虚实结合混合式大学物理实验预习模式的实践

谭佐军，程其娈，陈建军，魏 薇，卢 军

(华中农业大学 理学院 物理系，湖北 武汉 430070)

大学物理实验作为基础实验课程中的核心组成，对于提高学生的综合素质，培养学生的创新精神与实践能力具有重要作用. 传统的大学物理实验预习模式仅限于教材，随着数字课程资源的上线，学生可以通过学习众多的视频、PPT课件、立体化教材等课程教学资源，写出预习报告，预习时学生无法接触到实验仪器，对原理理解不深. 然而这种模式下，单纯通过教学资源来掌握仪器构造、工作原理和注意事项很困难，教学资源中教学内容编排往往也没留给学生独立思考的余地，达不到预习效果，教师也无法评价学生的预习效果. 预习环节的不完善，使得学生进入实验室后，对即将开展的实验不熟悉，无法独立思考，进行有目的地操作和观察，无法利用掌握的知识对现象进行合理分析讨论，学生也容易损坏实验仪器，往往等着教师手把手进行指导，自主性、探索性、创新性的学习无从谈起. 如何打破传统的大学物理实验预习模式，提高预习质量和预习效果，成为大学物理实验教师需要重点解决的问题[1-3].

在“互联网+教育”背景下的MOOC时代，实验教学成为高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容之一，是学科专业与信息技术深度融合的载体，是高等学校培养学生创新精神和实践能力的途径[4]. 2016年被认为是我国虚拟现实产业的“元年”，国内众多高校和教育合作企业积极投入虚拟仿真实验平台的建设中[5]. 在此背景下，我们依托虚拟仿真实验预习和全开放预习实验室开展了虚实结合混合式大学物理实验预习模式的探索，将线上虚拟仿真实验预习和线下全开放预习实验室学习有机融合，充分发挥了远程网络学习和本地学习的优势，提高了学生自主预习兴趣、预习质量和预习效果.

1 虚实结合混合式大学物理实验预习模式的构建思路

在预习环节，关键是让学生能够接触实验仪器设备并操作仪器设备，从而促进学生理解实验原理，并自主设计实验方案及实验步骤. 面对现有实验室人员有限、设备资源有限等普遍问题，避免学生对实验设备造成不必要的损坏，虚拟仿真实验为教学提供了技术保证.

虚拟仿真实验教学是依托虚拟现实、多媒体、人交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教育大纲所需要的教学效果. 显然，信息化技术特征、高度仿真的实验环境和对象以及满足本科教学是虚拟仿真实验教学平台的本质属性[6]. 借助虚拟仿真教学，构建高度仿真的虚拟实验操作环境，可以解决学生在预习过程中无法接触实验仪器设备、无法操作仪器设备、对实验原理和实验步骤无法产生深刻理解和认识的问题. 进行虚拟仿真操作后，学生往往对实验有一定的了解，但仅仅进行虚拟仿真操作，学生不能达到预期的预习效果. 坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的理念，设计全开放预习实验室，可以让学生通过自由预约随时进入预习实验室进行预习，有疑问时，可以通过师生互动交流平台进行答疑解惑. 图1为虚实结合混合式大学物理实验预习模式示意图.

图1 虚实结合混合式大学物理实验预习模式示意图

2 虚实结合混合式大学物理实验预习模式的实现

2.1 线上虚拟仿真预习实验平台的设计思路

实验预习的目的是全面了解和认识所要做的实验项目，因此线上虚拟仿真预习实验平台需要从教学目标、教学内容、学习环境和效果评价3个方面进行设计[7].

从教学目标来看，学生完成的每个实验都应有明确的学习目标，做到有的放矢. 教学内容需要有实验目的、实验原理、仪器介绍、引导操作、预习报告、预习考核等内容，按实验项目分模块，采用统一良好的导航结构，内容表现方式以全景、立体动态展示的形式，虚拟仿真呈现给学生，通过人机交互，完成大学物理实验预习任务和预习考核任务.

大学物理实验线上虚拟仿真预习实验平台营造的学习环境是学生开展实验预习活动的场所，高度仿真的自主学习场景对于提高学生预习积极性和实验兴趣非常重要. 虚拟环境中的场景与现实实验室高度一致，包括实验室各种设备的放置、实验室文化、安全设施、板书等，学生进入全景、立体动态的仿真实验室环境进行实验操作，以达到掌握基本技能操作的目的，学生也可以跟真实环境一样获取丰富的网络数字课程学习资源，帮助学生理解实验内容及相关仪器设备使用.

线上虚拟仿真预习实验平台主要采用虚拟实验练习、在线测试、预习报告等形成性评价和总结性评价. 学生完成预习后，测试成绩合格才能进入实验室做实验. 这样有效地实现了物理实验预习质量和预习效果的测评监控. 学生也可以及时了解自己的预习效果，调整和改进学习方法，从而达到预习要求.

2.2 线上虚拟仿真预习实验平台的设计实现

预习实验平台要求以3D模型为基础，可进行全景观测，学生可以进行良好的人机交互，平台具备网络交互功能，可以方便地扩展到IOS和Android平台，并能适应触摸屏操作. 因此，平台选择了Unity3D开发平台.Unity3D是由UnityTechnologies公司开发的三维开发引擎，支持C#和JavaScript等语言开发扩展；支持SolidWorks、3DSMax、MaYa等建模软件的输出格式[8].

