基于虚拟仿真实验平台的大学物理实验教学探索与实践

■佟蕾

（渤海大学物理科学与技术学院，辽宁 锦州 121013）

大学物理实验是理工科类本科生必修的实践课之一，在培养学生科学思维和探究能力方面有着不可替代的作用[1]。随着科技与信息时代的发展，为适应不同教学需求，物理实验教学模式已经多元化发展[2]。尤其在近几年疫情背景下，为了响应国家号召做好防疫工作，在特殊时期会临时开展线上教学，显然对以动手操作为主的大学物理实验课程提出了巨大的挑战。因此，提出一种具有线上线下混合教学功能的新的教学模式成为顺应时代的迫切要求。

虚拟仿真实验是以计算机为主要工具，借助网络平台，建立虚拟的实验环境，利用虚拟实验设备完成实验，处理数据并给出成绩的教学方式。随着虚拟实验技术的不断成熟，在实验过程中可以发挥学生的主体地位.学生不仅可以操作仪器还可以自行设计方案，拟定实验参数，模拟现实中的实验过程，打破了时间和空间的限制，让线下做不了、完不成的实验得以实现.由于虚拟仿真实验的独有特点，因此成为线上完成实验教学任务的重要手段，同时得到了全国多所高校在多个学科中的推广和应用[3-6]。

一、大学物理实验传统线下教学存在的主要问题

（一）课前预习不充分

学生进入课堂之前对实验仪器不熟悉，预习的过程基本是按照实验教材的原理和步骤照搬照抄，没有经过认真思考，达不到预习的目的.

（二）课堂教学效果不理想

传统的大学物理实验受到场地、设备等限制，按照现有的实验条件，往往是两名同学共用一台仪器，这样动手能力弱的同学只是配合另一名同学完成实验，达不到独立训练的目的。同时，在固定教学时间内，学生仅依据老师的指导按部就班的完成实验内容，没有独立的深层次的思考过程，很难达到理想的教学效果。

（三）学生的个性化能力不能充分发展

大学物实验教学过程中，学生一般只能在特定的时间完成特定的实验题目，不能满足不同能力学生在时间上和内容上的个性化实验的需求，在现今“双创”背景下和“竞赛”导向下[7]，需要让学生的个性化能力充分发展，以上都对传统的线下大学物理教学模式提出了巨大的挑战。

二、虚拟仿真实验的优点

（一）有助于学生理解实验原理，激发学生学习兴趣

传统教材上实验原理是二维平面图像，学生很难建立起三维立体图形.在仿真系统中，将实验仪器利用3D 模型立体化呈现，学生利用鼠标键盘操作仪器，实验过程中有一种游戏通关的感觉，极大的激发了学生的学习性趣。

（二）学习时间充足，实验地点灵活

在进行虚拟仿真实验的时候，学生可以利用电脑等设备进行不限次数、不限时间的操作，实验地点也可以灵活选取。由于每个实验题目取最高分计入总成绩，为了取得最高分数，学生会多次操作实验，直至非常熟练.同时，由于仿真实验没有时间限制，对于基础好、能力强的同学，在完成必做题目之后，还可以利用剩余时间完成其他感兴趣的实验题目，尝试探究新的实验思路，甚至利用平台进行创新实验和设计。

（三）操作环境安全，减少损耗

虚拟仿真实验全部在电脑的操作系统中完成，操作环境安全，可以避免学生的错误操作造成的贵重和精密仪器的损坏。如在光学实验中，学生不会接触光学器件造成磨损，或者在电学实验中，学生也不会因为错误操作而“触电”。每个学生都能亲身体验实验操作过程，避免传统实验中两个学生共用一套设备，弥补现有仪器的数量不足或老旧维修等问题，可以起到减少损耗和节约资源的作用[8]。

（四）有利于拓展先进的实验

利用虚拟仿真实验还可以开展高成本的大型实验，对于实验室没有的高端实验仪器，学生可以通过仿真实验去体会和实践，如仿真实验中的法拉第效应以及太阳能电池的特性测量等，既可以开阔学生的眼界，也可为高校培养高端人才打下基础。

三、大学物理仿真实验教学的构建与实施

（一）大学物理仿真实验的教学准备

渤海大学物理科学与技术学院自2020 年开始，采用科大奥锐虚拟仿真实验云平台结合学习通网络课程进行大学物理仿真实验教学，成为线下大学物理实验的重要补充。仿真平台现有仿真实验题目25 个，每个实验题目都有完整的理论基础和相应的视频，同时设计了检验学习成果的测验问题，通过回答问题情况可以统计学生的预习效果。由于大学物理仿真实验开设学期为第2学期，学生缺少专业物理实验的基础知识，所以在学习通课程中首先设计了误差理论、数据处理等相应的理论知识。实验题目的开设按照大学物理中力热、光、电磁、近代物理的课程顺序，学生需完成至少6 个实验题目（见表1），既包含了基础性实验也包含了综合性实验。线下教学时课程可以在仿真实验室进行，特殊时期学生可自行用自己的电脑完成，在教学过程中充分实现线上线下教学模式自由转换。

