线上仿真示波器实验的教学实践与思考

2021-04-22蒋登辉

教育教学论坛 2021年8期

[摘要] 线上仿真实验教学能够摆脱现场教学时间和空间的限制，极大地提高实验教学效率，是课堂实验教学的有力补充。根据示波器线上仿真实验教学实践经验，总结了线上仿真实验的特点和教学效果，分析了线上仿真教学中遇到的问题，提出了解决方案和完善手段。同时，结合对线上仿真教学效果和不足的分析，阐明了其在大学物理实验教学中的地位和适用范围。

[关键词] 线上仿真实验;大学物理实验;示波器实验

[基金项目] 2019年度湖南省教育厅一般项目“纳米黏土异质结界面构建及其光催化性能研究”（19C0079）

[作者简介] 蒋登辉（1981—），男，湖南长沙人，博士，长沙理工大学物理与电子科学学院和湖南省柔性电子材料基因工程重点实验室讲师，主要从事半导体异质结光化学转化及其应用研究。

[中图分类号] O4-33：6642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2021）08-0153-04 [收稿日期] 2020-09-16

一、引言

物理学是理论与实验高度结合的自然科学，对于人们逻辑思维、实践能力和科学素质的培养极为重要。大学物理实验课是一门基础实验课程，有利于培养学生的实践创新能力，加深对物理知识的理解[1，2]。然而，传统的物理实验教学受制于多种因素[3]，例如，实验场地、仪器等教学资源偏少，不仅严重压缩了教学时间，也降低了学生良好的学习感受。实验教师相对缺乏，不仅加大教师的教学压力，还严重限制了教学安排的灵活性。另外，实验仪器老旧、更新慢，难以激发学生的学习积极性。由于众多教学因素的限制，大学物理实验教学亟待其他教学手段予以补充和完善。

随着网络和计算机技术的飞速发展，仿真物理实验相关软件取得长足的进步。仿真实验以计算机软件为载体，利用虚拟仪器建立虚拟实验环境，在虚拟环境中操作仪器，模拟真实的实验过程[4]。它能够有效解决现场物理实验教学中的诸多弊端，已经成为现场物理实验教学的有力补充，在开放性、设计性、研究性实验教学中发挥着重要的作用。目前相当多的高校开始进行仿真实验教学探索[4]，特别是2020年新冠肺炎疫情期间，大量非毕业班学生不能返校，无法安排现场实验教学，这时仿真实验教学的优势开始凸显。在大学物理教学中引入仿真物理实验迫在眉睫。

长沙理工大学物理实验中心在2019—2020年学期引入了虚拟仿真实验教学云平台，进行线上仿真大学物理实验教学。在新冠肺炎疫情期间，线上仿真实验教学不仅满足了基本的教学任务，还取得了不错的教学效果。本文以示波器实验为例，对线上仿真实验的特点和优势进行总结，并对线上仿真实验教学过程遇到的各种问题进行探讨，提出一系列的改进建议。

二、线上仿真实验的特点与效果

线上仿真实验具有众多优点[5]，如探究性、实用性、趣味性、高效、互动性和科学性。经过一学期的仿真实验教学实践，发现仿真实验最主要的优势表现在两个方面。

（一）有效摆脱了现场教学的时空限制，提高了教学效率

首先，线上仿真物理实验教学以线上仿真实验系统为载体，构建了全天候开放的实验教学环境，学生可以随时进入教学系统学习，完美地避开传统现场实验教学中遇到的诸多时空限制[6]。线上仿真实验无须在固定的时间和地点开展教学活动，极大地提高了教学的灵活性，为学生和教师节约大量时间[7]，颇受师生的欢迎。其次，摆脱仪器数量和更新的限制。仿真实验中的仪器数量没有限制，只要系统稳定，就能保证多人同时操作。而且，只需对软件进行维护和更新，仿真仪器就可以做到经常更新，具有最新功能，利于提高学生学习积极性。最后，线上仿真实验在完全虚拟的环境下操作仪器，对于学生来说不存在安全隐患[8]。特别对使用示波器开展电学实验，学生不会发生触电危险。使用精密仪器时，也不会因操作不当和失误而损坏仪器。

基于线上实验随时开放的优势，我校实验教学效率大大提升。2019—2020年学期，我校有1000多名本科生需要做大学物理实验，通过线上仿真实验，平均一周内完成2个实验项目，这在以前的课堂教学中是很难做到的。在传统课堂教学中，我校采取网上预约实验的形式，学生根据自己的情况预约实验课时间，安排相当灵活。然而，由于对实验课不够重视，学生经常以各种理由拖延实验，出现开学大量缺课、期末扎堆补做的情况，严重影响授课秩序和教学效果。借助线上平台，课后实验报告可以直接通过网络提交，方便快捷，为学生和教师节省大量时间。

