基于虛擬仿真平臺的大學物理實驗教學改革探索*

石瑛 呂桓林

(大連工業大學基礎教學部 遼寧 大連 116034)

大學物理實驗是高等理工科院校必修的一門重要基礎課，是所有理工科學生進入大學后最早開設的一門比較系統、全面的實驗課程．隨著計算機和互聯網的飛速發展，大學物理實驗教學也在發生著深刻的變化．傳統的實驗教學存在著嚴重的不足，例如，學生人數多導致排課困難，實驗儀器更新快導致增補困難，由于場地不足導致實驗室建設滯后，教學方法單一導致學生缺乏學習主動性和創造性，這些亟待解決的問題使得實驗教學質量也面臨著嚴峻的挑戰．因此，實驗教學必須要進行全面徹底的改革和創新．隨著虛擬技術的發展成熟，虛擬仿真實驗本著以學生為中心，教學相長，可以提高學生參與化、趣味化、體驗化、實踐能力和創新意識；可以讓以往做不到、做不好、做不了、做不上的實驗成為現實；可以擴展教學內容的廣度和深度、延伸教學的時間和空間、打破理論課堂與實踐教學傳統壁壘，顯著提高實驗教學的質量和水平，從而得到全國很多高校的廣泛應用[1～4]．

然而，紙上得來終覺淺，教學改革不能只停留在理念上，更重要的是著手去做．本文在大連工業大學物理實驗中心現有的虛擬仿真實驗平臺的基礎上，充分考慮我校學生自身的發展需要，結合不同專業學生的特點，重視學生實踐能力的培養，去探索大學物理虛擬仿真實驗教學改革的道路，最大程度地發揮虛擬仿真實驗的作用，從而完成交互性、開放性、啟發性和自然、靈活、安全、高效的人性化教學過程．

1 我校大學物理實驗教學中心建設情況

大連工業大學物理實驗教學中心，面向全校40個本科專業開設6門實驗課程，每學年約有2 000人上物理實驗課．自2014年起，為適應新時代學生需要，利用網絡的普及和信息技術發展，通過制作教學視頻、PPT以及思考題，開出包括12個基礎性實驗、8個綜合性實驗、3個設計性實驗，以及實驗緒論課．根據《教育部辦公廳關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》(教高廳〔2017〕4號)精神，我校積極開展虛擬仿真實驗平臺建設，并獲批遼寧省大學物理虛擬仿真實驗教學示范中心．經過多年建設，實驗教學中心取得了一些成績．在硬件方面:(1)中心建立了專用服務器組，由2臺IBM專業服務器組成；(2)校園無線網絡覆蓋，可以提供免費上網環境；(3)學校公用的大型機房，為沒有電腦的學生提供上機條件；(4)中心目前建立了3個虛擬仿真實驗室，均配備了電腦等設備，并對學生開放了虛擬仿真實驗，如圖1所示．在軟件方面,實驗教學中心擁有:(1)大學物理虛擬仿真實驗中心門戶網站系統；(2)基于組件的仿真實驗系統；(3)物理實驗預習與自動判卷系統；(4)物理實驗交互系統．借助安徽某公司雄厚的技術研發實力和良好的產學研合作平臺，利用優質虛擬仿真實驗教學系統，大學物理實驗課程建成了線上線下、虛實結合、相互補充的實驗教學資源體系．

圖1 虛擬仿真實驗室

2 基于虛擬仿真平臺的大學物理實驗教學改革

2.1 開展虛擬仿真教學的準備工作

2019年1月，由大連工業大學物理教研室教師團隊編寫的《大學物理實驗》中，編入了虛擬仿真實驗平臺學生以及教師的網站登錄方式和使用方法，介紹了目前平臺擁有的實驗項目．虛擬仿真實驗平臺包含41個仿真實驗，分別涵蓋了電磁學(3個)、光學(10個)、電學(12個)、近代物理學(4個)、熱學(5個)、力學實驗(7個)．實驗中心根據教學大綱設計相關實驗，包括虛擬仿真實驗大綱、實驗簡介、實驗內容、實驗儀器、在線演示、實驗作業等，學生可以登錄仿真實驗系統，根據實驗指導在線獨立完成相關實驗．

