓學(xué)生全方位、多維度理解實驗內(nèi)容。通過線下實操和線上虛擬的互動，彌補(bǔ)了當(dāng)前大學(xué)物理實驗教學(xué)的不足，并對大學(xué)物理實驗項目進(jìn)行了優(yōu)化，提高了實驗教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實驗；虛實結(jié)合；學(xué)分制；教學(xué)改革

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

0 ? ? ? ?引言

大學(xué)物理實驗是大學(xué)理工科專業(yè)開設(shè)的一門公共基礎(chǔ)課程，對于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和動手能力起著至關(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，國內(nèi)很多高校針對大學(xué)物理實驗課程的教學(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，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。其中虛實結(jié)合、線上線下混合的大學(xué)物理實驗教學(xué)模式的研究是一個熱點。例如，姬鵬飛等［ 11 ］分析了傳統(tǒng)實驗教學(xué)與虛擬仿真實驗教學(xué)的優(yōu)劣勢問題，優(yōu)化了虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式?？敌∑降龋?12 ］提出了分層次、模塊化的虛實結(jié)合大學(xué)物理實驗教學(xué)新模式。甘亮勤等［ 13 ］分析了大學(xué)物理實驗教學(xué)改革必要性，提出網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與線下實踐相融的實驗教學(xué)模式。魏薇等［ 14 ］構(gòu)建了虛實結(jié)合的BOPPPS實驗教學(xué)新模式，顯著提高了大學(xué)物理實驗的教學(xué)質(zhì)量。譚佐軍等［ 15 ］提出了虛擬仿真預(yù)習(xí)與開放實驗室預(yù)習(xí)有機(jī)結(jié)合的新實驗教學(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，并結(jié)合自己的學(xué)校特點對虛實結(jié)合大學(xué)物理實驗教學(xué)進(jìn)行了探索，但系統(tǒng)性和普適性不足。

1 ? ? ? 傳統(tǒng)實驗教學(xué)的困難

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

1.1 ? ? ? 選課制制約了分級教學(xué)

由于學(xué)生來自于不同的學(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)帶來了困難。由于選課前沒有進(jìn)行物理基礎(chǔ)知識測試，也沒有對學(xué)生進(jìn)行分級，學(xué)生隨機(jī)選定一個教學(xué)班級上課，無法對學(xué)生進(jìn)行分層、分級教學(xué)。雖然荊楚理工學(xué)院在制定教學(xué)大綱時已經(jīng)對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了分級，也對不同專業(yè)的實驗項目進(jìn)行了區(qū)分和優(yōu)化，但選課制的實施阻礙了分級教學(xué)的推進(jìn)。

1.2 ? ? ? 設(shè)備老舊制約了實驗教學(xué)

實驗設(shè)備臺套數(shù)不足、老化也是制約傳統(tǒng)實驗教學(xué)的關(guān)鍵因素。荊楚理工學(xué)院的大學(xué)物理實驗設(shè)備大多數(shù)的使用年限已經(jīng)超過五年，設(shè)備老化嚴(yán)重，臺套數(shù)也不足。加上最近幾年本科生數(shù)量的增加，實驗中心已經(jīng)是超負(fù)荷運轉(zhuǎn)，雖然進(jìn)行了實驗室開放，但依然滿足不了學(xué)生的需求。特別是無法保證學(xué)生的實驗預(yù)習(xí)，導(dǎo)致很多學(xué)生在課內(nèi)時間內(nèi)無法完成實驗。其次，由于學(xué)生預(yù)習(xí)不充分，在實驗的過程中無法按照流程進(jìn)行實驗，導(dǎo)致儀器損壞。例如“分光計的調(diào)節(jié)及使用”實驗，分光計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)”實驗，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，這都給實際教學(xué)帶來了困擾。目前這兩個實驗項目由于臺套數(shù)不足，已經(jīng)無法開出。

2 ? ? ? 純虛擬仿真實驗的不足

疫情期間，由于學(xué)生無法返校，我們使用某品牌的大學(xué)物理實驗虛擬仿真平臺進(jìn)行了線上教學(xué)。雖然學(xué)生按照要求完成了實驗項目，但反饋回來的實驗效果并不理想，主要表現(xiàn)在以下兩點。

2.1 ? ? ? 對實驗的物理背景理解不深刻

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

2.2 ? ? ? 對學(xué)生的動手能力培養(yǎng)培養(yǎng)不足

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

3 ? ? ? 虛實結(jié)合實驗教學(xué)的模式構(gòu)建

線下實驗和線上虛擬各自的不足，但同時也有各自的優(yōu)勢：虛擬仿真實驗?zāi)軌蛟诰€進(jìn)行實驗操作，不受場地、時間的限制，在疫情期間發(fā)揮了較大的作用；而線下實驗?zāi)苠憻拰W(xué)生的動手能力，通過解決實驗中遇到的難題來加深對實驗的認(rèn)識，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)，并針對學(xué)生進(jìn)行分層分級教學(xué)是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題。

我們通過對2021級全校理工類專業(yè)學(xué)生進(jìn)行試驗，摸索了一套虛實結(jié)合、虛實互動的大學(xué)物理實驗教學(xué)新模式，如圖1所示。

