近代物理實(shí)驗(yàn)課虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)調(diào)查與分析

陳 卓，張志華，于婷婷，赫 麗，方 愷

(同濟(jì)大學(xué) 物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體與仿真技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以通過(guò)相關(guān)操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，像在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[1].虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)則是基于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)教學(xué)系統(tǒng)，是面向教學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)室.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)一般可以分為虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理兩部分[2].虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能與真實(shí)實(shí)驗(yàn)臺(tái)類(lèi)似，學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)輸入等方式，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中的虛擬儀器進(jìn)行配置、連接、調(diào)節(jié)和使用[3].開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，需要通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)向?qū)W生、教師和管理員提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理功能[4]，采用網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)管理可以有效地提高虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在教學(xué)上的應(yīng)用效果[5].仿真實(shí)驗(yàn)在改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，改革實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)上起到重要作用，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)擺脫課堂和課時(shí)的局限，在時(shí)間和空間上得到延伸，從而提升了大面積實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的質(zhì)量和水平[6].

本研究使用的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為科大奧銳公司的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，內(nèi)嵌31個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)，包括力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)及近代物理等方面的實(shí)驗(yàn).學(xué)生可以通過(guò)登陸虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)下載實(shí)驗(yàn)大廳，安裝后可進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn).系統(tǒng)還提供用戶管理，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)以及在線演示等功能，學(xué)生可以查看實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容和演示.在近代物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，學(xué)生使用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量.通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查，本項(xiàng)研究工作對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)虛擬實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知和態(tài)度以及特定因素與學(xué)習(xí)效果的相關(guān)性等進(jìn)行比較分析和綜合研究.

1 虛擬實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

虛擬實(shí)驗(yàn)的研究興起于20世紀(jì)40～50年代，歐美國(guó)家在虛擬實(shí)驗(yàn)方面研究較早，目前在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，研究領(lǐng)域比較廣泛，包括軟件開(kāi)發(fā)、硬件開(kāi)發(fā)、使用效果研究等，開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)主要用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)、軍事培訓(xùn)等方面[7].

美國(guó)猶他州立大學(xué)于2008年開(kāi)發(fā)了PCR Virtual Lab，它是基于Web瀏覽的虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)單擊、拖動(dòng)等操作，根據(jù)提示信息和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作，并即時(shí)獲得相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)效果和實(shí)驗(yàn)信息.

我國(guó)在20世紀(jì)90年代初開(kāi)始虛擬實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究，開(kāi)發(fā)了一系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件.一些高校開(kāi)發(fā)了基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室[8-9]，如浙江大學(xué)化學(xué)系開(kāi)發(fā)了虛擬有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，中國(guó)科技大學(xué)在1996年開(kāi)發(fā)出第一套虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，1998年升級(jí)為Windows版本，之后在規(guī)模和虛擬技術(shù)水平上不斷提高和完善.

2 教學(xué)調(diào)查方法和過(guò)程

虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用與推廣開(kāi)辟了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新途徑.為了了解近代物理實(shí)驗(yàn)課程和虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)應(yīng)用情況，本文對(duì)學(xué)生關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)的基本認(rèn)知和態(tài)度及學(xué)生實(shí)作實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ο嚓P(guān)度等問(wèn)題展開(kāi)了調(diào)查研究.

研究對(duì)象為大學(xué)三年級(jí)本科生，共33名.在其近代物理實(shí)驗(yàn)課上除了實(shí)作實(shí)驗(yàn)部分，還加入虛擬實(shí)驗(yàn)部分，每名學(xué)生需在系統(tǒng)上完成3個(gè)確定的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，由教師進(jìn)行評(píng)分，根據(jù)學(xué)生實(shí)作實(shí)驗(yàn)得分情況和虛擬實(shí)驗(yàn)部分得分情況進(jìn)行相關(guān)分析.學(xué)生使用系統(tǒng)之后，實(shí)施了問(wèn)卷調(diào)查，發(fā)放了33份問(wèn)卷，回收31份，其中有效問(wèn)卷29份.問(wèn)卷內(nèi)容包括對(duì)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)情況和學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)認(rèn)知和態(tài)度的調(diào)查.通過(guò)使用SPSS對(duì)問(wèn)卷內(nèi)容進(jìn)行分析，得到實(shí)驗(yàn)課教學(xué)情況和學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)認(rèn)知和態(tài)度的調(diào)查結(jié)論，給出合理的分析和建議.

3 研究結(jié)果和結(jié)論

3.1 學(xué)生態(tài)度調(diào)查

問(wèn)卷調(diào)查了近代物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生態(tài)度等，本文使用SPSS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重響應(yīng)的頻率分析，根據(jù)結(jié)果分析現(xiàn)狀，給出結(jié)論和建議.

“關(guān)于目前物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)存在的問(wèn)題”的調(diào)查結(jié)果如圖1所示，調(diào)查結(jié)果說(shuō)明了目前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中現(xiàn)存的一些問(wèn)題及其出現(xiàn)的頻率，其中實(shí)驗(yàn)儀器損壞失靈給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)麻煩的問(wèn)題出現(xiàn)頻率最高，學(xué)生應(yīng)付實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容理解與物理原理聯(lián)系少的問(wèn)題和學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)儀器功能步驟時(shí)間太短等也是常見(jiàn)的問(wèn)題.

圖1 物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)存在的問(wèn)題統(tǒng)計(jì)圖

對(duì)于以上出現(xiàn)頻率較多的問(wèn)題，使用虛擬實(shí)驗(yàn)提供了一種解決問(wèn)題的途徑，可以避免儀器損壞的情況，用虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)以提高課堂上做實(shí)驗(yàn)的效率等，學(xué)生在課后也可以通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)隨時(shí)復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.

