大學物理實驗線上線下混合式教學模式探索與實踐

皮飛鵬 洪哲新 張姍 袁聿海

摘? 要 大學物理實驗是理工科專業本科生重要的必修課。廣州大學大學物理實驗課程教學團隊針對課程教學現狀和問題，通過分析總結疫情防控期間線上大學物理虛擬仿真實驗教學的實踐經驗，構建線上線下混合式大學物理實驗教學模式，即“課前虛擬仿真實驗預習+課中教師精講和學生真實實驗操作+課后線上反思總結和虛擬仿真拓展創新”。介紹該教學模式及其建構過程，并以“楊氏彈性模量的測定”為例，采用該模式進行教學實踐，取得較好的教學效果，提高了學生的自主學習能力和創新能力。

關鍵詞 大學物理實驗;混合式教學;楊氏彈性模量;虛擬仿真實驗;翻轉課堂;實驗室

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）24-0107-04

Exploration and Practice of Mixed Online and Offline Teaching in College Physics Experiment Education//PI Feipeng， HONG Zhexin， ZHANG Shan， YUAN Yuhai

Abstract College physics experiment is an important compulsory course for undergraduates majoring in science and engineering. Con-

sidering the current teaching status and existed problems， teaching team of college physics experiment in Guangzhou university esta-blished mixed online and offline teaching mode by summarizing the

practical experience of online virtual simulation experiment tea-

ching during epidemic prevention and control period. The mixed on-

line and offline teaching mode consists of three parts： i） online pre-view and virtual simulation before class， ii） practically experiment operation in class， iii） online summary and innovation after class. This paper introduces the mixed online/offline teaching mode and its construction process， and takes “Determination of Young’s Modulus of Elasticity” as an example for practice teaching. It is proved that

better teaching effects are achieved and students’ independent learning ability and innovation ability are improved.

Key words physics experiment courses; mixed teaching; Young’s modulus of elasticity; virtual simulation experiment; flipped class-room; laboratory

0? 前言

實驗教學作為高等學校本科生培養的重要環節，承載著學生工程素質、創新精神及能力培養的任務[1]。隨著信息技術與教育教學的融合，實驗教學的形態也在發生深刻的變化。教育部辦公廳2017年下發的《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》[2]，教育部2018年下發的《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》[3]，都提出要將實驗教學信息化作為高等教育系統性變革的內生變量，深入推進信息技術與高等教育實驗教學的融合，開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設，以高質量實驗教學助推高等教育教學質量變軌超車。在這些政策和技術進步的推動下，虛擬仿真實驗課程得到廣泛開展。

大學物理實驗是理工科大學生進入大學后學習的第一門重要的實驗課，是其接受系統實驗方法和實驗技能訓練的開端，也是后續專業實驗和科研訓練的重要基礎[4-5]。為加強大學物理實驗課程建設，用信息技術推進課程改革，廣州大學大學物理實驗課程教學團隊于2018年開始進行虛擬仿真實驗項目建設，并在2020年上半年的居家學習期間進行廣泛實踐。針對線上實驗和線下實驗各自的優缺點，從培養學生實驗技能、工程素養和創新精神的目標出發，基于翻轉課堂教學理念，團隊嘗試將線上虛擬仿真實驗與傳統課堂有效融合，提出一種線上和線下相結合的物理實驗教學模式，在實際實驗教學中收到良好的效果，提高了學生的實驗課參與度，豐富了教學手段，解決了實驗教學中長期存在的一些問題。

1? 線下大學物理實驗教學現狀

按照目前廣州大學大學物理實驗課程的設計，學生應在實驗前進行實驗預習并完成預習報告，在對實驗內容有了一定的認識之后再在實驗室進行實驗操作。但在實際教學中，學生在沒有接觸實驗儀器的前提下，僅僅根據教材中的文字和圖片進行實驗預習會無從下手，實驗預習常常只是將實驗內容抄襲一遍，甚至沒有預習。在實驗課上，由于學生沒有真正預習，實驗教師需要占用大量課堂時間對實驗內容和步驟進行講解，使得學生的實驗操作時間變得緊張，甚至無法按時完成實驗，達不到預期的學習效果。而課后，師生之間由于缺乏交流互動的機會，教師無法知道學生的學習效果，學生更是缺乏一個鞏固和提高的平臺。