图2 虚实结合混合式大学物理实验预习模式示意图

虚拟仿真预习实验平台包括实验目的、实验原理、设备介绍、引导操作、预习报告、预习习题6个部分，图2为利用光的等厚干涉测量生物膜厚度实验项目界面. 平台具体设计分为建模和交互设计. 大学物理实验虚拟仿真预习系统中看到的设备和模型都是真实场景中实物的再现，模型是组成虚拟仿真预习系统的基本部分，是虚拟现实的本质体现. 系统中的模型使用SolidWorks或3dsMax建立零部件三维模型(*.SLDPRT)，并进行配合完成整装配(.SLDASM). 对模型转换导出(*.OBJ/*.C4D/*.FBX). 在3dsMax中处理模型材质颜色等.

交互设计以引导操作为主(图3)，底部显示当前动画的说明字幕，并有语音提示，给出正确的操作使用步骤，指明每个操作步骤应该采用的正确方法、必须完成的具体工作、需要注意的事项，视角自由控制，当学生操作时，如果操作过程出现错误则不能进入下一步，系统会给出提示帮助学生完成实验. 预习平台提供师生交流互动平台，平台可以促进师生互动、生生互动，促进学生协作学习，从而达到对实验内容比较深刻的理解和掌握，真正实现学生为主体、教师为主导的教学理念.

图3 虚拟仿真预习实验平台的操作引导

2.3 线下全开放预习实验室的建设

建立线下全开放物理实验预习实验室，可以让学生在经过虚拟仿真实验预习后，进入预习实验室，熟悉相关实验仪器设备，将线上虚拟仿真预习实验平台获得的预习知识与直观的仪器使用体验结合，从而达到很好的预习效果，学生带着良好的预习准备基础，进入实验室，在实验教师的指导下，自主完成实验操作，通过观察现象、定量测量、数据采集记录，完成实验课堂部分，课后按照要求完成实验的实验报告，使得实验教学的各个环节都能达到教学要求.

全开放物理实验预习实验室采用全开放实验室管理系统进行管理(图4)，将大学物理实验课程学生选做的所有实验项目在该实验室中放置1套装置，每个实验项目相关的仪器设备均采用电源控制系统，学生可以在实验室门口的派位机上刷校园卡预约需要预习的实验项目，并进行派位，派位成功后，自动开启对应实验项目的电源，学生在实验室门口门禁刷卡后可以进入实验室进行预习，预习实验结束后，学生刷卡关闭电源，离开预习实验室. 由于24h开放运行，为了保证实验室的安全和设备的正常运行，实验室安装监控系统，管理员定时巡查，如发现存在异常，则可调出监控视频查找问题. 教师和管理员也可在线实时查看预习实验室和每个实验项目的实时状态.

图4 线下全开放预习实验室及预约派位

3 结束语

依托虚拟仿真实验预习和全开放预习实验室构建了虚实结合混合式大学物理实验预习模式，创新了大学物理实验预习模式，践行了信息化技术与大学物理实验教学的深度融合，将线上虚拟仿真实验预习和线下全开放预习实验室学习有机融合，充分发挥了远程网络学习和本地学习的优势，提高了学生自主预习兴趣、预习质量和预习效果，促进了学生向自主性学习、合作探究、研究性学习和创新性学习的转变. 在“互联网+教育”时代，随着移动智能设备的广泛使用，依托移动互联网的移动学习将进一步推进教学方式的改革和创新，采用Unity3D开发平台开发运行于移动智能设备的虚拟仿真实验，可以让学生在任何地方、任何时刻进行大学物理实验预习，从而促进大学物理虚拟仿真实验泛在化学习的研究迈入新的研究阶段.

参考文献：

[1] 杨广武，朱飞，李灵侠，等.大学物理实验开放式预习平台的构建与应用[J]. 江苏理工学院学报,2016,22(6):66-70.

[2] 张晓旭，王素红，张胜海. 基于MOOC教育理念的大学物理实验预习模式改革[J]. 大学物理实验,2016,29(3):136-137.

[3] 周群. 大学物理实验预习系统的构建与使用[J]. 大学物理实验，2017,30(1)：141-145.

[4] 魏薇,谭佐军. 慕课背景下信息技术与实验教学的深度融合[J]. 中国高等教育,2017(7):54-56.

[5] 何焰兰,彭刚,刘振祥,等. 大学物理实验MOOC及教材的建设与探索[J]. 物理实验, 2018,38(1):43-48.

[6] 乐永康,龚新高,苏卫锋,等. 虚实结合的物理实验教学[J]. 物理实验,2017,37(1)：39-43.

[7] 赵颜. 《大学物理实验操作预习系统》网络课程的开发与实践[J]. 高教论坛,2008(6)：163-166.

[8] Potkonjak V, Gardner M, Callaghan V, et al. Virtual laboratories for education in science, technology, and engineering: A review [J]. Computers & Education, 2016,95(C):309-327.