利用虚拟仿真平台提高院校物理教师授课效率

孙志鹏 梁媛媛 许佳捷

摘   要：随着越来越多关于虚拟仿真平台的教学改革项目获批，以及各大高校不断推进虚拟仿真教学平台建设，虚拟仿真平台在教学领域具有广阔的发展空间和商业前景。虚拟仿真平台具有不受场地、儀器限制，容错率高等诸多优势，然而目前高校一般仅将其作为辅助预习手段，原因在于虚拟仿真平台存在着网络不稳定、场景还原度不高等问题。高校教师如果能与平台开发者有效合作，针对性改进教学方法，发挥平台优势，将有望在创造经济效益的同时极大地提升物理实验教学的效率。

关键词：虚拟仿真平台；物理实验；授课效率

中图分类号：G633      文献标志码：A      文章编号：1673-291X（2023）23-0122-04

一、研究背景

科学技术的发展是国家经济建设的重要保障和必要支撑，而尖端科学技术的创新和突破离不开基础学科的进步。进入21世纪以来，我国的科学技术和经济建设取得令世人瞩目的伟大成就，这其中离不开党和国家对基础学科教育的高度重视和坚定支持。国家自然科学基金委员会的公开数据显示，数理学部研究课题的平均申请获批率常年位列前茅。而在各大高校的教育教学课题申报立项中，作为“教学大户”的基础学科类课题也往往会得到更多支持。物理学作为重要的基础学科，是几乎所有理工科专业的必修课程。作为一门与实际结合紧密的学科，实验课程的课时数在院校物理学教育中通常占有较高的比重。由于物理学实验受到场地和设备等因素的制约，单次上课学生人数一般不超过30人，实验教师在一个教学周期内往往需要将同一授课内容重复多次，一方面增加物理教师的工作量，降低了工作效率，另一方面影响一线教师在科研工作上的时间投入。所以，如何提升实验课教师的授课效率是当前院校物理教育投资的重要方向。

随着计算机技术、多媒体技术、互联网技术等的快速发展，数字式教学、信息化教学的概念成为近年来各大高校不断探索的热点，并取得一定的效果。其中，虚拟仿真技术在实验课程教学中应用更为广泛。虚拟仿真教学是采用虚拟仿真、人机交互等技术，根据理论与实验教学的需求设计出用于辅助教学的虚拟场景、虚拟环境、虚拟设备及构件库和实验过程等内容，针对性进行设计和拓展教学[1]。我国的虚拟仿真实验始于20世纪90年代末，经过二十余年的发展，经历了从航空航天实验到医学实验等阶段，并在普通高校实验教学中得到广泛应用[2]。教育部从2012年起相继印发了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》等文件[3]，鼓励高校进行虚拟仿真实验中心和示范性虚拟仿真项目建设。当前，全国各高校物理实验课程的虚拟仿真平台建设虽然初见雏形，但主要用于学生的课前预习，为实验课程的线下开展提供支撑[4-5]。2020年以来，由于新冠病毒疫情的影响，很多实验课程无法线下开展，被迫取消，探索利用虚拟仿真平台完成全过程物理实验教学的方法日益迫切，虚拟仿真平台的开发及其相关产业具有极高的商业前景。

随着市场需求的不断扩大，越来越多的企业参与到虚拟仿真平台实验平台的开发中，然而直到目前为止仍然很难有一款平台可以胜任或取代线下物理实验教学的任务。其中困难主要包括网络不稳定、场景还原度不足、教学方法不成熟等原因。本文总结目前虚拟仿真平台开发的优势和主要不足，结合物理实验教学的需求和实际教学经验，深入探讨物理教师如何利用虚拟仿真平台提高工作效率，以及未来虚拟仿真平台开发的潜在方向，进而为后续相关产业的发展提供借鉴。

