自主探索和虛擬仿真實驗在大學物理實驗教學中的實踐和研究

王 露 魯廣鐸

（三峽大學理學院，湖北 宜昌 443002）

0 引言

大學物理實驗課程作為大學生步入大學后接觸到的第一門基礎性實踐課程，在培養學生動手能力和探究意識上具有不可替代的作用[1]。但從當前的教學現狀來看，大學物理實驗教學中驗證性實驗過多，設計性和創新性實驗過少，更沒有涉及基于智能移動終端和生活中常用器材的自主探索實驗。

在信息化時代，大學物理實驗課程的改革勢在必行，需要革新教學形式、教學方法、教學平臺[2]。特別是在2020年年初（抗疫期間），傳統的線下教學形式已不能保證實驗教學的順利展開，實驗教學改革顯得異常重要。為此，不同高校采取了不同的方式，有的等學生返校后再開展物理實驗教學，有的開展了全線上虛擬仿真實驗，有的開展了“宅家探索實驗”。為落實教育部的要求，三峽大學物理實驗示范中心根據物理實驗自身獨特的課程性質，積極探索，啟動了“居家自主探索實驗+虛擬仿真實驗”這種新的實驗教學模式。

1 新教學模式的運用

我校物理實驗示范中心常規的實驗教學是學生先對照課本預習，再網上預約實驗項目和時間，然后按照預約在實驗室完成相應實驗項目。

自主探索實驗是指利用智能移動終端或者身邊的裝置和材料搭建實驗系統，解決或驗證某個物理問題[3]；虛擬仿真實驗有形象逼真的操作環境和豐富的網絡資源，其嚴格的評判標準利于學生掌握儀器操作[4]。

為體現實驗課程的特點，切實提高學生的動手能力，疫情期間，我校物理實驗示范中心推出了基于智能手機和phy.phox軟件的一系列自主探索實驗，學生在家利用身邊的條件，完成物理量的測量和實驗項目。利用智能手機內置的傳感器再配合phy.phox軟件可以實現力學、電學、光學等多種物理參數的測量。首批推出的實驗包括：利用單擺測重力加速度，利用多普勒效應測速度，利用光柵衍射測波長等。學生根據自己的實際情況和課時從中選擇2～3個實驗，2～3周內完成，完成后提交數據、實驗報告，以及相關的照片視頻，指導教師對學生的數據、實驗報告和實驗過程的真實性和完整性進行評判、評分。一部手機，一把尺子，一個硬幣，家里的電風扇和桌子都搖身一變成了實驗器材，既鍛煉了學生的動手能力，又能讓學生體會到物理學無處不在，提高了學生理論聯系實際的能力。

經過綜合比較，我校物理實驗示范中心選擇了科大奧銳科技有限公司的虛擬仿真實驗教學云平臺，根據不同學時的課程向學生布置了和常規物理實驗名稱一致的虛擬仿真實驗，包括長度與固體密度測量、示波器實驗、分光計實驗等共計15個實驗項目。學生通過電腦可完成和實體實驗一樣的操作，有很強的互動性和逼真性，虛擬實驗不受時間空間限制，可多次進行實驗操作直至完全掌握，系統自動對操作步驟和所測數據進行評判，給出操作分數，學生提交的實驗報告由教師人工評閱。

自主探索實驗和虛擬仿真實驗，一實一虛，優勢互補，一個體現物理思想，培養學生動手能力，一個體現操作的標準化和測量的準確性，兩者結合最大程度實現了物理實驗的教學目標。

據統計，在開展的以“居家自主探索實驗+虛擬仿真實驗”這種新的實驗教學模式的教學中，有約4 000人完成了自主探索實驗，近2 800人完成了規定的虛擬仿真實驗，虛擬仿真項目使用達5萬人次，上交電子版實驗報告近15 000份。

