信息化大学物理虚拟实验线上教学模式分析

李 鹏 李小强 文晓艳

（武汉理工大学理学院 湖北·武汉 430000）

大学物理实验作为理工科学生的必修课程，为满足与时俱进、与社会接轨的教学需求，采用线上教学的方式，[1-2]通过虚拟仿真实验替代实体实验，[3-5]实现包括放射性、高温高压等高危领域在内的多种实验教学，形成系统化、多样化、前沿化的实验教学特色，是目前虚拟实验教育改革的重点。

实践教学不同于理论教学，传统线上教学中“视频直播+在线答疑”的方式无法让学生深刻理解实验仪器的使用方法，缺乏对学生动手能力的培养。因此，基于虚拟仿真实验技术，结合多种信息化手段，对线上实践教学活动进行有序监管，是提升教学质量的有效途径。

1 基于虚拟仿真实验的传统线上实验教学模式

大学物理实验教学分为课前预习、实验操作和数据处理三个部分。在传统教学模式的基础上，学生可通过高校现有教材、扩展资料、教学视频来进行课前预习，掌握基本的实验原理和操作步骤。高校基于实体实验仪器的相关资源，选取具有代表性的实验项目开设虚拟仿真实验，配合教学过程中的视频录播、直播，可面向学生提供全虚拟在线实验操作。这一环节需要高校在前期有相关资源积累，研发经费的投入、研发公司的水平和经验等都将对虚拟实验的使用效果产生直接影响。学生通过对虚拟仿真实验过程中所测得的实验数据进行分析处理，形成对实验操作和后续数据处理过程的完善理解。

2 基于信息化技术的线上教学实验教学模式

线上教学的特点在于学生除上课时候的视频直播和在线答疑外，教师无法准确掌握学生的实验操作情况，因而无法针对学生的个体差异展开有针对性的指导。多方调研的结果显示，由于缺乏有效的监管机制，线上实践教学过程中，预习和数据处理部分所提供的电子化试题存在大量答题抄袭、数据复制等现象，教学效果很难得到保障。基于信息化技术的线上教学体系旨在解决常见在线实践教学模式的弊端，为学生的实验过程和数据处理结果提供科学客观的评价体系。

2.1 课前预习

课前预习是保障实验教学效果的先决条件，在无法保障师生当堂交流的前提下，预习质量的好坏直接影响学生对实验原理的掌握。在提供和虚拟实验相配套的相关教材、音频、视频等预习资源基础上，区别于传统的固定试题或是手工抄写实验报告的方案，采用电子化的在线预习测试系统可显著强化学生的预习效果。预习测试系统由实验教师结合在线教学的实际情况、实验课程的物理原理和操作过程等，形成一套和实验过程息息相关的预习题库（客观题）。系统在课前给每位学生分配随机的试题和选项，不同学生的将面对完全不同的预习试题。学生在提交选项后系统自动批阅并给出预习分数，在提高评阅准确率、提高评阅效率的同时，能敦促学生认真预习。

2.2 实验操作

虚拟仿真实验利用计算机仿真模拟技术构建虚拟的实验场景，重现和实体操作一致的实践体验，是信息化教育改革的发展方向。长期以来，高校在虚拟实验系统的建设中本着“虚实结合、以虚补实、以虚促实”的宗旨，逐步推进虚拟实验仿真平台的发展进程。

大部分虚拟仿真实验从静态素材、程序脚本、3D 建模、贴图渲染、动画制作到实验阶段设计与实现等已经有了非常成熟的开发流程，以国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台为例，平台提供了大量精品示范虚拟仿真实验，设计精巧，结构严谨，受到社会各界的一致好评，也为高校间虚拟仿真实验资源的建设提供了相互之间借鉴交流的平台。

值得注意的是，大部分虚拟实验设计的重点在于如何绘声绘色地模拟实验过程，让用户获得身临其境的参与体验，而对于高校实践教学的实验操作环节而言，缺乏对学生实验过程和结果的监督。学生在虚拟实验的操作过程中，使用同样的虚拟设备，以同样的实验目的为导向，所测得的实验数据很可能大同小异。这就导致学生在实验原始数据的获取途径上存在复制他人测量结果的可能性。为此，基于信息化技术可在虚拟实验操作过程中对学生进行进一步细化要求，敦促学生认真完成虚拟实验，使学生通过线上实践教学能掌握实际实验仪器的使用方法和测量手段，科学客观地评价学生的操作过程。