二、虚拟仿真物理实验平台的优势与前景

（一）突破场地限制，实现多人同时教学

物理实验课程的教学受到实验仪器和试验场地的制约。由于要保证学生做实验时拥有足够的空间，且需要为教师预留出从旁指导的空间，物理教学实验室每名学生的实际使用面积一般要求超过2.2平方米，这远高于一般教室。此外，过大的教室也不便于教师实时指导学生的实践操作，所以，对于很多高校来说，物理实验课程不得不分班教学。而虚拟仿真平台将一切实验内容软件化，通过计算机网络进行实时教学，不需要预留教师指导空间。由于教学过程完全在线上实现，所以即便学生分散在不同的教室也不会影响授课质量。一方面节约教室的空间成本，另一方面解放物理实验教师的时间。以海军军医大学物理实验教学为例，如果通过线下模式进行物理实验教学，同样的实验内容每名教师在一个教学周期内需要重复20次。而采用虚拟仿真平台教学后，则可以实现所有同学同时上课，极大地节约了工作时间，提高了工作效率。如果能够将这一教学模式推广，可以使教育资源得到更好利用，具有很高的推广价值。

（二）线上教学，不受疫情等突发事件影响

2022年我国各地纷纷遭遇了新冠病毒疫情的重大考验。2022年上半年，上海市进行了三个月左右的封城，在封城期间，大部分学校的教学活动都被迫改为线上教学。然而，由于物理实验的特殊性，仅仅通过线上PPT+讲授的模式几乎不可能实现原有的教学质量，更无法完成教学目标。面对这一难题，海军军医大学数理教研室经过讨论决定选取8个物理实验当中的4个，首次采用虚拟仿真平台进行物理实验课程的全过程教学，并与其余4个采用PPT+讲授模式教学的物理实验的教学效果进行比较，发现前者的教学效果更好。如图1所示，图中框内为采用虚拟仿真平台教学的实验。在学员课后的满意度调查中，采用虚拟仿真实验平台进行教学的4门实验课程的反馈明显更好。

由于虚拟仿真物理实验平台可以实现学生和教师在家中进行授课活动，其在应对突发情况时具有其他教学手段无法比拟的优势。所以，即便作为保障教学顺利进行的备用手段，虚拟仿真物理实验平台的开发同样具有重要价值。

（三）建设维护成本低，有更大的利润空间

对于高等学校的物理实验室来说，实验设备的购买固然是一笔较大开支，但是实验设备的维修保养和后续维护费用很可能更高。以常见的物理实验“分光计的调节”为例，每台分光计的价格大约为5 000元，而分光计上的易损坏配件价格一般在20—150元不等。虽然看似价格不高，但由于实验课程的学生大多为第一次接触分光计，其操作很难做到完全规范，所以设备的折损率非常高，再加上同一设备在一个教学周期内要接受很多轮次学生的使用。以海军军医大学为例，根据粗略统计，在线下实验教学中，每个教学周期内平均每台分光计仅更换配件一项就需要大约60元，而平均每个教学周期内，有一台以上的分光计将会彻底损坏无法继续使用。而对于虚拟仿真实验平台来说显然不存在这一问题，设备的折损仅来自于电子计算机硬件的折损，几乎可以忽略不计。此外，对于实验室平台建设来说，一台分光计的价格与一台中高配置的台式机相当，而每台电脑均可以完成全部实验项目，所以虚拟仿真平台将极大降低物理实验室的建设和维护成本。可以说，一旦虚拟仿真平台的前期研发和调试完成，后续仅需要在软件部分进行修补和完善，甚至很多更新和升级可以通过网络来远程实现，避免了工程师的长途奔波。由于虚拟仿真平台只有设计成本，不需要实体制造，所以对于供应商来说更容易控制成本，获得较大的利润空间。

（四）实现标准化考试

物理实验课程的考试一直是个难题。由于传统的物理实验考试方式一般以学生操作、教师打分为主，这一方面增加了教师的工作量，另一方面由于打分具有主观倾向，很难做到完全公平。所以在大部分学校中，实验课程往往“只教不考”。而虚拟仿真实验平台可以精确记录学生在实验操作时的每一个步骤甚至顺序，以及相对应的效果，从而进行精确合理的打分，能够实现实验课程的标准化考核。

除了上述优点之外，虚拟仿真实验平台还可以根据每个学校实际教学情况进行个性化定制，并在使用界面上随时显示本实验的操作要点和实验原理，从而使学生更容易避免因初次实验而带来的慌乱感。可以说虚拟仿真实验平台是未来物理实验教学的必然趋势，蕴含着巨大的发展前景，存在着极高的商业价值。