表1 仿真实验开设的大学物理实验题目

（二）大学物理仿真实验的教学实施

在课前准备环节，教师通过学习通平台发布预习任务，布置预习相关的理论知识。学生可以通过自学实验教材或观看仿真系统里的视频，了解实验原理、操作关键步骤以及注意事项等。教师在学习通平台上对学生的每次预习都留有相应任务，通过完成测试题反馈学生的预习情况和学生实验操作中可能存在的主要问题，这样教师在课堂中就可以有针对性的进行讲解。

在课堂教学环节，教师在课堂中进行讲解，包括重点步骤和注意事项，尤其在介绍实验背景的时候可以引入物理学史，介绍科学家艰难的探究过程和其无私奉献的科学精神，在提升学生兴趣的同时开展“课程思政”，将人文素养和科学素养有机结合。教师讲解后，学生独立完成实验操作，在操作过程中可以多次尝试不同的操作顺序和测量方法，通过不断思考对实验结果进行优化，也可以对提供的仪器进行组合，用不同的方法完成同一实验，并且通过讨论的方式得到最好的实验方法和结果。在此环节，要充分体现出学生的主体地位，所有的教学过程和教学活动都要围绕学生展开，教师尽量减少演示过程，仅起到辅助的作用。在操作过程中，学生会出现各种错误，仿真实验会以最大的容错率允许学生做各种尝试，而不用担心对仪器造成伤害。通过课上的实操训练，学生的自主学习能力以及分析和解决问题的能力都将得到提升，仿真系统操作界面见图1 和图2。

图1 霍尔效应仿真实验

图2 三线摆法测刚体的转动惯量数据界面

课后作业与巩固环节，完成实验后，系统通过对学生操作的规范性和数据的准确性自动给出评判，学生可以在平台上利用“成绩查看”功能查看实验操作成绩。如果学生对成绩不满意，可以多次完成实验，系统自动给出最高分数，在此过程中，学生必定会仔细思考如何让实验操作更规范，如何计算数据更加准确，同时预习过程中不明确的知识点也通过实验得到更好的理解和消化吸收。通过该环节，教师也可以反思自己课堂教学的不足之处，如学生操作的易错点是否重点提示，理论知识是否讲到位，根据学生课堂表现和操作成绩调整预习任务，从而更好的优化课堂教学。

（三）大学物理仿真实验考核体系的构建

仿真系统能够自动对操作步骤和实验数据进行评分，为了全面的考察学生的学习效果，教师通过学习通平台中针对每个实验题目布置相应的练习题，最终课程成绩评定总评成绩构成包含课堂表现、网络课程、实验操作以及实验考核四部分组成，与传统的考核方式不同，实验考核采取线上随机抽题形式，这种线上线下结合的考核方式最大程度保证了学生的参与度和科学评判了学生的学习成果，有利于促进教学质量的提升。具体成绩构成、分值比例及考核形式考核要求如表2 所示。

表2 仿真实验考核成绩构成、分值比例以及考核形式

（四）成绩分析和教学效果评价

大学物理仿真实验经过教学实践取得了良好的学习效果。以渤海大学物理学专业2021 级为例，参加本门课程学习的学生共计139 人，学生的平均分90.9，其中90 分以上100 人，优秀率71.9%，与传统实验相比优秀率有大幅度提高。分析成绩，学生在课堂表现和网络课程两项成绩中除个别同学外，普遍得分较高，原因是除了学生学习态度认真外，全新的实验授课模式得到学生的普遍认可。实验操作环节主要考查正确设计实验步骤，正确使用、调节实验仪器以及数据的处理，学生的成绩在这部分呈现出差异，由于学生可以无限次实验，系统自动记录最高成绩，所以获得高分的同学需要具有较强的操作能力以及不断完善实验的过程，而成绩较低者往往是数据测量误差较大，同时也没有多次重复实验改正错误。通过各项内容的学习和考核，可以发现仿真实验不仅可以锻炼学生的思维能力、合作能力，而且有利于培养学生严谨科学的学习态度。

结合成绩分析，反思教学过程中存在的问题，仿真实验是自动生成的实验报告，学生没有体验和学习报告的撰写过程，同时实验操作的过程主要是鼠标，同学们没有真实的仪器触摸的感觉，这些都需要传统线下实验进行补充.

四、结语

仿真实验的诸多优点，虽不能完全取代线下实验，却以它独特的形式在特殊时期完成了线上教学的使命。随着疫情时代的结束，大学物理实验主体可以回归线下，但是多元化的视角和全新的教学理念已经深入教学一线。在未来的实验教学中，物理仿真实验可以推广到其他专业的大学物理实验课程以及大学物理实验的进阶课程，如近代物理实验等。这种开放的教学模式也为将来的实验教学改革指明了方向，为高校培养出更多具有科学素养的适用性人才提供了借鉴与思考。