摘" 要：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是理工科專業(yè)學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)實(shí)踐課程，在培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)和利用理論知識(shí)解決實(shí)際問題方面具有不可替代的作用。針對(duì)目前地方高等院校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀和問題，文章以衡陽師范學(xué)院2020級(jí)理工科學(xué)生為對(duì)象，依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和學(xué)習(xí)通平臺(tái)，提出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合學(xué)習(xí)通融入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的新模式，并對(duì)該模式進(jìn)行了實(shí)踐。實(shí)踐表明了此種教學(xué)模式能監(jiān)督學(xué)生預(yù)習(xí)狀態(tài)，使教師有更充足的時(shí)間準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，能搭建交流平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教育資源共享，較大地提高教學(xué)效果，有較大的實(shí)用價(jià)值，值得推廣。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；學(xué)習(xí)通；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1673-7164（2024）35-0102-04

物理實(shí)驗(yàn)不但為物理學(xué)的發(fā)展創(chuàng)造了條件，也為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的研究打下了基礎(chǔ)，為此，高等教育既要重視物理理論教學(xué)，也要重視物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是理工科專業(yè)學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)實(shí)踐課程，在培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)，分析、解決問題的能力和創(chuàng)新能力方面具有不可替代的作用。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、原子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)。目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)改革主要集中在虛擬仿真技術(shù)融入，［1］線上線下混合式教學(xué)模式、［2］翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式、［3］課程思政融入、［4］微課與慕課、［5-6］課程評(píng)價(jià)等方面。［7］文章以衡陽師范學(xué)院為例，基于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)通融入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行實(shí)踐，旨在對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)改革進(jìn)行有益探索。

一、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與分析

第一，實(shí)驗(yàn)設(shè)施配備不足。學(xué)生數(shù)量多，實(shí)驗(yàn)儀器不足，部分實(shí)驗(yàn)儀器因老化而不能使用，通常是2—3名學(xué)生作為一個(gè)小組共用一套實(shí)驗(yàn)儀器，使得實(shí)驗(yàn)過程中動(dòng)手能力較弱的學(xué)生過分依賴同伴，渾水摸魚，達(dá)不到獨(dú)立訓(xùn)練的效果。另一方面，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室未配置多媒體輔助授課設(shè)備，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中碰到的問題難以解決，只能求助于指導(dǎo)教師，但問題較多時(shí)指導(dǎo)教師就無法及時(shí)為學(xué)生提供指導(dǎo)。第二，實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)有名無實(shí)。大學(xué)物理本身課程難度較大，非物理學(xué)專業(yè)學(xué)生興趣不高，實(shí)驗(yàn)原理抽象和實(shí)驗(yàn)儀器的復(fù)雜導(dǎo)致學(xué)生畏懼實(shí)驗(yàn)，提前預(yù)習(xí)的學(xué)生很少。預(yù)習(xí)資料單一，因?yàn)槿狈φ鎸?shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，學(xué)生只能反復(fù)研究教材或者觀看視頻，預(yù)習(xí)的效果普遍較差。第三，授課模式過于陳舊。傳統(tǒng)模式中，教師課前板書相關(guān)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、步驟以及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)前教師一一進(jìn)行講解，并給學(xué)生進(jìn)行演示，學(xué)生只需按照教師的講解步驟復(fù)制操作便能順利完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。這極大地削弱了學(xué)生課前預(yù)習(xí)和深入思考的熱情，也導(dǎo)致難以考查學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的表現(xiàn)，影響了課程的評(píng)價(jià)。還會(huì)導(dǎo)致學(xué)生失去獨(dú)立思考和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的情境，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力和獨(dú)立解決問題能力的培養(yǎng)。第四，理論課與實(shí)驗(yàn)課教學(xué)不同步。許多實(shí)驗(yàn)教學(xué)先于理論課教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解不深刻。實(shí)驗(yàn)儀器少、學(xué)生多，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)目眾多是大學(xué)物理理論課與實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以同步的主要原因，即使實(shí)驗(yàn)儀器滿足需求，開展不同實(shí)驗(yàn)時(shí)更換儀器也將面臨巨大的挑戰(zhàn)，更換過程中也會(huì)增加損壞儀器的風(fēng)險(xiǎn)。第五，課程評(píng)價(jià)相對(duì)單一。目前學(xué)生的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)成績(jī)主要基于實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告通常具有統(tǒng)一的模板。這種評(píng)價(jià)機(jī)制直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)報(bào)告抄襲嚴(yán)重，無法反映學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)掌握情況，難以全面評(píng)估學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)通融入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

