基于“虚拟仿真实验+学习通”开展大学物理实验教学初探

摘" 要：大学物理实验是理工科专业学生必修的一门基础实践课程，在培养学生的学科素养和利用理论知识解决实际问题方面具有不可替代的作用。针对目前地方高等院校大学物理实验教学的现状和问题，文章以衡阳师范学院2020级理工科学生为对象，依托虚拟仿真实验平台和学习通平台，提出了虚拟仿真实验结合学习通融入大学物理实验课程教学的新模式，并对该模式进行了实践。实践表明了此种教学模式能监督学生预习状态，使教师有更充足的时间准备实验，能搭建交流平台，实现优质教育资源共享，较大地提高教学效果，有较大的实用价值，值得推广。

关键词：大学物理；实验教学；学习通；虚拟仿真实验平台

中图分类号：G642" " 文献标识码：A" " 文章编号：1673-7164（2024）35-0102-04

物理实验不但为物理学的发展创造了条件，也为现代科学技术的研究打下了基础，为此，高等教育既要重视物理理论教学，也要重视物理实验教学。大学物理实验是理工科专业学生必修的一门基础实践课程，在培养学生的学科素养，分析、解决问题的能力和创新能力方面具有不可替代的作用。大学物理实验内容涵盖力学、热学、电磁学、光学、原子物理学实验。目前大学物理实验改革主要集中在虚拟仿真技术融入，［1］线上线下混合式教学模式、［2］翻转课堂教学模式、［3］课程思政融入、［4］微课与慕课、［5-6］课程评价等方面。［7］文章以衡阳师范学院为例，基于大学物理实验教学的现状，对虚拟仿真实验和学习通融入大学物理实验课程进行实践，旨在对大学物理实验改革进行有益探索。

一、大学物理实验教学现状与分析

第一，实验设施配备不足。学生数量多，实验仪器不足，部分实验仪器因老化而不能使用，通常是2—3名学生作为一个小组共用一套实验仪器，使得实验过程中动手能力较弱的学生过分依赖同伴，浑水摸鱼，达不到独立训练的效果。另一方面，大学物理实验室未配置多媒体辅助授课设备，学生实验过程中碰到的问题难以解决，只能求助于指导教师，但问题较多时指导教师就无法及时为学生提供指导。第二，实验预习有名无实。大学物理本身课程难度较大，非物理学专业学生兴趣不高，实验原理抽象和实验仪器的复杂导致学生畏惧实验，提前预习的学生很少。预习资料单一，因为缺乏真实的实验场景，学生只能反复研究教材或者观看视频，预习的效果普遍较差。第三，授课模式过于陈旧。传统模式中，教师课前板书相关的实验目的、原理、步骤以及实验注意事项，实验前教师一一进行讲解，并给学生进行演示，学生只需按照教师的讲解步骤复制操作便能顺利完成相关实验。这极大地削弱了学生课前预习和深入思考的热情，也导致难以考查学生在实验过程中的表现，影响了课程的评价。还会导致学生失去独立思考和设计实验的情境，不利于学生创新能力和独立解决问题能力的培养。第四，理论课与实验课教学不同步。许多实验教学先于理论课教学，导致学生对实验原理的理解不深刻。实验仪器少、学生多，以及实验数目众多是大学物理理论课与实验教学难以同步的主要原因，即使实验仪器满足需求，开展不同实验时更换仪器也将面临巨大的挑战，更换过程中也会增加损坏仪器的风险。第五，课程评价相对单一。目前学生的大学物理实验成绩主要基于实验操作和实验报告，实验报告通常具有统一的模板。这种评价机制直接导致实验报告抄袭严重，无法反映学生对实验的真实掌握情况，难以全面评估学生的实验能力。

二、虚拟仿真实验和学习通融入大学物理实验教学

（一）虚拟仿真实验和学习通融入大学物理实验的教学模式

虚拟仿真实验主要是利用现代计算机、互联网等信息技术，对各种虚拟实验环境进行创设，模拟真实的实验过程。实验过程、数据处理和实验成绩均由虚拟仿真实验平台记录和保存。学习通是基于微服务架构打造的学习课程、传播知识、管理和分享资源的平台。基于虚拟仿真实验、学习通的特点以及学校大学物理实验的现状，本研究提出了将虚拟仿真实验和学习通融入大学物理实验课程的新教学模式，具体融入流程见图1。