2 新教學模式的優缺點

通過一學期“居家自主探索實驗+虛擬仿真實驗”新模式的教學，它與傳統教學模式凸顯出一些優點：

（1）打破傳統的單一的實驗教學形式和教學平臺，使得實驗內容、形式更為豐富多彩，實驗教學更有彈性，在特殊情況下也能開展高效的教學活動，而不降低培養質量；（2）自主探索實驗會激發學生對物理實驗的興趣和好奇心，促使學生靈活運用所學知識，提高獨立思考及分析問題和解決問題的能力；（3）虛擬仿真實驗提供開放的實驗環境，不局限于固定場合和固定時間，學生可隨時、多次做實驗，擴充了學習時間空間容量，而線上豐富的實驗資源也有利于學生熟練掌握儀器操作，進行全方位的知識點訓練。

在一學年的“居家自主探索實驗+虛擬仿真實驗”后又進行了一學年的線下常規教學，發現“探索實驗+虛擬仿真實驗”模式除了以上優點外，也存在不足：

自主探索實驗范圍廣泛，但實驗選題受實驗條件及材料的限制具有一定的局限性；實驗過程中不能隨時指導從而影響學生積極性；探索的深度需要花費學生和教師大量的時間和精力；不同專業對探索實驗的側重點選取需要指導教師具備一定的專業知識。

虛擬仿真實驗項目豐富，每一個實驗都可反復操作，但虛擬儀器畢竟是虛擬儀器，學生的鼠標操作不能代表他們的動手能力，從現實的客觀反映，只進行線上虛擬仿真實驗的新生，在后續的線下實操實驗中表現出對基本實驗中的基本儀器的生疏以及對儀器調節的吃力感。所以，“居家自主探索實驗+虛擬仿真實驗”和常規實驗線下實驗結合起來才能更好的實現物理實驗課程的培養目標。

3 新教學模式的思考與優化

“居家自主探索實驗+虛擬仿真實驗”實驗教學模式在特定時期體現了它的使命和優點，鍛煉了學生的動手能力，提供了學生探索實現的方法途徑，也激發了學生的實驗興趣，但還要深入研究什么樣的實驗能達到培養目標，以前作為輔助教學手段的虛擬仿真實驗能發揮多大的效能，是否需要將自主探索實驗列入將來的實驗教學計劃。

在新的教學模式下，自主探索實驗和虛擬仿真實驗的選擇還需要在以下三方面進行優化和完善。

（1）自主探索實驗的選擇及其和大學物理實驗對高校學生的培養目標的對應關系。自主探索實驗以動手操作為主，以解決問題、掌握實驗方法和物理實驗思想為主，不追求高精度測量，是大學物理實驗教學的新方式；那什么樣的自主探索實驗能替代常規教材的部分內容，達到課程的培養目標；（2）虛擬仿真實驗的選擇，如何跟線下實驗緊密結合，線上資源的建立、運用和完善。虛擬仿真實驗利用信息技術完成的實驗畢竟不能完全替代實際的實驗操作，如何選擇合適的虛擬仿真實驗，如何和線下實際實驗相結合才能使學生更深刻的掌握實驗，并理解對應的物理原理；（3）教學效果反饋和學生學習成績評價機制的建立和完善。自主探索實驗和虛擬仿真實驗效果如何，是否有必要在將來繼續保持這種教學方式，需要對其教學效果進行評價和反饋。

2021年春季學期，我校物理實驗示范中心根據在2020年春季“居家自主探索實驗+虛擬仿真實驗”中積累的教學經驗，結合常規實驗教學，推出了“線上+線下”物理實驗一流課程的建設，在試點班充分利用多樣化的教學平臺，開展了多種形式的教學和課堂互動，探索新時代下最優的實驗教學模式和評價機制，為大規模推廣積累寶貴的經驗。

4 結語

無論以哪種形式的模式開展大學物理實驗教學，都是為了更大程度地提高學生對大學物理實驗的興趣，提高知識傳授效率，提升教學效果，為此高校要充分利用現代新技術、新方法、新設備，開拓物理實驗新的教學方法、手段和平臺，使教學方法多樣化，和時代緊密結合，夯實學生的“新工科”物理基礎。特殊時期的“居家自主探索實驗+虛擬仿真實驗”這種新的實驗教學模式促進了大學物理實驗教學的改革。