具体手段主要有：

（1）在学生进入虚拟实验时分配随机的实验任务，即在实验设备允许的范围内，为学生制定差异化的测量目标。以常见实验“补偿法测电阻”为例，可以为不同学生指定从1-1000范围的随机测量任务，确保每个学生自己动手，在对仪器使用步骤和实验原理都完全掌握的前提下，完成系统分配的测量目标，这种方式能培养学生独立动手实践和思考能力。

（2）充分利用虚拟仿真技术的优势，在学生实验过程中，赋予每个虚拟测量仪器不同（一定范围内随机）的测量误差。这种方式一方面能强化学生对测量误差的理解，也能为后续甄别学生测量结果的有效性提供可靠的凭据。

（3）在传统虚拟仿真实验中基于学生操作时长、操作步骤的评价体系基础上进一步延伸，根据差异化实验目标、仪器误差等关键参数对学生测量数据进行自动评价。学生可随时自主进行实验，实验数据提交后系统实时批改给出操作分数。在提升教学效率的同时，减少任课教师凭借经验进行主观判断产生的评价误差，相较于传统虚拟仿真实验教学模式下的操作评价体系更加科学、客观、公正、合理。

2.3 数据处理

实验数据的分析与处理是科研人员必备的技能，也是实践教学过程中不可或缺的重要环节之一。一直以来，无论是传统的实体仪器实验还是虚拟仿真线上实验，对学生实验数据的处理结果都难以形成高效准确的判定方法。根据对几家大型虚拟仿真实验开发企业的调研，许多仿真实验在同一实验目标下所测得的实验结果差别很小甚至完全一致，而由于数据处理计算量较大，任课教师很难逐一核算学生的计算结果，相当一部分学生在数据处理过程中直接抄袭、或根据实验内容伪造数据处理结果。另一方面，许多高校采用学生手写纸质实验报告或WORD 实验报告在线提交等方式，考察学生实验的数据处理能力，这也在一定程度上为学生之间互相参考借鉴提供了便利。这种现象导致不少学生对实验数据处理的过程缺乏足够的理解和认知，也不利于建立和培养学生严谨求实的实验精神。

利用信息化技术，针对虚拟仿真实验教学的数据处理部分进行深入研发，在一举解决上述弊端的同时，还能推广应用于实体教学及其他相关领域。

具体手段有：

（1）采用在线实验报告的形式，以网页的形式呈现待处理的内容。学生登录后网页直接读取学生在虚拟实验中所测得的实验数据，敦促学生务必在自己测得的实验数据基础上进行数据处理。

（2）学生提交报告后，在线实验报告根据学生所测得的实验数据，对数据处理的结果（客观题部分）进行验算，根据处理结果与参考答案之间的误差范围、有效数字、单位等情况综合评价，给出客观题得分。这种方式不再需要教师参与客观题的批阅过程，极大地提高了线上实验教学过程中批阅实验报告的效率和准确率，从根本上杜绝了学生抄袭、伪造数据处理结果的行为。

（3）在线实验报告除客观题外，适当设立主观题部分，引导学生根据虚拟实验操作和数据处理的过程主动思考，强化学生对实验原理、仪器操作及数据处理的理解，激发学生的求知欲和实验探索的兴趣。

3 结语

可以预见，基于虚拟仿真实验的线上教学在高校实践教学过程中将发挥重要作用，在虚拟仿真实验的基础上，基于信息化技术的线上教学模式能对教学活动的秩序提供强有力的监管，有效提升教学效率和质量。结合监管模式的虚拟实验线上教学在实际运行过程中发现，学生对实验的热情和兴趣、实验数据处理的质量和能力都有了明显提升。

这种线上教学的监管模式同样也适用于实体实践教学中，通过完善的预习-操作（随机指定实验目标/实体仪器实验/当堂在线录入操作数据）-报告的全信息化实验流程，在同样提高实验效率、教学质量的基础上，以全数字化的实验报告形式取代传统的纸质报告，省去了实验报告递交、分发的繁琐过程，一举解决了纸质报告易遗失、难保存等问题，随时快速查阅历史报告。在此基础上，基于信息化技术可进一步构建数据分析平台，通过相关统计方法清晰、准确地调整实践教学方向和侧重点，加强教师对教学进度、教学难点的把控，做到有的放矢，加速推进学科发展。