2? 線上大學物理虛擬仿真實驗教學情況分析

為適應新冠疫情期間居家學習的需要，廣州大學大學物理實驗課程教學團隊于2020年春季學期開展了大規模的線上大學物理虛擬仿真實驗課程，并在學期結束時對參與大學物理虛擬仿真實驗課程的學生進行問卷調查，期望總結線上教學經驗，在此基礎上構建線上線下混合式大學物理實驗教學模式，用信息技術改造傳統的實驗教學模式。

課程團隊有教師26人，負責廣州大學10個工科學院每屆近3 000名學生的大學物理實驗課程教學，課程計劃學時32學時，須完成10個實驗。參與網絡問卷調查的學生共1 054名，問卷內容包括學生對實驗課的態度、教師教學情況、學生對虛擬實驗的認知和態度以及對虛擬仿真實驗的期望，共四個方面。采用SPSS對問卷數據進行統計分析，結果如下。

2.1? 學生對實驗課的態度

問卷調查了大學物理實驗課程的學生態度，75%的學生之前沒接觸過虛擬仿真實驗或虛擬仿真實驗軟件;收到大學物理實驗課改用虛擬仿真實驗軟件上課的通知時，50%的學生表示對這學期的大學物理實驗課充滿期待和好奇。而在實驗課學習習慣方面，僅有6%的學生表示自己從來不預習實驗，大部學生會認真預習并準備好預習報告。

2.2? 教師的教學情況

在實驗課教師教學方面，80%的教師會講解實驗的各個環節。當被問及喜歡實驗教師采用哪種教學方式時，超過一半的學生喜歡教師詳細講解并示范操作。在問及“老師在哪個環節對自己幫助最大”時，選實驗原理環節的學生最多，為47%;其他環節依次為儀器操作21%，實驗步驟19%，數據處理14%。而在實驗教師的詳細講解下，只有9%的學生表示仍無法獨立完成實驗。

2.3? 學生對虛擬實驗的認知和態度

在參與一學期的大學物理虛擬仿真實驗課程之后，大部分學生認為虛擬仿真實驗有助于自己更好地理解實驗原理（55%）和實驗步驟（61%），更快掌握儀器的功能和操作方法（56%），對如何處理實驗數據和誤差分析也更清楚（51%）。

當問及虛擬實驗與真實實驗相比所具備的優點，學生投票最高的前三個選項依次是不擔心設備損壞（89%）、實驗環境安全（76%），以及可以重復多次、減少誤差（67%）。

關于虛擬實驗中遇到的困難，投票前二的選項分別是虛擬環境與真實環境有差別而不能很好地投入（47%），不會熟練使用虛擬軟件（18%）。

2.4? 學生對虛擬仿真實驗的期望

當被問及“下學期返校后，還有必要部分實驗采用虛擬仿真實驗的形式嗎”，61%的學生認為有必要。并且43%的學生認為將虛擬仿真實驗應用在儀器操作這個環節教學效果最好，其他環節依次是實驗步驟24%、實驗原理20%、數據處理14%。總體來說，89%的學生表示喜歡本學期的大學物理虛擬仿真實驗課。

以上調查結果說明，學生在進行虛擬仿真實驗課程之后，認為其具有較好的安全性、可多次重復、沒有空間限制等優點，使用虛擬仿真實驗能在數據處理能力、實驗操作能力和實驗分析能力方面得到提高。教師應積極引導學生學習使用虛擬實驗，在實驗教學中可采取真實實驗室實驗和虛擬實驗并行的方式，特別是使用虛擬仿真實驗演示實驗操作，增強教學效果，培養學生多方面的素質和能力。

