虛擬仿真輔助“大學物理實驗”網絡教學的構建與實踐

江小丹 程濤 應雨霖 張宏雨 夏婧雨

[摘 要] 虛擬仿真是促進實驗教學思路從驗證性向設計創新性轉變的助推器。可從虛擬仿真平臺的資源整合等方面著手，進一步完善虛擬仿真輔助“大學物理實驗”網絡教學的功能。從中國礦業大學（北京）“大學物理實驗”教學的現狀出發，探索并構建了虛擬仿真輔助“大學物理實驗”的教學模式，通過總結線下教學特點，充分發揮線上教學模式的優勢，構建虛擬仿真實驗在“大學物理實驗”教學中豐富教學內容、改善教學方式和客觀評價學生實驗成績的新模式、新方法，對進一步深化實驗教學改革、培養學生創新能力具有重要意義。

[關鍵詞] 虛擬仿真;大學物理實驗;構建與實踐

[基金項目] 2020年度中國礦業大學（北京）大學生創新訓練項目“基于虛擬仿真平臺在實驗教學中應用的探索和思考”（C202007342）;2020年度中國礦業大學（北京）本科教育教學改革與研究“微信公眾平臺輔助大學物理實驗教學的實踐與探索”（J200802）

[作者簡介] 江小丹（1991—），女，山東煙臺人，碩士， 中國礦業大學（北京）理學院實驗師（通信作者），主要從事大學物理實驗教學及激光等離子體物理研究;程 濤（1980—），男，山東青島人，博士，中國礦業大學（北京）理學院副教授，主要從事大學物理實驗教學、流體力學及激光等離子體物理研究;應雨霖（2001—），女，浙江金華人，中國礦業大學（北京）理學院2018級信息與計算科學專業本科生，研究方向為金融數學與統計學。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）37-0073-04? ? [收稿日期] 2021-04-06

隨著計算機技術的不斷普及和提高，使用計算機仿真軟件進行虛擬實驗和遠程教學在全國各高校得到了廣泛的開發和應用[1]。使用虛擬仿真實驗進行現代化教學，可以作為傳統實驗教學的重要補充[2]。目前，全國很多高校都在開展這方面的教學實踐和研究，并取得了一些經驗和成果。本文主要從我校“大學物理實驗”教學的現狀出發， 結合“科大奧瑞”提供的抗擊疫情虛擬仿真教學云平臺，探索并構建了虛擬仿真輔助“大學物理實驗”的教學模式，構建虛擬仿真實驗，對豐富教學內容、改善教學手段和提高學生學習興趣等方面做了一些嘗試性的教學工作[3]。

一、“大學物理實驗”網絡教學模式的探索與構建

結合我校“大學物理實驗”培養方案，對比虛擬仿真平臺可提供的實驗項目，初步設想：先開設與“大學物理實驗”培養方案相同且仿真實驗平臺可提供的實驗項目，“大學物理實驗”培養方案要求但仿真平臺沒有的實驗項目作為創新使用，以保證學生完成的實驗項目與培養方案一致[4]。通過類比虛擬仿真平臺提供的實驗項目，發現需要解決如下幾個問題。

（一）開展實驗項目的選擇問題

1.如果實行兩學期打通的學習方式，目前仿真平臺提供的實驗項目中只有9個實驗與培養方案中要求的完全一致，現需增加一個原培養計劃中沒有的實驗項目，或者改為創新實驗項目。

2.管理員登錄系統后看到的基本實驗項目與預習系統中的預習實驗項目、仿真系統中的仿真實驗項目及報告批閱系統中的報告實驗項目不一致，但對比預習系統、仿真系統及報告系統的實驗項目，發現這三個系統中對應的實驗項目一致性比較高且都包含初步設想方案中的全部實驗，證實初步預想方案可行。

（二）學生提交報告系統的選擇問題

學生進入系統后可通過兩種方式進行實驗報告的提交：一是實驗報告智能評閱系統;二是仿真實驗平臺。

如果統一要求學生使用實驗報告智能評閱系統，對于本學期計劃開展的實驗項目，系統只提供了9個實驗題目的實驗參考模板（學生只需填寫數據處理、實驗思考、實驗總結及原始數據上傳）。對于系統未提供的模板，需要對應負責該實驗項目的教師自行設計模板后上傳。

如果統一要求學生使用仿真實驗平臺上傳報告，學生在完成在線實驗后可以直接在仿真系統里提交實驗報告，但此平臺目前系統并未給提供上傳實驗報告模板，且實驗報告批閱系統中的實驗報告模板不可作為仿真系統中的模板（兩個系統不兼容），因此所有實驗名稱的實驗報告模板均需要對應負責實驗項目的教師完成實驗報告設計并上傳，學生方可下載模板填寫后上傳報告。

（三）兩種提交報告形式對教師批閱報告的影響

批閱使用實驗報告智能評閱系統提交的實驗報告，只要系統實驗報告模板中有與之對應的實驗名稱，教師進入實驗報告智能評閱系統后，系統已對實驗數據設置自動批閱功能，教師只需要重點批閱實驗思考、實驗總結及原始數據即可;對于系統中不存在的實驗名稱報告模板，因報告的內置由平臺廠家負責（需要收取費用），即使我們上傳了模板，系統也不能自動識別相關實驗數據，教師進入實驗報告智能評閱系統后，需要對自主上傳的模板中所有內容進行批閱（除去上傳模板前設計在報告模板中的內容）。

批閱使用仿真實驗平臺系統提交的實驗報告，教師必須通過進入仿真實驗平臺進行批閱，因為實驗報告智能評閱系統與仿真實驗平臺系統相互獨立，所以通過仿真實驗平臺系統提交的實驗報告，教師進入仿真實驗平臺系統后，需要對實驗報告中的所有內容進行批閱。

（四）學生最終實驗成績如何給定

通過學生端賬號登錄系統，我們發現系統中給出了實驗預習系統、實驗報告智能評閱系統及仿真實驗三個系統，結合最終實驗成績確定的需求，我們需要解決是否統一要求學生必須進入實驗預習系統完成預習方可進入仿真實驗系統進行試驗。

（五）居家無法完成實驗同學預案設想

在正式開始系統調試前，因仿真實驗對設備及網絡的要求較高，我們通過問卷的方式對全校近2000名理工科學生進行調研，統計發現有近10%的學生回家后只帶了手機，且居家無網絡或者信號不足。針對這種情況，建立居家無法完成實驗同學通知群，以便及時掌握學生需求，合理制定補做實驗預案（見圖1、圖2）。