三、当前虚拟仿真物理实验平台的不足和遇到的瓶颈

尽管虚拟仿真平台存在着诸多优势，很多高校也都购买并建设了自己的虚拟仿真实验教学平台，但是截至目前还从未有任何一所高校完全采用虚拟仿真平台实施全过程物理实验教学。其原因在于目前的虚拟仿真物理实验平台仍存在着诸多不足。

（一）网络稳定性不足

当前的虚拟仿真实验教学平台主要有两种运行模式，其一是学校购买平台使用权限后以供应商平台为内核构建自己的实验教学平台。这种模式需要学校自建实验机房并架设局域网。虽然网络信号相对稳定，但是由于机房场地受限，难以发挥出虚拟仿真实验平台的全部优势。另外一种运行模式是学生和教师都使用自己的个人电脑，通过第三方平台进行线上教学。这种方法虽然在理论上可以容纳更多的学生同时上课，但是更多的人数意味着网络拥堵，数据的有效传输难以保障，很多时候课程的进行并不顺利。此外，由于个人电脑和个人网络状况参差不齐，学生甚至教师都容易出现掉线的情况。在学生课后的调查反馈中，网络不够稳定是反应最多的问题，也是影响虚拟实验平台建设推进的主要障碍。

为了解决这一问题，一方面应加强相关平台使用方的网络基础设施建设，必要时配备专用网络，另一方面应尽量通过程序优化减小平台运行时的数据传输量，必要时可允许用户选择不同的分辨率以保障网络的通畅。

（二）界面设计与实际实验相比还原度有待提升

笔者走访了一些兄弟院校的物理实验教师，当前，各高校对虚擬实验平台持谨慎态度的一个重要原因是虚拟仿真实验平台尚不能完美还原线下实验操作时的全部场景，甚至会遗漏某些关键细节，无法达到教学目的。例如在“分光计的调节”实验中，狭缝的方向被简单地设置为水平或竖直二选一，而实际上狭缝装置可以360度旋转，调节狭缝方向也是完成实验的重要步骤，这在目前已有的主流虚拟仿真实验平台上均难以实现。在对学生进行的课后调查中，同样反馈了类似问题，这将严重影响院校对于虚拟仿真实验平台的认可度和接受度。

解决这一问题需要虚拟仿真平台的供应方与在一线从事教学工作的客户通力合作，密切配合，在产品测试时邀请不同学校的教师甚至学生进行实际操作检验，不断完善产品的还原度，注重细节，至少优先保证课程教学计划中的全部实验操作和教学目的能够顺利实现。

（三）教师教学方法尚不完善

由于虚拟仿真实验平台尚处于初级开发阶段，很多高校的一线物理教师对于如何正确使用虚拟仿真平台实施教学仍不熟练，这导致某些平台供应方精心设计的细节被忽略。很多院校教员在面对线上平台时仍显得手足无措，在实施教学时有些教员仍采用线下教学的授课模式和教案，这显然是不正确的，也降低了学生对于课程的体验感。然而，除了教师本身对虚拟仿真平台比较陌生之外，平台本身没有标准的使用说明也是造成这一问题的因素之一。为了解决这一问题，作为虚拟仿真平台的设计者和开发者，一方面应优化界面设计，简化操作步骤；另一方面针对特色功能和重要细节应给出实际使用和实施教学时的参考意见，这样才能最大化发挥虚拟仿真平台的优势。

除上述问题外，虚拟仿真平台由于其后期使用成本并不高，导致供应商的利润往往仅发生在学校购买平台时。这导致部分供应商为了扩大利润将平台权限设置为按使用时间付费。这本无争议，但由于高校的平台建设项目多为一次性建设，一般不设后续维护基金，或后续维护基金不足以支撑之后的使用金，这也在一定程度上阻碍了虚拟仿真平台的推广。

四、在物理学实验教学中更好运用虚拟仿真平台的方法探讨

针对目前虚拟仿真平台在物理教师教学时面临的主要瓶颈，结合前期教学工作实践，将一些成功经验和教学方法总结如下。

（一）合理选择虚拟仿真平台的类型

市面上的虚拟仿真平台种类繁多、功能各异，教学团队在选择实验平台时应结合自身学情特点和教学要求有针对性地进行选择。例如，在选择“分光计的调节”实验项目时，一般市面上有两种实验项目可供选择，一种是“分光计的使用”，其操作界面更加模式化，优点在于可以对学员的操作步骤进行记录，并给出成绩，适合用于对学员的掌握情况进行考察。而另外一种“3D分光计”的操作界面更加贴近于实际，操作者可以自由地控制仪器角度、缩放比例，同时还可以标记辅助光线，让学员仿佛置身于实验室之中。教师在选择实验平台时若能结合自身的实际情况和教学要求具体实施，不仅可以提升教学效率和学生掌握情况，而且也可以节约实验考试所占用的大量时间。