3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)認(rèn)知和態(tài)度調(diào)查

關(guān)于“虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軒椭鷮W(xué)生在哪些方面得到提高”一題的調(diào)查結(jié)果如圖2所示，反饋調(diào)查結(jié)果說(shuō)明學(xué)生在使用虛擬實(shí)驗(yàn)后認(rèn)為自身在以下幾個(gè)方面有所提高：自主解決問(wèn)題能力、實(shí)踐能力、智力水平、創(chuàng)新能力、批判性思維以及決策能力.

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軒椭鷮W(xué)生在哪些方面得到提高的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

關(guān)于“虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際操作儀器相比所具備的優(yōu)點(diǎn)”的調(diào)查結(jié)果如圖3所示.調(diào)查結(jié)果說(shuō)明學(xué)生在使用虛擬實(shí)驗(yàn)后，認(rèn)為其具有的突出優(yōu)點(diǎn)為：可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以及使用虛擬實(shí)驗(yàn)不用擔(dān)心設(shè)備損壞問(wèn)題和安全問(wèn)題，還可用一些造價(jià)昂貴的、平時(shí)難以接觸到的儀器設(shè)備等方面.

圖3 虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際操作儀器相比所具備的優(yōu)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)圖

以上結(jié)果說(shuō)明，學(xué)生在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)后認(rèn)為其具有較好的安全性，更少的時(shí)間、空間限制性，使用虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)茉谧灾鹘鉀Q問(wèn)題能力、實(shí)踐能力和智力水平上得到提高.教師應(yīng)積極引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)使用虛擬實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，可采取實(shí)作實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)并行的方式，培養(yǎng)學(xué)生多方面的素質(zhì)和能力.

3.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc虛擬學(xué)習(xí)效果的相關(guān)性分析

本文考慮用學(xué)生虛擬實(shí)驗(yàn)成績(jī)表征虛擬學(xué)習(xí)效果，探究學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力與學(xué)習(xí)效果的相關(guān)性，用學(xué)生近代物理實(shí)驗(yàn)課前5次實(shí)作實(shí)驗(yàn)成績(jī)平均值表征實(shí)驗(yàn)探究能力，用3次虛擬實(shí)驗(yàn)成績(jī)平均值表征虛擬學(xué)習(xí)效果，進(jìn)行相關(guān)性分析.

表1表明，學(xué)生實(shí)作實(shí)驗(yàn)成績(jī)與虛擬實(shí)驗(yàn)成績(jī)呈現(xiàn)中度相關(guān)性，可推論學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力和使用虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果呈現(xiàn)中度相關(guān)性.

表1 實(shí)作實(shí)驗(yàn)成績(jī)與虛擬實(shí)驗(yàn)成績(jī)相關(guān)性

注：**在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

學(xué)生實(shí)作實(shí)驗(yàn)成績(jī)和虛擬實(shí)驗(yàn)成績(jī)的箱線圖如圖4所示，可以看出，實(shí)作實(shí)驗(yàn)成績(jī)中位數(shù)位置稍高于虛擬實(shí)驗(yàn)成績(jī)，但相差不大，說(shuō)明同一批學(xué)生實(shí)作實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)探究能力在同一時(shí)間段內(nèi)基本一致.從四分位數(shù)來(lái)看，虛擬實(shí)驗(yàn)成績(jī)范圍更大；從最大值和最小值來(lái)看，也是虛擬實(shí)驗(yàn)范圍更大，因此學(xué)生之間虛擬實(shí)驗(yàn)探究能力相比實(shí)作探究能力離散度更大.用SPSS對(duì)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析可知學(xué)生實(shí)作實(shí)驗(yàn)成績(jī)和虛擬實(shí)驗(yàn)成績(jī)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.635，樣本容量為29，呈現(xiàn)中度相關(guān)性.

圖4 實(shí)作實(shí)驗(yàn)成績(jī)與虛擬實(shí)驗(yàn)成績(jī)的對(duì)比箱線圖

4 結(jié)論和展望

本文對(duì)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)情況、學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的基本認(rèn)知和態(tài)度以及學(xué)生實(shí)作實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ο嚓P(guān)度等問(wèn)題展開(kāi)了調(diào)查研究.在近代物理實(shí)驗(yàn)課上加入虛擬實(shí)驗(yàn)部分，使學(xué)生在課程中既進(jìn)行實(shí)作實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目，也進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.

問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果表明：目前實(shí)驗(yàn)課存在一些常見(jiàn)問(wèn)題，如實(shí)驗(yàn)儀器損壞失靈給實(shí)驗(yàn)操作帶來(lái)不便；學(xué)生做實(shí)驗(yàn)態(tài)度不端正，應(yīng)付實(shí)驗(yàn)報(bào)告；課堂上熟悉實(shí)驗(yàn)儀器功能和實(shí)驗(yàn)步驟的時(shí)間太短等，使用虛擬實(shí)驗(yàn)可以較好地加以解決.虛擬實(shí)驗(yàn)還提供了多樣化的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)方法，并且不受時(shí)間和場(chǎng)地的局限，讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究自己的疑問(wèn)，鍛煉了自主探究能力和實(shí)踐能力.

本文考慮用學(xué)生虛擬實(shí)驗(yàn)成績(jī)表征虛擬學(xué)習(xí)效果，探究學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力與學(xué)習(xí)效果的相關(guān)性.結(jié)果表明：學(xué)生實(shí)作實(shí)驗(yàn)成績(jī)與虛擬實(shí)驗(yàn)成績(jī)呈中度相關(guān)性，進(jìn)而推論學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力和使用虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果呈中度相關(guān)性，學(xué)生之間虛擬實(shí)驗(yàn)探究能力相比實(shí)作探究能力的離散度更大.