3? 線上線下混合式大學物理實驗教學模式構建

通過以上調查發現，線上虛擬仿真實驗具有可重復性、不受時間和場合制約、無須擔心操作失誤造成精密儀器損壞等優點，但也要看到，虛擬仿真實驗無論效果如何逼真，還是缺少真實實驗設備的真實觸感和真實體驗，只能作為輔助真實實驗的一種工具，而不是完全替代真實實驗。有鑒于此，針對傳統大學物理實驗教學模式中存在的問題，分析線上虛擬仿真實驗的特點和優勢，借鑒翻轉課堂教學模式，顛覆教學流程[6]，構建線上線下混合式大學物理實驗教學模式，圖1是該教學模式的示意圖。

在課前環節，教師通過線上實驗指導，將理論教學進行前置，使學生提前了解課堂教學內容，在課前利用線上虛擬仿真實驗軟件讓學生進行實驗預習，提前引導學生了解實驗流程、操作技巧、重點知識內容。除了虛擬實驗軟件自帶的自學視頻（圖2）外，實驗教師還可通過企業微信、微信群等途徑推薦其他網站的相關實驗視頻給學生觀看，讓學生從不同角度了解實驗原理和實驗操作，并讓學生記錄預習所遇到的問題和困惑，課前反饋給教師。

而在線下面對面實驗教學時，教師首先對線上預習環節出現的問題進行針對性講解，并引導學生繼續提出問題，帶著更多的思考進行實驗操作。這樣更利于培養學生獨立思考能力、鉆研精神，令他們在發現問題、分析問題、解決問題的過程中獲得物理實驗綜合能力的提升。同時，教師也不必從頭到尾講解實驗原理和實驗操作，給予學生更多的時間進行實驗操作，讓學生更多地進行線下互動與實驗研討。通過線上與線下教學的有機融合，讓大學物理實驗課堂更加高效，學生間也可以更好地合作與互動，完成知識的探究與構建。

在課后的線上環節，學生對真實實驗獲得的數據進行處理，完成實驗報告。對于學有余力的學生，教師亦可引導他們使用虛擬仿真實驗軟件進行更深入的研究與探索，引導學生以開放的思想、積極的探索精神，對實驗知識相關的物理現象進行研究與分析。良好的課后探究活動能顯著加深學生對實驗原理的理解，并提高熟練操作儀器、科學規范記錄與處理數據以及分析和解決問題的能力。最后，讓學生對本次實驗從實驗預習、方案設計、實驗操作與探究等方面進行自評，記錄自己的收獲與進步，反思缺點與不足。而教師也要基于學生在實驗全過程中的表現對學生進行評價。

作為線上線下混合實驗教學的關鍵環節，教師需充分發揮線下課堂的優勢與價值，在課堂上發揮主導作用，多使用具有探究性的實驗項目引導和促進學生開展小組合作探究。而線上虛擬仿真實驗軟件則提供給學生課前預習、課后復習鞏固和拓展探究的機會，使得學生在課前、課中、課后均有收獲，有效提高實驗課堂效率。

4? 線上線下混合式教學案例

楊氏彈性模量（簡稱楊氏模量）描述的是固體材料抵抗形變的能力，其大小標志了材料的剛性，是選擇機械零件材料的依據之一，是工程技術設計中常用的參數，它的測定對研究各種材料的力學性質有著重要意義。本文以“楊氏彈性模量的測定”為例，應用線上線下混合式大學物理實驗教學模式進行教學實踐。

在課前的線上預習環節，教師將實驗教學內容按知識點進行梳理，提出預習目標和知識重難點，制作成《課前線上預習任務單》（表1），通過QQ群或微信群提前推送給學生。由于本節課的重難點是“掌握使用光杠桿法測量微小長度變化的原理和方法，光杠桿和尺度望遠鏡的調節”，因此讓學生在課前使用虛擬仿真實驗動手操作就顯得尤為重要。在真實實驗室不一定有足夠數量的實驗裝置做到人手一套，而且光學儀器屬于精密儀器，學生剛開始操作并不規范，極易損壞光杠桿和望遠鏡，或者操作后在望遠鏡中觀察不到刻度標尺的像和觀察者眼睛的像，茫然不知所措。課前預習環節應用虛擬仿真實驗，便可發揮虛擬仿真實驗的優勢，每個學生都可以在線練習操作光杠桿和望遠鏡標尺組，不必擔心操作失誤，并且有實驗演示視頻可以反復觀看，從而改進和熟悉實驗操作，極大地提高學生的課前預習效率。而虛擬仿真實驗具有的后臺統計功能，讓教師可以方便地了解和監督學生的預習情況。