對于一個新的實驗項目，教師首先發(fā)布實驗預(yù)習(xí)通知，學(xué)生在虛擬仿真平臺里面進(jìn)行初步預(yù)習(xí)，了解基本實驗原理和物理背景。接下來教師在課堂上進(jìn)行講解，詳細(xì)介紹實驗原理、操作步驟，并強(qiáng)調(diào)注意事項。學(xué)生可在線上先操作一次，了解實驗的基本操作步驟，并將仿真中遇到的問題記錄下來。再到實驗室進(jìn)行實操，解決仿真中的問題，加深對實驗的理解，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)是靠軟件計算完成的，中間過程并不是很清楚。線下再進(jìn)行實驗報告撰寫，并將線上、線下處理的結(jié)果進(jìn)行對比，最終完成一個實驗項目的整個流程。

楊氏模的測定是荊楚理工學(xué)院新購買的虛擬仿真實驗項目，仿真系統(tǒng)包含實驗簡介、實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗儀器、實驗指導(dǎo)、參考資料、實驗演示、實驗操作等模塊，學(xué)生可以在仿真系統(tǒng)中預(yù)習(xí)，熟悉實驗原理，進(jìn)行實驗初步操作，并與線下操作進(jìn)行互動，提升實驗教學(xué)效果。學(xué)生首先登錄虛擬仿真系統(tǒng)熟悉實驗原理、實驗?zāi)康?、實驗儀器，了解楊氏模量測定儀（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）的計算方法。然后教師進(jìn)行線下實驗講解，內(nèi)容包括固體楊氏彈性模量的公式推導(dǎo)及計算方法、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)及注意事項等，讓學(xué)生全方位了解實驗原理和操作步驟。緊接著學(xué)生在線上進(jìn)行實驗操作，遇到問題時可詢問實驗指導(dǎo)教師和實驗員，掌握虛擬系統(tǒng)里面每個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)微的差別會影響標(biāo)尺在望遠(yuǎn)鏡中的讀數(shù)。其次，加砝碼的時候要按照順序加減，避免出現(xiàn)回程誤差。當(dāng)實驗儀器調(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，雖然過程不直觀，但準(zhǔn)確度較高?？蓪⒕€上、線下結(jié)合，確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

對于實驗考核，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)原理測試題、數(shù)據(jù)處理題和實驗項目操作題，占總成績的40％。同時線下也要進(jìn)行考核，一般是選取一個已經(jīng)做過的實驗項目進(jìn)行，需要學(xué)生記錄數(shù)據(jù)并撰寫實驗報告，并考查學(xué)生的操作情況，占總成績的60％。

我們也對實驗項目進(jìn)行了優(yōu)化，如表1所示，實驗項目包含了力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)中的內(nèi)容，并且分為驗證性、綜合性和探究性實驗。

結(jié)合我們現(xiàn)有的實驗儀器和虛擬仿真項目，設(shè)置了線下實驗、虛實結(jié)合實驗和虛擬仿真實驗。其中，包含七個線下實驗，采用傳統(tǒng)的教學(xué)完成。六個虛實結(jié)合實驗，需要按照圖1的教學(xué)模式進(jìn)行。三個仿真實驗，只需在網(wǎng)上完成實驗項目。由于目前只是虛實結(jié)合實驗教學(xué)探索階段，沒有將所有項目設(shè)置為虛實結(jié)合實驗，隨著條件成熟，我們將全面推廣。

4 ? ?虛實結(jié)合實驗教學(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)生物理實驗創(chuàng)新大賽，圖2給出了連續(xù)六屆的獲獎情況。

由圖2可知，2022年我們實施虛實結(jié)合大學(xué)物理實驗教學(xué)以后，實驗教學(xué)質(zhì)量明顯提高，可以看出，前五屆獲三等獎以上數(shù)量基本上保持在3項左右，其他基本上是優(yōu)秀獎。但是在實施了虛實結(jié)合的實驗教學(xué)后，獲獎數(shù)量明顯增加。并且2022年獲得了一等獎一項，由計算機(jī)學(xué)院的學(xué)生獲得，實現(xiàn)了荊楚理工學(xué)院參賽以來的大的突破。因此，采用虛實結(jié)合、虛實互動的教學(xué)模式，大學(xué)物理實驗的教學(xué)質(zhì)量明顯提高了。

圖3展示了近五年該門課程學(xué)生評教的平均分和實驗平均成績情況。

如圖3所示，大學(xué)物理實驗課程采取虛實結(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)生的平均成績有所下降，這主要是疫情期間有一半的實驗項目采取純虛擬仿真教學(xué)造成的，但在2022年實施新的實驗教學(xué)模式后，平均成績提高到了85分，說明學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性有所提高。此外，從圖中學(xué)評教的平均分來看，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)線下實驗教學(xué)受選課制、場地、設(shè)備、時間等因素的影響，純虛擬仿真實驗教學(xué)也表現(xiàn)出物理背景理解不深刻，動手能力欠缺等弊端，為了解決此問題，我們提出了虛實結(jié)合、虛實互動的大學(xué)物理實驗教學(xué)新模式。新模式是將實驗預(yù)習(xí)、教師講解、線上操作、線下操作、線上實驗數(shù)據(jù)處理、線下實驗報告有機(jī)融合，線上虛擬和線下實操進(jìn)行互動，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)和純虛擬教學(xué)的不足。此外，構(gòu)建了虛實結(jié)合的實驗項目，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了實驗教學(xué)水平。通過湖北省物理創(chuàng)新大賽、學(xué)評教以及學(xué)生平均成績進(jìn)行檢驗，發(fā)現(xiàn)虛實結(jié)合的新模式有效地提高了實驗教學(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