（二）新模式的优点

1. 利用学习通发布各阶段任务，设置相应的提示，每一阶段学生应该干什么一目了然，如图2所示。学生进度如何，教师通过学习通一览便知。整个学习过程的材料和批阅均由虚拟仿真实验平台和学习通记录，方便教师进行期末课程的最终评定。

2. 虚拟仿真实验进行预习管理，提高预习效果，落实实验预习。虚拟仿真实验打破了实验的时空限制，学生只需电脑和网络就能进行实验预习，并且操作时间和次数不受制约。仿真系统中实验仪器是三维的立体图形，按实验原理连接好各实验仪器后，学生通过鼠标和键盘操作实验仪器便可观察到仪器的各项功能，有利于学生掌握实际实验过程中实验仪器的使用技巧。例如，声速的测量这一实验需用到示波器，而示波器上的功能键众多，如果实验前学生不了解示波器的使用，实际实验过程中学生可能无法完成利用相位比较法来测量声速。更重要的是虚拟仿真实验能够再现实验场景，加强学生的实验代入感，从而使学生获得更好的预习效果。学生是否在虚拟仿真实验系统里完成了预习任务，系统都有记录，方便教师实时监控和管理，从而确保学生完成实验预习任务。

3. 虚拟仿真实验辅助课堂实验操作，解放教师课前讲解并解决学生疑难问题。实际课堂实验时，因前期的预习管理，教师无须再给学生进行前期的实验目的、原理，实验步骤等过程的讲解，以及实验演示，因而学生有更多的时间来设计和完成相关实验，充分发挥学生的主体作用。学生在实验过程中遇到疑难问题时，可以自主利用虚拟仿真实验来解决，也可以求助于指导教师。

4. 学习通实时监测实验报告和作业，效率更高，实验报告电子化更有利于实验材料的保存。学生从学习通上下载实验报告模板，填入关键原理、步骤、数据和数据处理便可完成实验报告，并直接在学习通上提交，不需要学生重新抄写相关实验目的、仪器、原理、步骤等内容，这极大地提高了学生的效率。实验报告的电子化使学生无须再提交纸质版的实验报告，更有利于实验材料的保存。

5. 虚拟仿真实验连同实际实验考试检测实验效果，解决实验仪器不够的问题。在实验考试时，因大学物理实验学生人数众多，实验仪器不够，分批次也很难让学生完成考试，引入虚拟仿真实验进行考试可以解决这一难题。教师只需在仿真平台设置考试试卷，考试时间，学生登录考试平台即可进行考试，并由平台自动进行判分，教师无须阅卷。

6. 学习通搭建讨论、资源共享，作业等平台，利于教师课程管理与反思。学习通的区域搭建结构如图3所示，交流区主要是教师发布通知、学生之间的相互交流和讨论、学生课后反馈的平台。资源共享区主要用来存放实验讲义、经典视频和参考文献。例如有文献提供了驻波法、相位法、时差法、变频定距法、超声光栅法、干涉法、共振声谱法等七种声速测量方法并进行了理论探讨。［8］学生通过阅读本文，对声速测量实验的物理图像将会有更清楚的认识；有利于深入理解和探讨声速测量实验方法；并有助于实验的顺利进行。有的文献阐明，运用Mathematica软件动态模拟李萨如图形，让学生直观了解李萨如图形以及参数改变对图形的影响，可帮助学生更好地理解李萨如图形法测量声速的实验原理及实验操作技巧，加深对简谐振动合成的理解。［9］作业上交区用于学生上交实验报告和预习作业等。成绩发布区可提供学生的查询成绩通道。课程总结区用于教师根据学生的实际情况总结课程。

7. 成绩评定更加科学。此模式下，学生的实验成绩不再是根据实验操作、实验报告和期末考试给出，而是根据实验预习、实验操作、实验报告、实验考试，以及整体任务完成进度等多方面按权重评定，成绩评定更加科学。实践过程中课程的总成绩=实验预习（10%）+实验操作（35%）+实验报告（20%）+实验考试（30%）+任务完成进度（5%）。

三、“虚拟仿真实验+学习通”融入教学实践

（一）实践的可行性分析

衡阳师范学院物理虚拟仿真实验平台于2015年开始搭建并投入使用，目前系统包括45个在线仿真实验项目，涵盖面广，涉及力学、热学、光学、电学、电磁学、近代物理等物理实验。学校为每位在校师生设立了学习通账号，老师只需在教师端将参加物理实验的学生加入所建班级，就可以进行在线互通互学。为了知晓学生拥有电脑的比例在2020级学生中进行了调查统计，调查对象为生物科学与环境学院9个班级，共390名学生。在学习通内发调查问卷，以班级为单位进行统计。图4提供了相应的调查结构统计，数据显示班级中拥有电脑人数占比最高为93.33%，最低为63.64%。学生可以灵活安排时间，达到利用虚拟仿真平台进行预习实验的目的。