在線下的真實實驗課堂教學中，由于學生在課前熟悉了實驗裝置的使用，因此在進行課堂教學時，教師只需根據課前收集到的學生預習情況，有的放矢地對學生普遍掌握不清的實驗原理和實驗步驟進行講解，學生有更多時間親自操作真實實驗儀器，進行解決問題的訓練。雖然大部分學生已經通過線上虛擬仿真實驗預習了該實驗操作，并且也能調試出實驗要求的像，得出相關數據，但在線下真實實驗室，特別是當親自動手調試實驗儀器，進行調節光杠桿、望遠鏡與標尺，望遠鏡境外和鏡內找標尺像，細調對零等步驟時（圖3），學生就會發覺操作真實實驗儀器時不會像操作虛擬仿真實驗那樣容易成功。而“楊氏彈性模量的測定”最難的一環便是學生在完成望遠鏡境外找像后，在接下來的望遠鏡鏡內找不到標尺的像，而這種真實實驗環境下遇到的困難恰好可以檢驗學生的實驗預習質量和問題處理能力，是否能通過獨自思考或者與同學的討論合作解決問題。在成功解決望遠鏡鏡內找像的問題后，便可采用等增量測量法，改變砝碼的數量，將相關長度的測量數據記錄下來，完成本次實驗任務。

而在課后的線上總結和實驗拓展創新環節，學生除了要完成實驗數據的分析處理和實驗報告的撰寫，還可以對此次實驗過程中遇到的問題與實驗教師和同學進行線上討論，教師還可以引導學生進行其他方面的拓展和探究。例如：如果實驗時鋼絲有些彎曲，對實驗有何影響？如何從實驗數據中發現這個問題？引起測量誤差的因素有哪些？實驗中應如何盡量減小誤差？如何根據實驗測得的數據計算所用光杠桿的放大倍數？實踐證明，這種方法不僅可以照顧到每一位學生的學習，增強學生的實驗效果，而且能讓學生掌握基礎實驗知識后，利用已有知識分析、綜合、判斷、實施，進而解決問題，極大提高他們的實驗興趣。

5? 總結

通過大學物理仿真實驗平臺的建設和線上線下混合式大學物理實驗教學模式的應用，廣州大學大學物理實驗課程教學團隊較好地解決了學校傳統大學物理實驗教學過程中處在的問題，豐富了實驗教學內容，提高了實驗課堂教學的效率。教學團隊認為：虛擬仿真實驗平臺畢竟是一個虛擬的環境，缺少真實感，在訓練學生的實驗技能，培養學生的動手能力等方面，還不能取代真實實驗室，實驗技能的掌握還必須通過學生自己親自動手操作真實實驗儀器解決問題和困難才能實現。因此，教學團隊將繼續探索并改進教學模式，更好地將線上資源與線下真實實驗有機結合，對整個教學環節進行更精細化設計，更好地利用線上和線下兩方面的教學資源提高大學物理實驗教學的質量，為更好地培養學生的工程素質、創新精神及能力服務。■

參考文獻

[1]王軍，王帆，沙經巧，等.線上線下相結合的大學物理實驗教學改革研究[J].物理與工程，2020，30（5）：26-31，36.

[2]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[A/OL].（2017-07-13）[2020-07-13].

http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/2017

07/t20170721_309819.html.

[3]教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知[A/OL].（2018-06-05）[2020-05-28].http：//www.moe.

gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t20180607_338

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[4]徐瑋婧，劉婷，潘量，等.大學物理實驗的混合式教學應用初探[J].物理實驗，2018，38（S1）：92-94，98.

[5]孫寶光，張啟義，譚仁兵.基于微信平臺的大學物理實驗考核系統構建與使用[J].物理實驗，2016，36（5）：22-24.

[6]何克抗.從“翻轉課堂”的本質，看“翻轉課堂”在我國的未來發展[J].電化教育研究，2014，35（7）：5-16.