實驗中心為了開出虛擬實驗，首先購買了一體機電腦，解決了學生上虛擬實驗的設備問題．其次，完成實驗室聯網工作．通過實驗中心門戶網站進入虛擬仿真實驗系統的方式有兩種，一種是網頁版，學生可以登錄進行課前、課后的自主學習．一種是下載實驗大廳，學生登錄后可以雙擊下載實驗，通過鼠標操作虛擬場景的實驗儀器進行仿真實驗，記錄實驗數據并提交實驗結果．這兩種方式都需要聯網才可以操作．為了解決聯網問題，我校網絡信息中心提出在實驗室安裝無線Access Point(AP)，既能節約空間又能保障教學的順利進行．最后，為了能夠統計學生預習系統以及實驗系統使用情況，我們需要提前將學生學號名單導入到仿真系統平臺．但由于學校內網限制，外網無法進入內網直接更改服務器信息，學生名單需經過學校相關教師加入到服務器中．由于每學年都需要進行升級維護更新學生名單，否則學生只能使用公用賬號進入系統學習，這將極大地降低預習系統的監控性，針對這一問題，我們期待學校在展開多個虛擬仿真實驗項目以后，能夠建立與安徽某公司的長期合作，開放部分服務器維護功能．在前期工作準備期間，實驗中心還通過DPU物理實驗教學和奔跑吧DPU物理君微信公眾號以及多個QQ群等方式對虛擬仿真實驗進行宣傳，并面向全校學生開放虛擬仿真實驗平臺公用賬號．

2.2 虛擬仿真教學的實施過程

第一批進行虛擬仿真實驗的學生是我校藝術設計學院藝術與科技專業學生．藝術與科技專業，秉承著人類知識是統一的整體，學科之間存在一定的聯系，將各種學科在知識背景、思維方法、學習能力、技能操作等方面的教育相互補充、融合和貫通，來促進學生思維方式的多元化、知識掌握的綜合化，從而培養學生創新意識、創造精神和實踐能力．對于這樣一批極具專業性的學生，物理實驗中心充分考慮學生本身的特點，以及對于該專業學生開設物理實驗的目的，我們按照藝術創造過程應遵循的開放式原則，為學生提供了綜合性現場實驗以及基礎性虛擬仿真實驗兩部分物理實驗內容．實驗發現，對于綜合性物理實驗，由于所需要的基礎知識內容比較多，教師講解過程較長，學生表現出的興趣不多，也沒有熱衷于完成實驗得到實驗結果．而在基礎性虛擬仿真實驗中，學生表現出躍躍欲試的積極性，普遍表示更容易接受仿真實驗形式．對于仿真實驗，學生在平臺操作實驗的同時，會主動將遇到的問題及時咨詢任課教師，與大家一起討論，充分調動了學習的主動性和積極性，參與度很高．

在以往的實驗教學模式中，學生被要求課前完成實驗預習、課上認真聽實驗講解、最后完成實驗并給出正確的實驗結論．經過此次實驗，我們發現，在這一過程中，我們往往忽略了學生的體驗感受，忽略了給學生提供思考的時間和空間，從而導致以往成績評定仍主要看實驗的結果而定，輕過程而重結果的傾向十分明顯．提高學生的整體素質和綜合能力必須重視學生的學習過程，特別是實驗教學，實驗允許失敗，實驗教學既是學習的過程也是探索的過程，沒有哪個實驗一定會百分百成功，虛擬仿真實驗為學生提供了這樣的機會，讓學生能夠大膽地動手進行實驗操作，而不用擔心因為實驗操作不當而損壞儀器．這不但能激發學生對實驗的興趣，還可以啟發學生學習過程中的過程認知、過程運作、過程表現，在過程中促進各方面能力成長，獨立思維能力、解決問題能力、表達溝通能力、合作能力等．

