虚拟仿真实验融入大学物理教学的探讨

吴旭普 刘高福

摘 要：大学物理是高等院校理工类专业学生的一门重要的公共基础必修课。在“四新”建设背景下结合时代特点，文章探究了虚拟仿真实验在大学物理教学中的应用，对大学物理教学方法及手段进行了创新改革。通过改革不仅使学生在创新应用能力和知识思维水平方面上得到了提升，同时也加强了教师自身的教学能力。

关键词：大学物理教学；虚拟仿真实验；“四新”建设；教学创新改革

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.21.089

0 引言

如今，大力推进“四新建设”（新工科、新医科、新农科、新文科）已成为各高校主动适应国家发展战略、调整学科和专业布局、开展一流专业和一流课程建设、推动教学理念和教学方法改革的重要抓手，其研究和实践已在全国普遍展开。物理学作为理工学专业的基础学科，在强化学生科研思维和创新能力上，在开展“四新建设”方面发挥着独特的作用。近年来，贵州师范学院大学物理教学团队在教学模式、教学手段和教学内容等方面进行了改革和持续的探索。前期，本教学团队通过调研本校本科生大学物理课程学习现状，发现了以下问题，并针对所发现的问题对教学模式进行了调整。同时，教师在教学改革过程中要积极吸收先进的教学理念和方法，提升自身的理论水平，并结合实际情况开展教学，在教学实践中提升教学水平。

1 当前大学物理教学现状

1.1 教学内容较多，专业衔接不通畅

大学物理知识体系庞杂且内容繁多。一方面，教师要在规定的时间内保质保量完成教学任务是一个很大的挑战，另一方面不同专业对于物理知识的需求不同，在教学中将所有知识全部教给学生会增加学生的学习负担，学习效果也不明显，对于其专业的发展也有一定弊端；新工科专业更需要物理知识与时俱进的支撑，例如对于电子信息类专业，其专业知识涉及射频、红外、激光扫描等传感器的应用，这些技术都来源于物理学中振动、电磁波、激光等基本知识，受限于课程内容繁多，教师愿意花更多时间来讲解课本知识，没有时间来处理物理知识与专业知识的衔接关系，这就造成了课本知识与新科技的脱节，大学物理教学无法顺利地完成对专业课的承接作用。

1.2 大学物理知识“枯燥、难”，不好教

从访谈和问卷情况来看，学生觉得大学物理难学的主要原因在于大学物理知识逻辑严密，知识庞杂，对于数学的要求很高，大一学生理解起来非常困难，不知如何开展学习；枯燥物理定理、定律和复杂的微积分让学生产生了畏难情绪，无法提起学习的兴趣。另外，相似的物理知识点较多，学生学习起来经常会犯迷糊，不容易全面掌握知识。例如，“动量定理”和“角动量定律”仅一字之差并且表达形式也相似，但使用范围却不同。传统大学物理教学更注重知识的传递，较少地在教学中通过融入家国情怀、科学精神等内容来激发学生不畏艰难、刻苦学习的精神。

“不好教”是教师对大学物理课程的常见评价；一方面是课程知识内容比较多，相关知识较难讲解，学生学习兴趣低；另一方面来自课程教学管理水平的低下。传统的课前预习由学生自主完成，教师缺少对学生的指引和监督，造成学生课前预习效率的低下，且预习的内容与课堂教学无法形成有效联动。传统的纸质作业布置方式也存在批改反馈实时性较差及无法完全杜绝作业抄袭的问题。也无法做到对所有学生学习状态的监督和学习效果的全面客观评价。

1.3 理论与实验割裂

实验是物理学的基础，历史上物理的概念和定理都是通过实验得到的，理论结合实验教学不仅使学生感受到物理知识获取的过程，也能够使学生的综合能力得到提升。传统大学物理教学中教师主要进行理论知识的传输，学生的学习没有经历过程，仅仅是知识的记忆。尽管专门开设了大学物理实验课程，但是受限于教学资源的短缺，学校无法将所有实验都开设，大部分实验只能停留在课本和视频上面；受限于教学安排，实验课与理论的进度不符，学生无法将实验与理论进行对应。造成了大学物理教学的空中楼阁，学生的学习只能停留在初级阶段，无法应用所学知识解决实际问题。

2 教学改革方案及措施

以学生为中心，因材施教，注重不同层次学生对本门课程的学习成果，在优化教学内容的同时，融入虚拟仿真实验、引入信息化教学手段、优化教学管理、完善教学评价等方式方法，构建“课内与课外”，“理论与实践”，“教学与育人”相结合的大学物理课程育人体系，实现对学生知识、能力和素养的协同培养。

2.1 精简教学内容，更新课程体系

以学生发展为中心，根据不同专业需求，精简教学内容；团队成员梳理了大学物理课程所有知识点，按照专业特点进行分类，最终将现有大学物理知识点分为通用性知识点和专业关联知识点，使用物理知识能够与学生的专业相对应；并对各专业大学物理教学内容进行调整（如图1）。例如，生物和化学专业对热学部分的知识需求较大，我们就加大了热学知识在生物和化学专业中的比重，这样的调整使教学更具有针对性，减少学生的学习负担。

2.2 梳理知识，丰富教学方法

（1）采用思维导图梳理知识要点；建构主义的观点表明，结构化的知识体系是减少认知负荷的有效方法。绘制思维导图，是应对大学物理知识庞杂的有效方法。课程结束以后，教师引导学生完成章节思维导图，快速掌握课程的全貌并了解核心知识点在课程中的作用，从而建构知识体系，加深对知识的理解。如图2，力和动量知识点思维导图。