（二）实践方案

在大学物理实验教学过程中将使用电脑人数占比较高的生科1班、生科3班、生科4班和食品科学1班这四个班分为第一组，其他使用电脑占比人数较低的五个班分为第二组。针对第一组，对声速的测量和旋光仪测糖溶液浓度这两个实验采取新模式进行教学，其他实验依旧采取常规的教学模式，见表1。对于第二组一律采用常规的教学模式进行教学。

（三）实践效果

为了检验新模式的实践效果，期末分别从两种模式培养的学生中各随机抽取40名学生参加声速的测量这一实验考试，实验考试结果如图5所示。采用新模式教学培养的学生都能通过考试，新模式下80分以上的学生人数达26人，占比约为65%，比普通模式高20个百分点。此外，从新模式培养的学生中额外抽取了20名学生，让这20名学生依次参加用旋光仪测糖溶液浓度和弦振动与驻波的研究这两个实验的考试。从图6中可以看出85%的学生在新模式教学下的考试成绩高于常规模式培养下的考试成绩。可见，新模式能显著提高教学质量。

四、结语

虚拟仿真实验结合学习通融入大学物理实验课程教学的新模式，能够再现实验场景，监督学生预习状态，使预习落到实处；解放教师课前讲解，使学生实验时间更加充足，教师有更多的时间进行答疑；电子版实验报告，学生只需提交关键数据，极大地提高了学生完成实验报告的效率；能搭建学习交流平台，实现资源优质共享，更有利于创新思维培养；成绩评定更加客观、科学。在新模式下，能大大提高教学质量，值得广泛应用和推广。

参考文献：

［1］ 杨亚玲，马驰. 虚拟仿真技术在大学物理课程教学中的应用研究与展望［J］. 物理通报，2021（03）：36-38.

［2］ 甘亮勤，王逸平，穆瑞珍，等. 虚实结合、网络教学与线下实践相融的大学物理实验教学模式构建［J］. 大学物理实验，2021，34（02）：94-97.

［3］ 张潞英，朱传云，陈国杰，等. “翻转课堂”在大学物理实验教学中的应用探索［J］. 教育观察：上半月，2015，4（12）：96-97.

［4］ 吴庆州，王涛，李雷. 大学物理实验开展课程思政的研究与实践［J］. 物理通报，2021（06）：29-32.

［5］ 倪涌舟，周国泉，徐一清，等. 基于MOOCs的大学物理实验教学改革和实践：以浙江农林大学为例［J］. 科教导刊，2021（07）：40-42.

［6］ 韩燕，薛林. 利用微课和云存储提升大学物理演示实验的探讨［J］. 大学物理实验，2019，32（02）：98-100.

［7］ 聂招秀，王腊节，李健文，等. 大学物理实验多元化考核评价体系的探究［J］. 发明与创新：职业教育，2021（03）：76-77.

［8］ 何春乐. 声速测量实验研究［J］. 长治学院学报，2015，32（05）：40-43.

［9］ 姚雪，陈学文，张家伟，等. 李萨如图形的动态模拟及其在声速测量中的应用［J］. 重庆科技学院学报（自然科学版），2019，21（05）：50-53.

（责任编辑：邵秋露）

基金项目：2022年湖南省普通高等学校教学改革研究项目“师范类专业认证背景下地方师范类院校数学物理方法教学改革探索”（项目编号：HNJG-2022-0915）；2023年湖南工程学院教研教改研究项目“新工科和工程教育专业认证背景下《大学物理》课程教学改革和优化研究”；2019年衡阳师范学院教研教改研究项目“地方院校大学物理实践教学研究和实践”（项目编号：JYKT201908）。

作者简介：伍法美（1986—），女，硕士，衡阳师范学院物理与电子工程学院助理工程师，研究方向为大学物理教学、超材料；张定宗（1984—），男，博士，衡阳师范学院物理与电子工程学院副教授，研究方向为物理学专业教学、磁约束核聚变等离子体物理；唐世清（1982—），男，博士，衡阳师范学院物理与电子工程学院教授，研究方向为物理专业教学、量子信息技术；卢旺军（1990—），男，博士，湖南工程学院计算科学与电子学院副教授，研究方向为量子信息与大学物理教学。