另外，线上仿真实验还可提高师生的互动频率，增进感情。在传统的课堂教学中，学生和教师的交流仅限于仪器使用方面，交流频次和时间非常有限。在线上教学的实验和撰写报告阶段，学生都可以通过线上即时通信工具向教师寻求帮助和指导，这种线上沟通方式对于“00后”大学生更为适宜。另外，对于学生实验完成情况，教师一目了然，通过线上交流，可以较好地督促学生做好实验，完成实验报告。

（二）增强学生自学能力，激发学习兴趣

仿真实验教学以学生独立自学为主，采用学生为主体、教师为主导的“双主”教学模式。仿真实验通过分解教学过程，对实验相关理论进行讲解，介绍实验的背景和意义、应用等内容，让学生在理解的基础上，通过思考正确操作。仿真实验模拟真实的环境，具有很强的交互性，自带操作指导，有利于学生主动探究、自主学习，对培养大学生的自学能力极为有利[5]。

仿真实验界面逼真，操作简单，能够引起学生浓厚的学习兴趣。对于在网络下成长的“00后”大学生，在线仿真实验非常具有亲和力。具有较好自学能力的学生，不仅会认真预习原理和操作视频，还會通过网络自主寻找学习资料。学生通过自学的形式，完成整个实验，对其自学能力的培养和自信心建立具有显著的促进作用。开放性和研究性实验，为学生提供了良好的教学平台[9]。

三、线上仿真实验教学中的问题

线上仿真实验教学以学生在线自学和自主实验为主，是学生与仿真系统一对一交互的过程，与课堂教学情形相差甚远，每个学生遇到的问题都不一样。同时，仿真软件也有诸多不足，主要有以下四个方面亟待改进。

（一）软件仿真度亟待完善

以示波器实验为例，仿真信号发生器产生的信号频率和相位与现场实验没有任何变化。利用李萨如图形测量未知信号频率的实验中，仿真实验的李萨如图形是稳定不变的，但真实的信号发生器产生的信号频率相位会有微小变化，李萨如图形很难完全稳定。另外，通过改变信号发生器频率调节李萨如图形的时候，频率改变不是一个连续的过程，频率调整过程会出现临界值，在临界值之内会出现相应比例的李萨如图形（如1∶1时的椭圆），偏离一点点就是完全不一样的图形，这和真实实验差别很大。这导致学生在调节李萨如图形时难度加大，容易气馁、放弃。总之，仿真仪器和真实仪器有差别，真实度欠佳，这些都不利于学生对真实仪器的认识和理解。

（二）仿真实验系统操作分评价亟待改进

在示波器实验中，操作分是基于填入的数据进行评价，和实际操作没有关系。对于示波器的实验内容，第一个实验（用X轴的时基测量信号的时间参数）中，所有学生测量的都是相同的固定频率;因而部分同学投机取巧，直接拿别人或网上的数据填入表格，没做实验且操作分高。第二个实验是利用李萨如图形测量信号频率的实验，每次待测信号频率都是未知的，这样能够有效地判断学生是不是真实操作。因此，对于仿真实验内容要尽可能随机选择，有利于督促学生认真完成实验。

（三）验证性试验多，探索性实验少

目前仿真物理实验平台的内容多和课堂教学一致，以验证演示类实验为主，有待增加探索性实验内容[ 10 ]。虽然演示实验通过观察实验现象，能对物理概念和基本原理做出更加生动形象的解释，加深学生对物理概念和规律的理解，达到更好的教学效果[ 11 ]，但是演示性实验缺乏灵活性，对学生限制较多，学生需要严格按照操作步骤操作，才能获得理想的实验数据。这严重限制了学生的自主性，不利于培养学生独立思考和创新性思维[ 12 ]。同时，课堂实验内容单一、老旧，不同高校的实验内容几乎千篇一律。由于受仪器场地等众多限制，开设探索性实验困难重重。高校需要做大学物理实验的理工科专业众多，很多工科专业的学生对传统的大学物理实验“不感冒”，很难激发其学习兴趣，因此，高校大学物理实验教学亟待改革。如果大学物理实验能根据不同学科特点，加入更多具有相应专业背景的实验项目，不仅有利于提高学生学习的积极性，还有助于各高校突出其办学特色。

在线仿真实验平台具有开设探索性实验的先天优势，如果能充分发挥其优势，在线仿真实验平台则成为开设探索性实验的理想教学平台。然而，仿真实验平台里的仪器模块相对较少，仪器功能开发不完全，不少按钮在特定的实验里会被屏蔽，不能操作，这与实际严重不符。虽然这在一定程度上有利于提高学生做特定实验的效率，减少出错的概率，但是严重阻碍了学生的探索欲望。仿真平台的仪器模板没有完全开发，导致仿真仪器不能形成独立的模块。没有完全功能化的仿真仪器不利于开设具有特色的开放性和研究性实验，大大限制了其优势。

