學分制下虛實結合的大學物理實驗教學改革研究

張定梅 蔣再富 戴偉 侯蘭寶

摘要：為解決傳統實驗教學受實驗場地、設備老舊、臺套數等因素的限制，純虛擬仿真實驗不利于學生物理背景的理解和動手能力的培養的問題，構建了虛實結合、虛實互動的實驗教學新模式，將實驗預習、線下講解、線上線下操作、數據處理與實驗報告融為一體，讓學生全方位、多維度理解實驗內容。通過線下實操和線上虛擬的互動，彌補了當前大學物理實驗教學的不足，并對大學物理實驗項目進行了優化，提高了實驗教學質量。

關鍵詞：大學物理實驗；虛實結合；學分制；教學改革

中圖分類號：O4-33 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ?文章編號：1008-4657（2023）04-0091-06

0 ? ? ? ?引言

大學物理實驗是大學理工科專業開設的一門公共基礎課程，對于培養學生科學素養和動手能力起著至關重要的作用。地方應用型高校的儀器設備的數量、更新換代率、設備的時效性制約了該門課程的教學，不利于應用型、創新型人才的培養。近年來，國內很多高校針對大學物理實驗課程的教學模式改革進行了大量研究，取得了一定的成效［ 1-10 ］。近年來，隨著互聯網技術的發展，“互聯網+教學”的模式進入了高校的視野。其中虛實結合、線上線下混合的大學物理實驗教學模式的研究是一個熱點。例如，姬鵬飛等［ 11 ］分析了傳統實驗教學與虛擬仿真實驗教學的優劣勢問題，優化了虛實結合的實驗教學模式?？敌∑降龋?12 ］提出了分層次、模塊化的虛實結合大學物理實驗教學新模式。甘亮勤等［ 13 ］分析了大學物理實驗教學改革必要性，提出網絡教學與線下實踐相融的實驗教學模式。魏薇等［ 14 ］構建了虛實結合的BOPPPS實驗教學新模式，顯著提高了大學物理實驗的教學質量。譚佐軍等［ 15 ］提出了虛擬仿真預習與開放實驗室預習有機結合的新實驗教學模式，提高了學生學習興趣和預習質量。以上研究各有側重點，并結合自己的學校特點對虛實結合大學物理實驗教學進行了探索，但系統性和普適性不足。

1 ? ? ? 傳統實驗教學的困難

荊楚理工學院大學物理實驗課程在2017年就實施了選課制，并對全校理工科學生開放。課程總共48學時，3個學分，學生選課成功并確定班級后由一個教師上課。雖然選課制調動了學生的學習積極性，并促進了各個專業的交流與融合，但在實際教學中也遇到了一些難題。

1.1 ? ? ? 選課制制約了分級教學

由于學生來自于不同的學院和專業，專業側重和學生基礎不盡相同，這給教學帶來了困難。由于選課前沒有進行物理基礎知識測試，也沒有對學生進行分級，學生隨機選定一個教學班級上課，無法對學生進行分層、分級教學。雖然荊楚理工學院在制定教學大綱時已經對教學內容進行了分級，也對不同專業的實驗項目進行了區分和優化，但選課制的實施阻礙了分級教學的推進。

1.2 ? ? ? 設備老舊制約了實驗教學

實驗設備臺套數不足、老化也是制約傳統實驗教學的關鍵因素。荊楚理工學院的大學物理實驗設備大多數的使用年限已經超過五年，設備老化嚴重，臺套數也不足。加上最近幾年本科生數量的增加，實驗中心已經是超負荷運轉，雖然進行了實驗室開放，但依然滿足不了學生的需求。特別是無法保證學生的實驗預習，導致很多學生在課內時間內無法完成實驗。其次，由于學生預習不充分，在實驗的過程中無法按照流程進行實驗，導致儀器損壞。例如“分光計的調節及使用”實驗，分光計鎖緊螺絲未打開就進行調節，導致誤差不斷增大，并且三棱鏡損壞也比較嚴重。再例如“電表的改裝及校準”實驗，學生未按照電路圖規范連接電路，導致短路燒壞電表或者電表指針打彎，這都給實際教學帶來了困擾。目前這兩個實驗項目由于臺套數不足，已經無法開出。

2 ? ? ? 純虛擬仿真實驗的不足

疫情期間，由于學生無法返校，我們使用某品牌的大學物理實驗虛擬仿真平臺進行了線上教學。雖然學生按照要求完成了實驗項目，但反饋回來的實驗效果并不理想，主要表現在以下兩點。