接下來，實驗中心按照大學物理實驗教學大綱，對我校理工專業的學生開設了虛擬仿真輔助教學的3個實驗．分別是密立根油滴實驗(如圖2)、落球法測定液體在不同溫度的黏度以及演示物理實驗的VR虛擬仿真實驗．由于所開設的前兩個實驗皆為操作簡單的基礎性實驗，而基礎性實驗注重物理實驗知識的學習，物理原理的理解以及基本科學實驗技能的培養．我們所采取的方法是，學生在課前進行簡單預習后，在課堂上經過任課教師簡單的啟發，自主使用電腦在虛擬仿真平臺上按步驟開始虛擬實驗，并隨時向任課教師提出所遇到的問題，及時解決問題并完成虛擬實驗，然后再回到實際操作中進行實驗．在這一過程中，教師將主動權交給學生，讓學生自己探索，完成一個完整實驗需要做的是什么，包括實驗儀器的了解以及實驗前的準備工作，學習實驗原理，熟知實驗步驟，最終通過實驗結果驗證原理的正確性．而教師將原本對實驗原理、過程的講解調整為對實驗背景和歷史的引入，在增加學生興趣的同時開展“課程思政”建設，將科學素養與人文精神有機結合，將思政元素巧妙的融入，從而實現對大學生的思想教育．以密立根油滴實驗為例，作為最美物理實驗之一，這個實驗的方法是十分美麗的，但實驗背后，不管是密立根是否對實驗數據進行了優化，還是他的學生哈維·福萊柴爾最終如何成了“立體聲之父”，都讓學生了解到，學習的過程并不止于對知識的獲取，還應該具備對科學的忠誠以及對事實的認可態度．通過正確、嚴格、系統的引領，學生從單一的被動接受者轉變為實驗創造者和設計者，自己去探索并掌握實驗研究的方法和技巧，更重要的是，可以培養學生科學態度、探索精神和理論聯系實際的能力，從而為后繼課程的學習以及培養獨立工作能力和創新能力打好廣闊、寬厚的基礎．

圖2 密立根油滴實驗

2.3 虛擬仿真實驗教學的反饋

實驗中心在開展虛擬仿真教學改革的同時，以問卷形式隨時收集學生的反饋意見，經過整理，學生普遍反映虛擬仿真實驗有著這樣的優點：能夠更好地開展實驗預習，復制實驗環境；更加直觀了解實驗進程，更加獨立地操作實驗儀器，在實際操作中更加熟練的使用儀器，對實驗儀器起到良好的保護作用；比較實用，對學生比較友好，有了更多的容錯率，可以進行多次實驗；相對更安全、更容易進行實驗，實驗結果更準確，效率高．同時，學生也反映了目前使用虛擬仿真平臺所遇到的困難：缺少實際實驗中出現錯誤操作的后果，實際可能遇到的問題仿真實驗中不會出現；沒有以往老師演示的直觀，視頻指導步驟進行太快；與傳統教師直接授課相比，產生距離感，沒有直接觸摸設備的舒適感；功能鍵有重疊，有延時，操作不靈活，反應不夠靈敏，容易卡機；使用說明過于簡單，操作與操作指示說明分屏，不便于邊看邊操作等．從學生的反饋來看，學生普遍能夠接受新的教學方式，也樂于使用新的學習方法，但虛擬仿真實驗所存在的問題不容忽視，隨著虛擬技術的成熟，實驗中心在今后的虛擬仿真實驗教學建設中，應嚴格把控虛擬實驗質量，從而提升學生的體驗感．

虛擬仿真實驗教學改革不僅僅改變了學生的認知以及學習方式，對授課教師也提出了挑戰．實驗中心在虛擬仿真實驗建設期間，多次派出任課教師參加高等學校虛擬現實技術教育應用研討會，學習虛擬仿真實驗開展的經驗．任課教師在深刻了解虛擬教學意義的同時，更新教學理念，重組教學內容，在做中學、建中改、不斷調整教學方法．為了切實提升實驗教學質量，實驗中心在持續虛擬教學改革時，要結合實驗室建設，對課程設置、培養方案設計有整體的把握，合理地制定計劃，一步一步分期建設，做到邊建設邊使用，邊使用邊完善．

3 結束語

開展虛擬仿真實驗教學的最終目的不是為了使用仿真實驗平臺，也不是為了翻新教學活動，而是打破封閉的教學局面，建立一種師生合作的開放式教學體系，培養更多適應社會需要的應用型人才．

在疫情影響的今天，高校延期開學，大學物理實驗面臨著如何進行線上教學的困境．為響應教育部號召，停課不停學、不停教，虛擬仿真實驗教學改革給各所高校提供了思路．東北大學物理實驗教學中心，為學生打造了“MOOC看實驗+虛擬仿真實驗+在家動手做實驗”的全新在線教學模式．我校物理實驗中心也將借鑒多所高校的經驗，利用虛擬仿真實驗平臺，積極開展線上實驗教學，不斷地完善和發展實驗教學改革．