（四）教师的线上指导需进一步完善

实验课主要考查学生对实验原理的理解和相关仪器的使用能力。对于示波器这种比较新奇的电子仪器，绝大部分学生对实物是比较陌生的，对示波器的认知只停留在高中阶段的基本原理学习方面，对于很多具体知识和概念都已模糊。虽然大部分学生以前没有见过示波器实物，但对仪器比较感兴趣，有比较强烈的动手操作意愿。然而，对于实验课，很多学生似乎仅仅关心仪器怎么用、怎么操作等问题，忽视对基本原理的理解。学生的这种认知结构，导致其只能理解仪器使用过程中比较表象的知识和经验。

仿真实验教学系统对实验背景原理以及实验过程都有较为详细的文字介绍。然而，部分学生为了快速地完成实验，只看仿真实验操作指导视频和说明，对实验原理一知半解，这样的实验教学效果大打折扣。因此，做仿真实验前，可以通过在线课堂和微课小视频方式，对学生进行实验原理的指导。在线的原理课可以从日常生活中常见的电视机和电脑CRT显示器引入介绍示波器，这不仅能引起学生的学习兴趣，还能让学生更好地理解示波器的基本原理。另外，需要着重对示波器显示波形原理做比较具体的介绍，有利于学生对仪器原理有更加深入的理解，有效提高学生学习效率和兴趣，加强对理论知识的学习，弥补做实验前理论知识储备不足的问题。

由于学生做仿真实验的时间分散，教师指导的及时性较差，不可能做到随时随地指导学生。课堂教学中，大部分学生初次使用示波器时都会很急切，想迅速调出波形，往往丢三落四，犯很低级的错误，如忘记接线、没开电源灯光。对于这种问题，教师可以在课堂上及时给予指导，采用循循善诱的方法，引导学生积极思考，自己解决问题，有利于积累形成实践经验，锻炼其解决问题的能力。在线教学中，对于部分自学能力较强的学生，可不断加强其自学能力;对于独立能力较差的学生，容易打击其信心，因此，线上仿真实验应该有针对性地给予学生更多的指导和鼓励。

四、结束语

线上仿真实验能够摆脱现场教学时间和空间的限制，不仅能够完成基本教学任务，还能极大地提高教学效率。仿真实验教学以学生为主体，创设交互式的学习环境，可增强学生的自学能力，激发学习兴趣。然而，在线仿真实验仍有不少问题需要改进。首先，仿真软件的仿真度欠佳，与真实仪器有不小的差别，软件仿真度有待进一步提高。没有完全功能化的仿真仪器不利于开设具有特色的开放性实验，大大限制其应用范围和优势的发挥。其次，仿真实验系統应以是否正确操作仪器进行操作分评价，以数据来评价的方式亟待改进。最后，教师的在线指导需进一步完善，可通过在线课堂和微课小视频等多层级方式，对学生进行全方位的指导。

总之，线上仿真实验不仅能够满足基本的教学任务，是大学物理实验现场教学手段的有力补充，还能够为开设开放性和研究性实验提供良好的教学平台。

参考文献

[1]杨昶，杨昌虎，黄伟荣.波动光学仿真实验设计及其在大学物理教学中的应用[J].大学物理实验，2019，32（4）：113-115.

[2]梁金荣，王善勤.大学物理实验课程教学的探索与研究[J].山东农业工程学院学报，2020，37（4）：160-161.

[3]刘利娜，岳素荣，臧春和，张东梅.仿真实验在大学物理实验教学中的地位和作用[J].中国科技信息，2012（7）：213+219.

[4]殷崇阳，符海霸，喬亚南，胡意，熊文丹，张平.仿真实验在大学物理实验中的应用研究[J].高师理科学刊，2018，38（10）：80-83.

[5]郭文阁，陈海霞，王玮，张小真，杨昌旗，高宏，周红，李兰.仿真实验在大学物理实验教学应用探讨[J].大学物理实验，2015，28（3）：124-127.

[6]丁兰芳，宋民青，王彬.虚拟仿真实验技术在大学物理教学中的应用[J].现代交际，2019（18）：18-19.

[7]程勇.大学物理虚拟仿真实验与物理实验教学改革——以桂林理工大学为例[J].教育教学论坛，2018（20）：102-103.

[8]刘高福，王平瑞，吴旭普.虚拟仿真实验在大学物理实验教学中的应用研究[J].物理通报，2020（6）：92-97.

[9]欧阳建明，彭刚，何焰兰，罗剑，郑浩斌.线上线下混合式大学物理实验教学设计——以示波器使用实验为例[J].物理实验，2020，40（4）：38-41.

[10]程琳，李小云，吴小平，王顺利，金立.大学物理实验教学的困局与破冰——“演示派”与“穷折腾”[J].大学物理实验，2019，32（4）：124-127.