2.1 ? ? ? 對實驗的物理背景理解不深刻

虛擬仿真實驗項目是在純虛擬的環境下進行的，里面的實驗儀器都是以三維動畫的形式呈現，很多學生為了節省時間，在沒有預習的情況下就進行了實驗操作，當遇到不會操作的時候，學生就直接查看操作流程指導。沒有仔細體會物理實驗的本質，最后造成期末考核的時候對儀器不熟悉。

2.2 ? ? ? 對學生的動手能力培養培養不足

虛擬仿真實驗操作實際上是靠學生點擊鼠標完成的，與線下的實驗操作存在差別。線下的實驗操作主要由實驗預習、理論講解、操作講解、動手實驗、數據處理等環節構成。學生在實際實驗操作過程中會遇到一些問題，通過問題的解決能夠加深對物理原理、實驗裝置的理解。例如，在做“密里根油滴”實驗時，落到油滴室里的油滴在顯示屏上會斜著運動，這時就要思考是不是試驗儀器沒有調平或者CCD探頭的角度選得不合適。同時也會遇到有的油滴運動得很快，有的油滴運動得很慢，油滴怎樣選擇等問題。研究發現油滴帶的電荷和質量都會影響油滴運動的速度。而這些問題只有在實際操作過程中才能遇到，虛擬仿真實驗只設置了一些固定場景，無法完全再現實驗中遇到的問題，因此在動手能力的培養方面有些欠缺。

3 ? ? ? 虛實結合實驗教學的模式構建

線下實驗和線上虛擬各自的不足，但同時也有各自的優勢：虛擬仿真實驗能夠在線進行實驗操作，不受場地、時間的限制，在疫情期間發揮了較大的作用；而線下實驗能鍛煉學生的動手能力，通過解決實驗中遇到的難題來加深對實驗的認識，提升了認知水平，培養了探究能力。在荊楚理工學院學分選課制大環境下如何兼顧線上與線下教學，并針對學生進行分層分級教學是當前亟待解決的關鍵問題。

我們通過對2021級全校理工類專業學生進行試驗，摸索了一套虛實結合、虛實互動的大學物理實驗教學新模式，如圖1所示。

對于一個新的實驗項目，教師首先發布實驗預習通知，學生在虛擬仿真平臺里面進行初步預習，了解基本實驗原理和物理背景。接下來教師在課堂上進行講解，詳細介紹實驗原理、操作步驟，并強調注意事項。學生可在線上先操作一次，了解實驗的基本操作步驟，并將仿真中遇到的問題記錄下來。再到實驗室進行實操，解決仿真中的問題，加深對實驗的理解，并記錄數據。當線上、線下操作都完成后便進行數據處理環節。數據處理先在線上進行，由于線上處理數據是靠軟件計算完成的，中間過程并不是很清楚。線下再進行實驗報告撰寫，并將線上、線下處理的結果進行對比，最終完成一個實驗項目的整個流程。

楊氏模的測定是荊楚理工學院新購買的虛擬仿真實驗項目，仿真系統包含實驗簡介、實驗原理、實驗內容、實驗儀器、實驗指導、參考資料、實驗演示、實驗操作等模塊，學生可以在仿真系統中預習，熟悉實驗原理，進行實驗初步操作，并與線下操作進行互動，提升實驗教學效果。學生首先登錄虛擬仿真系統熟悉實驗原理、實驗目的、實驗儀器，了解楊氏模量測定儀（包括砝碼、光杠桿、望遠鏡、標尺）的使用方法，掌握數據處理（固體楊氏模量公式、不確定度）的計算方法。然后教師進行線下實驗講解，內容包括固體楊氏彈性模量的公式推導及計算方法、楊氏模量的物理背景、光杠桿的使用方法、望遠鏡仰俯角的調節方法、標尺的讀數及注意事項等，讓學生全方位了解實驗原理和操作步驟。緊接著學生在線上進行實驗操作，遇到問題時可詢問實驗指導教師和實驗員，掌握虛擬系統里面每個功能按鍵的使用和調節。然后結合線上操作遇到的問題再進行線下操作，其中光杠桿的調節要細致，仰俯角的細微的差別會影響標尺在望遠鏡中的讀數。其次，加砝碼的時候要按照順序加減，避免出現回程誤差。當實驗儀器調節好后，便可記錄數據。最后是處理數據，線上處理數據需要利用軟件進行，雖然過程不直觀，但準確度較高?？蓪⒕€上、線下結合，確保計算結果的準確性。