（二）理论讲述与操作演示相结合

物理实验的原理和实验操作同样重要，尽管虚拟仿真实验平台已经将大部分仪器的名称、使用规则以及很多操作步骤的实验原理写入操作界面当中，但对于第一次进行实验的学员来说，如果没有教员的示范和讲解，仍然很难迅速、透彻的掌握教学内容。因而，在具体授课时，教师可以根据具体情况和教学要求，在讲解实验原理后详细演示实验步骤，或在演示实验步骤的同时深入讲解实验原理。由于虚拟仿真平台可以为每名学员同步教员的操作屏幕，有效避免了传统线下实验教学时后排学员无法看清教员操作细节的问题，有助于让学员真正掌握实验操作要求。

（三）充分利用网络平台加强与学生互动

在实验授课过程中，学员通常会遇到较多共性的问题，由于实验教学的特殊性，这些问题有时需要教员逐个为其解答。例如，在使用分光计测量钠光灯波长时，很多学员对于分光计的读数规则难以迅速而熟练地掌握，常常出现左右游标读数填反或将左读数与左侧条纹混淆的情况。在线上教学时，可以随机抽查几名同学，令其共享屏幕后读数并将数据填写到正确位置，这样一方面可以抽查学员的掌握情况；另一方面，如果遇到具体的读数或填写错误，可以及时提醒全体学员加以注意，加深学员印象的同时能节约大量课堂教学的时间。

五、总结与展望

虚拟仿真平台作为一种新兴的实验教学手段，是国家大力发展和推动的重要发展方向，也是未来物理实验教学改革的趋势。随着越来越多关于虚拟仿真平台的教学改革项目获批，以及各大高校不断推进的虚拟仿真教学平台建设，虚拟仿真平台在教学领域具有广阔的发展空间和商业前景。目前虚拟仿真平台在很多高校的物理实验教学中都已发挥作用，但是主要用于学员的自主预习而非全过程教学。其原因主要有网络及平台系统不稳定，界面设计与实际实验相比还原度有待提升，教师教学方法需要针对性改进等。为了解决这些突出矛盾，工作在一線的院校物理学教师应该与虚拟仿真平台的开发者密切沟通，深入合作，不断总结教学经验和方法，优化和改进平台的设计，有针对性的努力完善平台细节，并根据平台特点和教学要求规范虚拟仿真实验平台的教学方法和使用技巧，最大化发挥虚拟仿真平台的优势。

虚拟仿真平台与其他线上教学模式相比具备能够实现线上多人教学，不受场地设备等因素的限制，不用担心损坏仪器，容错率高，激发学习兴趣和学习热情，建设维护成本低，利润空间广阔，能够实现实验课程标准化考试等诸多优点。本文的研究结论将为今后虚拟仿真平台的开发方向提供借鉴，虽然利用虚拟仿真平台替代线下实验教学仍有一段路要走，但相信经过全体教师、平台方和学生们的共同努力，虚拟仿真平台一定能在未来的物理实验教学中扮演越来越重要的角色。

参考文献：

[1]   张敬南，张镠钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理，2013，30（12）：101-104.

[2]   于凤全.虚拟仿真技术在航空装备教学中的应用[J].科技风，2010，1（6）：20.

[3]   沈延群，刘淑杰.大学物理虚拟仿真实验有效应用研究[J].吉林工程技术师范学院学报，2021，37（11）：106-108.

[4]   谢宁，明成国，任晓斌，等.关于大学物理虚拟仿真实验线上教学的研究和思考[J].中国轻工教育，2020，4（3）：65-68.

[5]   崔连敏，周群，贾宁，等.虚拟仿真的大学物理实验线上线下教学模式探讨[J].实验室科学，2022，1（1）：155-158.

[责任编辑   卫   星]