（2）课程思政的渗透，在教学中合理进行思政元素的渗透，不仅仅能够激发学生的民族自信、培养严谨的科学精神和刻苦钻研的精神；还能够激发起学生的学习兴趣，减轻大量理论知识带来的思维沖击。例如在讲解磁场中的带电粒子的知识点时，由于需要进行复杂的公式推导，此时可以让学生讨论“科学家通过什么方式使氘和氚在非常高的温度下发生定向聚变？”，不仅调节了课堂的气氛还让学生了解前沿知识。同时，应用世界观和方法论可帮助学生抓住主要矛盾，理清思路，透过现象看本质，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力。例如麦克斯韦完成著名的“麦氏方程组”实现电磁的统一，这正是辩证唯物主义中“对立统一”思想。

（3）坚持“学生中心”，开展“课前-课上”结合教学；相比于课上教学，课前教学也是教学的重要环节，更能激发学生的自主性，同时也提升了教师对教学过程管理的效率。教师将“课前”学习任务发布在“雨课堂”平台上，学习小组根据教师的学习任务，开展有关知识的讨论，并形成“课前学习报告”，初步了解知识点。课上，教师根据课前学习报告情况组织以学生为中心的课堂教学，通过提出问题、讨论问题、解决问题完成对知识的吸收。每一个环节，学生都能够发挥主观能动性学习，同时也能够及时得到教师的指导。

2.3 构建虚拟仿真实验融入大学物理教学体系

虚拟仿真实验融入大学物理课程的设计，既要满足学生的认知水平，使学生快速将实验与理论结合起来，提高学习效率，又要满足对专业知识的衔接，让学生通过实验掌握基本的实验技巧，提高应用能力。因此，围绕着大学物理核心知识点我们开发了包含力学、热学、光学、电磁学四个维度50个实验项目（其中30个为必修项目），建立了虚拟仿真融入大学物理教学体系，如图3。

（1） 通过屏幕，学生能够随时随地、身临其境地进行实验。教学中教师根据课程内容融入虚拟仿真实验，可课下实验学习，也可以课上教学。虚拟仿真实验项目的融入为物理教学的改革带来了新的契机，特别是在疫情期间发挥了重要作用。

（2）虚拟仿真实验项目与大学物理核心知识点紧密对应，注重通过文字、图片、课下学习，整个仿真实验操作与真实实验操作具有很高的相似性，具有非常直观生动实验场景，虚拟仿真实验系统还提供了即时的指导和提示功能，学生可以通过完成核心知识点对应的实验来经历物理知识探索的过程，加深对知识点的理解。

2.4 优化教学组织，完善教学评价

课前，教师提供自学内容，如：课程平台筛选的在线视频、章节重点内容、微视频、课前测试等。课中，情境设置导入新课内容，多媒体与板书结合授课，探讨式互动，典型例题分析，实践应用案例，科技前沿渗透等。课后，重点内容总结、知识面拓展、线上讨论及答疑解惑、学习小组讨论、项目式探究学习等。

教学评价上突出“过程化考核”，将线上平台学生的课前预习、课堂互动、线上讨论、课后作业、社会活动参与等分别设置各项权重（平时成绩=考勤（10%）+作业（10%）+线上学习（20%）+课堂互动（10%）+线下考试（50%）。），融入评价机制，过程评价组成做到有理有据、公平公正。

3 小结

3.1 教学内容的调整使得教学更加具有针对性

通过对教学内容针对性调整，一方面减轻了各专业学生学习负担，另一方面使得相关的知识更加符合学生专业发展方向，学生的学习积极性得到了激励，提升了教学效率。同时在教学中通过融入传统文化、辩证唯物主义、科学精神等思政元素，不仅仅提升了学生的专业学习水平，也激发了学生的学习兴趣，提高了学生学习的主动性。

3.2 基于信息化教学手段提升了教学效率

通过引入信息化教学手段，加强了教学环节的管理，教师能够及时了解学生的学习状态，并能够根据相关的状态及时进行教学调整。信息化教学的交互性有利于激发学生的学习兴趣和学生主体作用的发挥；网络特性有利于开展协作学习和发现学习，培养学生的创新精神和实践能力，提升了教学效率。同时教师在探索新的教学模式过程中也提升了自身的教学水平。

3.3 实现理论与实验结合的教学

通过即时虚拟仿真实验融入教学，使得实验教学和理论教学得到相互融合。采用交互式教学资源，学生学习不受条件限制，丰富了课程教学内容。针对相应的知识点学生可以及时通过登录虚拟仿真实验系统进行实验，及时将理论知识与实验相结合。学生通过反复实验加深了对物理知识的深入理解，同时学生的实践能力得到了提升。

4 结语

在新工科时代的呼唤下，大学物理教学改革刻不容缓，本文结合大学物理教学中的“痛点”，将虚拟仿真实验融入到大学物理教学中，采用适合学生时代特点的教学方式，解决教学中的实际问题，激发了学生主动性，扩展教学时空，突破授课学时限制，提升了教学效率，让学生真正地体会到物理学有所用。

参考文献

［1］高等教育研究所.吴岩在高等学校专业设置与教学指导委员会第 一次全体会议上的讲话[EB/OL]. http：//gjs. njit. edu. cn/info/1064/ 1599.htm.

[2]刘艳玲，古金霞，梁春恬，等.新工科背景下建筑类高校大学物理教學改革探究[J].大学物理，2022，41（01）：5660.

[3]闫守轩.思维导图：优化课堂教学的新路径[J].教育科学，2016，32（03）：2428.

[4]刘高福，王平瑞，吴旭普，等.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，（06）：9297.