對于實驗考核，我們采用虛擬仿真考核和線下操作考核相結合的形式進行。其中虛擬仿真考核包含基礎原理測試題、數據處理題和實驗項目操作題，占總成績的40％。同時線下也要進行考核，一般是選取一個已經做過的實驗項目進行，需要學生記錄數據并撰寫實驗報告，并考查學生的操作情況，占總成績的60％。

我們也對實驗項目進行了優化，如表1所示，實驗項目包含了力學、電磁學、光學中的內容，并且分為驗證性、綜合性和探究性實驗。

結合我們現有的實驗儀器和虛擬仿真項目，設置了線下實驗、虛實結合實驗和虛擬仿真實驗。其中，包含七個線下實驗，采用傳統的教學完成。六個虛實結合實驗，需要按照圖1的教學模式進行。三個仿真實驗，只需在網上完成實驗項目。由于目前只是虛實結合實驗教學探索階段，沒有將所有項目設置為虛實結合實驗，隨著條件成熟，我們將全面推廣。

4 ? ?虛實結合實驗教學的效果

每屆我們從全校理工科學生里面挑選12組參加湖北省大學生物理實驗創新大賽，圖2給出了連續六屆的獲獎情況。

由圖2可知，2022年我們實施虛實結合大學物理實驗教學以后，實驗教學質量明顯提高，可以看出，前五屆獲三等獎以上數量基本上保持在3項左右，其他基本上是優秀獎。但是在實施了虛實結合的實驗教學后，獲獎數量明顯增加。并且2022年獲得了一等獎一項，由計算機學院的學生獲得，實現了荊楚理工學院參賽以來的大的突破。因此，采用虛實結合、虛實互動的教學模式，大學物理實驗的教學質量明顯提高了。

圖3展示了近五年該門課程學生評教的平均分和實驗平均成績情況。

如圖3所示，大學物理實驗課程采取虛實結合的教學模式后，學生的平均分和學生的滿意度都有一定提高，2020年、2021年學生的平均成績有所下降，這主要是疫情期間有一半的實驗項目采取純虛擬仿真教學造成的，但在2022年實施新的實驗教學模式后，平均成績提高到了85分，說明學生的學習積極性有所提高。此外，從圖中學評教的平均分來看，采用新的模式教學后，雖然每名教師的授課有所差異，但學生的整體滿意度提高了。

5 ? ?總結

傳統線下實驗教學受選課制、場地、設備、時間等因素的影響，純虛擬仿真實驗教學也表現出物理背景理解不深刻，動手能力欠缺等弊端，為了解決此問題，我們提出了虛實結合、虛實互動的大學物理實驗教學新模式。新模式是將實驗預習、教師講解、線上操作、線下操作、線上實驗數據處理、線下實驗報告有機融合，線上虛擬和線下實操進行互動，彌補傳統教學和純虛擬教學的不足。此外，構建了虛實結合的實驗項目，增強了學生的學習興趣，提升了實驗教學水平。通過湖北省物理創新大賽、學評教以及學生平均成績進行檢驗，發現虛實結合的新模式有效地提高了實驗教學質量。

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Research on the Reform of College Physics Experiment

Teaching Based on the Combination of Virtual and Real

under the Credit Dystem

ZHANG Dingmei， JIANG Zaifu， DAI Wei， HOU Lanbao

（School of Mathematics and physics， Jingchu University of Technology， Jingmen 448000， China）

Abstract：In order to solve the problem of traditional experimental teaching being limited by factors such as experimental venues， outdated equipment， and the number of sets， and the problem that pure virtual simulation experiments are not conducive to students' understanding of physical backgrounds and the cultivation of hands-on abilities， a new experimental teaching model that combines virtual and real elements and interactive virtual and real elements has been constructed， integrating experimental preview， offline explanation， online and offline operation， data processing， and experimental reports， enabling students to comprehensively multidimensional understanding of experimental content. Through offline practice and online virtual interaction， the shortcomings of current college physics experimental teaching have been made up， and the projects of the college physics experimental have been optimized to improve the quality of experimental teaching.

Key words：Physics; college physics experiments; virtual with reality; credit system; teaching reform