大学物理实验虚实结合实验教学模式的实践与探索

2021-05-07姬鹏飞孙现亭田明丽

大学物理实验 2021年1期

姬鹏飞，孙现亭，田明丽

(平顶山学院电气与机械工程学院，河南平顶山 467000)

大学物理实验作为理工科院校基础教学中大学生必修的一门课程，实践能力强，对于培养学生实事求是、严谨认真的科学态度；分析问题、解决问题的能力；理论联系实际，科学素养等方面发挥着重要的作用。随着互联网+教育快速发展，必将引起教学理念、教学模式和学习方式等深层的变革，因此，实验教学应当充分利用包括网络技术、多媒体教学软件等在内的现代教育技术、营造多元化的教学模式[1,2]。在高校课堂改革要求打造金课的背景下，不仅要在传统模式的基础上更新现有环境条件与教学理念，而且要探索实施线上(虚拟仿真实验)+线下(实操实验)混合式新的教学模式，从而变革学习方式，达到良好的教与学的状态[3]。目前已经有一些高校结合虚拟仿真实验对大学物理实验教学改革进行了一些尝试，并取得了一定的效果[4,5]，但如何在大学物理实验教学改革中能够持续的促进实验教学的提高和发展是实验教学改革的根本，文章结合我校大学物理实验教学实践中的经验，分析实操实验与虚拟仿真实验在实验实践教学中的优劣，在线上+线下虚实结合的实验教学模式下，提出优化虚实结合实验教学模式的建议。

1 传统实验的优势与问题

1.1 传统实操实验的优势：

实践是检验真理的唯一标准，实操实验是实验教学的灵魂，是实验课必要不可或缺的环节。实操实验在实验教学中能够直接、真实地把实验现象展示出来，学生通过观察，动手操作，从感性认知中能够发现-分析-解决问题，最终上升到理性认识，获取知识的精髓。这对于学生动手能力、分析解决问题的能力以及理论联系实际能力以及科学素养等方面的培养起到至关重要的作用。

1.2 传统实验教学中的问题：

(1)实验预习环节：学生实验预习积极性不高，虽然很多学生交了预习报告，但是可能也是千篇一律地抄写，做到有效预习的学生寥寥无几，预习效果差。

(2)实验授课环节：虽然实验教师与时俱进，不断更新教学观念，改变教学方法，但传统的大学物理实验的授课过程—教师课堂讲授+学生实操实验，这种模式下课堂的教与学的学时有限：在两个学时的实验授课中，实验课堂中时间的把控变成了许多实验教师的最大困扰：如果同学们要想顺利地完成实验，那么，实验教师往往要在课堂上详细的去讲解目的，原理，仪器操作，甚至是一些常规的注意事项等知识，这样保证学生能够完成实验，但是学生在实操过程中并没有时间发现问题，分析问题，而是按照老师的详细讲解进行操作，这样达不到实操实验的实验目的[6]；课堂上倘若把大部分时间留给学生，一些学生没有有效地进行实验预习，则很多学生无法在课堂上完成实验，课堂教与学的效果不理想。

(3)信息回馈环节：实验报告往往是上交到授课的实验教师那里，经批改后装订成册留档，学生只能看到自己的实验成绩却不能看到自己的实验报告的问题所在，更不能对问题进行纠正，因而不能形成有效回馈。

(4)大学物理实验一些实验设备陈旧，且部分设备价值高，设备更新速度慢，跟不上社会发展的速度和满足不了学生对于高大上的心理需求。

2 虚拟仿真实验的优势与问题

2.1 虚拟仿真实验的优势

(1)虚拟仿真实验操作，不受课时、地点限制、不受实验次数和一些随机因素影响，是实验教学内容在时间、空间上得到了延伸[7]，在疫情期间，同学们无法到校，则只需要具备电脑及网络则可以随时随地去进行仿真实验操作，最大限度地弥补无法进行实操带来的不足。

(2)对于一些具有价格高昂实验设备的实验或者危险系数高的实验(比如实验中使用大型仪器设备、高温、高压、强电设备等)，虚拟仿真实验可以达到实操实验难以实现的效果，可以实现对传统实验的有效补充，是传统实验教学有效的辅助手段[8]。