（一）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)通融入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要是利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，對(duì)各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行創(chuàng)設(shè)，模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程。實(shí)驗(yàn)過程、數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)成績(jī)均由虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)記錄和保存。學(xué)習(xí)通是基于微服務(wù)架構(gòu)打造的學(xué)習(xí)課程、傳播知識(shí)、管理和分享資源的平臺(tái)?；谔摂M仿真實(shí)驗(yàn)、學(xué)習(xí)通的特點(diǎn)以及學(xué)校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀，本研究提出了將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)通融入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的新教學(xué)模式，具體融入流程見圖1。

（二）新模式的優(yōu)點(diǎn)

1. 利用學(xué)習(xí)通發(fā)布各階段任務(wù)，設(shè)置相應(yīng)的提示，每一階段學(xué)生應(yīng)該干什么一目了然，如圖2所示。學(xué)生進(jìn)度如何，教師通過學(xué)習(xí)通一覽便知。整個(gè)學(xué)習(xí)過程的材料和批閱均由虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和學(xué)習(xí)通記錄，方便教師進(jìn)行期末課程的最終評(píng)定。

2. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)管理，提高預(yù)習(xí)效果，落實(shí)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)打破了實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制，學(xué)生只需電腦和網(wǎng)絡(luò)就能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，并且操作時(shí)間和次數(shù)不受制約。仿真系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)儀器是三維的立體圖形，按實(shí)驗(yàn)原理連接好各實(shí)驗(yàn)儀器后，學(xué)生通過鼠標(biāo)和鍵盤操作實(shí)驗(yàn)儀器便可觀察到儀器的各項(xiàng)功能，有利于學(xué)生掌握實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)儀器的使用技巧。例如，聲速的測(cè)量這一實(shí)驗(yàn)需用到示波器，而示波器上的功能鍵眾多，如果實(shí)驗(yàn)前學(xué)生不了解示波器的使用，實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生可能無法完成利用相位比較法來測(cè)量聲速。更重要的是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟佻F(xiàn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)代入感，從而使學(xué)生獲得更好的預(yù)習(xí)效果。學(xué)生是否在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)里完成了預(yù)習(xí)任務(wù)，系統(tǒng)都有記錄，方便教師實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，從而確保學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)任務(wù)。

3. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助課堂實(shí)驗(yàn)操作，解放教師課前講解并解決學(xué)生疑難問題。實(shí)際課堂實(shí)驗(yàn)時(shí)，因前期的預(yù)習(xí)管理，教師無須再給學(xué)生進(jìn)行前期的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃?，?shí)驗(yàn)步驟等過程的講解，以及實(shí)驗(yàn)演示，因而學(xué)生有更多的時(shí)間來設(shè)計(jì)和完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到疑難問題時(shí)，可以自主利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來解決，也可以求助于指導(dǎo)教師。

4. 學(xué)習(xí)通實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告和作業(yè)，效率更高，實(shí)驗(yàn)報(bào)告電子化更有利于實(shí)驗(yàn)材料的保存。學(xué)生從學(xué)習(xí)通上下載實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板，填入關(guān)鍵原理、步驟、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理便可完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并直接在學(xué)習(xí)通上提交，不需要學(xué)生重新抄寫相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、儀器、原理、步驟等內(nèi)容，這極大地提高了學(xué)生的效率。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的電子化使學(xué)生無須再提交紙質(zhì)版的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，更有利于實(shí)驗(yàn)材料的保存。

5. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)連同實(shí)際實(shí)驗(yàn)考試檢測(cè)實(shí)驗(yàn)效果，解決實(shí)驗(yàn)儀器不夠的問題。在實(shí)驗(yàn)考試時(shí)，因大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)學(xué)生人數(shù)眾多，實(shí)驗(yàn)儀器不夠，分批次也很難讓學(xué)生完成考試，引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行考試可以解決這一難題。教師只需在仿真平臺(tái)設(shè)置考試試卷，考試時(shí)間，學(xué)生登錄考試平臺(tái)即可進(jìn)行考試，并由平臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行判分，教師無須閱卷。

6. 學(xué)習(xí)通搭建討論、資源共享，作業(yè)等平臺(tái)，利于教師課程管理與反思。學(xué)習(xí)通的區(qū)域搭建結(jié)構(gòu)如圖3所示，交流區(qū)主要是教師發(fā)布通知、學(xué)生之間的相互交流和討論、學(xué)生課后反饋的平臺(tái)。資源共享區(qū)主要用來存放實(shí)驗(yàn)講義、經(jīng)典視頻和參考文獻(xiàn)。例如有文獻(xiàn)提供了駐波法、相位法、時(shí)差法、變頻定距法、超聲光柵法、干涉法、共振聲譜法等七種聲速測(cè)量方法并進(jìn)行了理論探討。［8］學(xué)生通過閱讀本文，對(duì)聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)的物理圖像將會(huì)有更清楚的認(rèn)識(shí)；有利于深入理解和探討聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)方法；并有助于實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。有的文獻(xiàn)闡明，運(yùn)用Mathematica軟件動(dòng)態(tài)模擬李薩如圖形，讓學(xué)生直觀了解李薩如圖形以及參數(shù)改變對(duì)圖形的影響，可幫助學(xué)生更好地理解李薩如圖形法測(cè)量聲速的實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)操作技巧，加深對(duì)簡(jiǎn)諧振動(dòng)合成的理解。［9］作業(yè)上交區(qū)用于學(xué)生上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告和預(yù)習(xí)作業(yè)等。成績(jī)發(fā)布區(qū)可提供學(xué)生的查詢成績(jī)通道。課程總結(jié)區(qū)用于教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況總結(jié)課程。

7. 成績(jī)?cè)u(píng)定更加科學(xué)。此模式下，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)不再是根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和期末考試給出，而是根據(jù)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)考試，以及整體任務(wù)完成進(jìn)度等多方面按權(quán)重評(píng)定，成績(jī)?cè)u(píng)定更加科學(xué)。實(shí)踐過程中課程的總成績(jī)=實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)（10%）+實(shí)驗(yàn)操作（35%）+實(shí)驗(yàn)報(bào)告（20%）+實(shí)驗(yàn)考試（30%）+任務(wù)完成進(jìn)度（5%）。

三、“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)+學(xué)習(xí)通”融入教學(xué)實(shí)踐

（一）實(shí)踐的可行性分析

衡陽師范學(xué)院物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)于2015年開始搭建并投入使用，目前系統(tǒng)包括45個(gè)在線仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，涵蓋面廣，涉及力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、電磁學(xué)、近代物理等物理實(shí)驗(yàn)。學(xué)校為每位在校師生設(shè)立了學(xué)習(xí)通賬號(hào)，老師只需在教師端將參加物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)生加入所建班級(jí)，就可以進(jìn)行在線互通互學(xué)。為了知曉學(xué)生擁有電腦的比例在2020級(jí)學(xué)生中進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計(jì)，調(diào)查對(duì)象為生物科學(xué)與環(huán)境學(xué)院9個(gè)班級(jí)，共390名學(xué)生。在學(xué)習(xí)通內(nèi)發(fā)調(diào)查問卷，以班級(jí)為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。圖4提供了相應(yīng)的調(diào)查結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)顯示班級(jí)中擁有電腦人數(shù)占比最高為93.33%，最低為63.64%。學(xué)生可以靈活安排時(shí)間，達(dá)到利用虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的目的。