(3)虚拟仿真实验可以实现绿色实验教学：由于在网络上进行仿真实验操作，不消耗实验耗材，能够有效减少实验经费，节约教学资源[9]。

(4)虚拟仿真实验在线操作过程中能够师生互动，学生能够及时查看自己仿真效果，并且实验完成后可以通过网络提交实验报告，教师批改后学生亦可及时查看，对于出现的问题及时的修正，从而提高学习效果，能够有效解决传统实验报告反馈问题。

2.2 仿真实验中存在的问题

(1)仿真实验的内部逻辑步骤和结果都是按照实验内容和规律，以及编程人员的思路确定下来的，固定的，即使有偏差也是人为设定出来的，一切都在预料的范围之中，因此，仿真实验在培养学生的实验技能和能力、创造发现的机会与环境方面的确有所欠缺。

(2)仿真实验不能单独存在，我院2012年引进科大奥瑞大学物理实验2010在线版，最初让学生以开放实验的形式选做仿真实验操作，其中一些实验是在实验室内并没有开设导致学生没有进行实操实验的探索，这样的效果非常不理想，用仿真实验替代实操实验是不合适的，没有实操的检验是不合理的，做了仿真实验并不等于真正做了实验，效果很不理想，犹如纸上谈兵。

(3)为了辅助实操实验引入的虚拟仿真实验的使用中，除了仿真实验外，仿真实验平台提供了几乎全套实验的内容，从实验简介、实验原理、实验内容、实验仪器，但这种罗列的模式跟实验教材几乎没有区别，不能激发学生的兴趣，并不能解决传统实操实验中的预习环节遇到问题。

3 虚实结合教学模式的探索

2012年以来我院尝试引入虚拟仿真实验的基础上，不断的尝试传统实验结合仿真实验的教学模式，线上与线下的结合改变了单一的传统实验教学模式，实现传统的实操实验与仿真实验的优势互补，并确定了的传统实操的核心地位以及虚拟仿真实验的辅助定位，优势互补。针对设备陈旧问题，2019学年末我院对大学物理实验设备进行了更新，根据不同学科专业特点，开设具有典型性的实验，最大限度的发挥实操实验的功能。但是实操实验与虚拟仿真实验相结合的教学模式，如图1所示，还有问题需要解决，进行实践探索：

图1 虚实结合实验教学模式

(1)根据大学物理实验课题组长期经验来看，虚拟仿真实验的引入并没有解决预习环节效果差的情况，这就需要强化虚拟仿真实验平台的展示作用：仪器特点、实验原理以动画演示、实体视频演示等方式呈现给学生，这样的效果相比仿真实验项目上自带的纯文本内容更加容易让学生接受[10,11]；同时可以把一些优秀的实验教学视频放置到实验平台上，亦可链接相关MOOCs开放资源，摆脱学生在网络上寻求到鱼龙混杂的实验资源，学生可以搜寻、发现实验共同点，拓宽学生的视野及解决问题的途径，深化认识[12,13]。仿真实验平台课前预习内容强化，能够有效提高学生预习的积极性，势必会提高学生预习的成效，结合仿真实验及实操实验一起达到最优的实验效果。

(2)对于部分基础仿真实验，增加规范学生的实验操作的设置，对于只求结果不管过程的一些学生起到良好的过程约束作用，不规范的操作能够得到有效的提示，对于良好实验操作习惯的形成至关重要。

(3)仿真实验应紧密结合有限实操实验(时间和空间)，作为实操实验的拓展和辅助手段，开发实操实验中相应的、分层次的实验内容[14,15]，相对应的仿真实验内容使虚拟仿真实验和实操实验达成一一对应的关系，虚实有效结合，形成有效互补，实操实验和仿真实验各自优势最大化且不足又能最大化消减，另外，分层次的实验内容，难易层次分明，容易激发学生学习的兴趣，诱导其逐步深入，循序渐进、达到触类旁通的实验学习效果。

(4)对于虚拟仿真实验应根据技术成熟度和成本的情况，适时加入一些仿真操作新技术，比如VR技术引入，友好的人机交互，让仿真实验更加贴近真实的实操实验。