（二）實(shí)踐方案

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中將使用電腦人數(shù)占比較高的生科1班、生科3班、生科4班和食品科學(xué)1班這四個(gè)班分為第一組，其他使用電腦占比人數(shù)較低的五個(gè)班分為第二組。針對(duì)第一組，對(duì)聲速的測(cè)量和旋光儀測(cè)糖溶液濃度這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)采取新模式進(jìn)行教學(xué)，其他實(shí)驗(yàn)依舊采取常規(guī)的教學(xué)模式，見表1。對(duì)于第二組一律采用常規(guī)的教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)。

（三）實(shí)踐效果

為了檢驗(yàn)新模式的實(shí)踐效果，期末分別從兩種模式培養(yǎng)的學(xué)生中各隨機(jī)抽取40名學(xué)生參加聲速的測(cè)量這一實(shí)驗(yàn)考試，實(shí)驗(yàn)考試結(jié)果如圖5所示。采用新模式教學(xué)培養(yǎng)的學(xué)生都能通過考試，新模式下80分以上的學(xué)生人數(shù)達(dá)26人，占比約為65%，比普通模式高20個(gè)百分點(diǎn)。此外，從新模式培養(yǎng)的學(xué)生中額外抽取了20名學(xué)生，讓這20名學(xué)生依次參加用旋光儀測(cè)糖溶液濃度和弦振動(dòng)與駐波的研究這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的考試。從圖6中可以看出85%的學(xué)生在新模式教學(xué)下的考試成績(jī)高于常規(guī)模式培養(yǎng)下的考試成績(jī)?？梢姡履Ｊ侥茱@著提高教學(xué)質(zhì)量。

四、結(jié)語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合學(xué)習(xí)通融入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的新模式，能夠再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，監(jiān)督學(xué)生預(yù)習(xí)狀態(tài)，使預(yù)習(xí)落到實(shí)處；解放教師課前講解，使學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間更加充足，教師有更多的時(shí)間進(jìn)行答疑；電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生只需提交關(guān)鍵數(shù)據(jù)，極大地提高了學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的效率；能搭建學(xué)習(xí)交流平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)質(zhì)共享，更有利于創(chuàng)新思維培養(yǎng)；成績(jī)?cè)u(píng)定更加客觀、科學(xué)。在新模式下，能大大提高教學(xué)質(zhì)量，值得廣泛應(yīng)用和推廣。

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（責(zé)任編輯：邵秋露）

基金項(xiàng)目：2022年湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目“師范類專業(yè)認(rèn)證背景下地方師范類院校數(shù)學(xué)物理方法教學(xué)改革探索”（項(xiàng)目編號(hào)：HNJG-2022-0915）；2023年湖南工程學(xué)院教研教改研究項(xiàng)目“新工科和工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下《大學(xué)物理》課程教學(xué)改革和優(yōu)化研究”；2019年衡陽師范學(xué)院教研教改研究項(xiàng)目“地方院校大學(xué)物理實(shí)踐教學(xué)研究和實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)：JYKT201908）。

作者簡(jiǎn)介：伍法美（1986—），女，碩士，衡陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院助理工程師，研究方向?yàn)榇髮W(xué)物理教學(xué)、超材料；張定宗（1984—），男，博士，衡陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)槲锢韺W(xué)專業(yè)教學(xué)、磁約束核聚變等離子體物理；唐世清（1982—），男，博士，衡陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院教授，研究方向?yàn)槲锢韺I(yè)教學(xué)、量子信息技術(shù)；盧旺軍（1990—），男，博士，湖南工程學(xué)院計(jì)算科學(xué)與電子學(xué)院副教授，研究方向?yàn)榱孔有畔⑴c大學(xué)物理教學(xué)。