基于虛擬仿真的物理實驗混合式教學模式研究

徐恭勤，陳鑫耀

(集美大學 理學院，福建 廈門 361021)

一、學情分析

大學物理實驗作為理工科本科生第一門系統接受科學實驗訓練的實踐課程，具有科學實驗普適的思想、方法和手段，是后續專業實驗課的重要基礎，在培養學生能力素質和弘揚科學精神，幫助學生樹立正確的自然觀、價值觀等方面具有重要意義。但傳統的教學模式課堂效率不高，存在一定的局限性，主要表現為：

1.課前預習資源不足。實驗課前，學生僅憑教材預習，對實驗原理理解不透徹，無法接觸到實體實驗，預習效果不佳，“應付預習，懶于預習”問題非常普遍，直接影響其實驗操作完成情況。筆者重點探討了“線上虛擬仿真預習+線下實體實驗測試”相結合的實驗教學改革，可有效提高預習效果。

2.課堂教學方式單一，學習自主性和課堂互動性不足。傳統模式下的實驗教學無法吸引學生的興趣，先修理論知識點與實際操作脫節的現象時有發生，學生做實驗的熱情和參與度普遍不高。由于課堂教學時間有限，講實驗原理占用較多時間，有些操作性強的實驗僅通過課堂演示，學生動手操作存在一定的困難。由于學時的限制，采用以教師課堂講授為主，學生主動學習為輔的模式，課堂缺少互動或者互動效果不佳。學生在課堂教學時除了聽課就是動手操作實驗，學習自主性不足。筆者探討了“虛擬仿真+實體實驗”的沉浸式實驗教學改革，加強了“開放探究討論”模式，可促進學生實驗操作技能水平的提高。

3.科技前沿教育滯后。由于現有實驗室基礎設施的局限，某些需要在極端條件下(如微觀、天體、強場、高壓)進行的實驗以及日新月異的科技前沿知識難以進入課堂，學生的學術視野受限。筆者將虛擬仿真實驗納入實驗課程體系，創新了實體實驗課程體系，拓展了學生知識領域，有助于提升學生的創新能力。

線上虛擬仿真教學在教學方式上比傳統教學有一定的優勢，它能夠以靈活、自由、豐富和可視化的方式展現給學生，但考慮到實驗課需動手操作的特點，線上虛擬仿真實驗教學代替不了傳統教學的實踐操作訓練。因此在教學過程中，混合式教學將傳統教學與線上虛擬仿真實驗教學各自取長補短，線上資源和線下教學相結合的教學模式可以讓二者相互融合、相互滲透，提高實驗教學質量[1]。

在大學物理實驗中開展基于虛擬仿真的線上線下混合式教學，有機整合課堂學習和在線學習，通過信息技術與大學物理實驗課程的融合，使教學方式多元化、教學內容豐富化、學習方式多樣化[2]。基于信息化教學平臺，積極創造條件在實踐教學中實質性地實施以教師為主導，以學生為主體的實驗教學，做到“線上”與“線下”優勢互補，可以實現因材施教的高效率教學，有助于提高學生的實驗興趣和學習效果，最終達到以學生自主學習為主，教師指導和創新性引導為輔的新時代實驗教學模式[3]。

二、基于虛擬仿真的線上線下混合式實驗教學設計

以集美大學“大學物理實驗”課程為例，課程共28學時，其中在線學習8學時(緒論課線上學習2學時、虛擬仿真線上實驗3學時、實體實驗線上預習3學時)，線下實驗學習21學時(緒論課線下教學與考試2學時，實體實驗操作19學時)。混合式教學貫穿于大學物理實驗課程的課前、課中、課后，形成以學生自主學習為主，教師指導和創新引導為輔的教學模式[4]。

1.課前學情調查，逆向設計教學方案。針對以上三個問題，引導學生掌握緒論課、虛擬仿真實驗、實驗預習等線上學習方法，制定了線上學習資源與學習任務清單、學習效果評價機制。學生完成線上學習，教師通過“學習通”平臺督學導學。

預習管理平臺為學生提供了電子版預習資源，包括教材、實驗重難點、課后習題以及實驗拓展等，幫助學生輕松、快速、有效、針對性預習。

2.課前知識內化階段。課程團隊積極轉變教學思路，借助在線平臺、虛擬仿真實驗資源，多維度地改善課堂教學效果。教師通過超星平臺搭建在線開放課程平臺，通過線上學習平臺和學習群開展答疑、組織討論，鼓勵學生同伴討論。

學生可借助超星慕課平臺觀看實驗教學視頻，也可以通過平臺觀看我們的教學視頻，掌握實驗目的與原理、實驗儀器、操作要點以及注意事項。

3.課中翻轉階段。在傳統內容基礎上，設計新穎的實驗創新課題，以學生實驗探究為主，老師通過線上線下翻轉課堂指導為輔，鼓勵分組討論，充分發揮學生在探究實驗過程中的主體作用，讓學生在實驗探索中掌握正確的實驗方法。學生課前通過線上視頻學習、虛擬仿真操作練習、試題庫練習，教師在線上課程基礎上通過多渠道評價機制了解在線學習成效，通過課程思政引導、教學重點難點剖析、實驗案例研討、實驗拓展等推進課程目標的實現。

借助虛擬仿真實驗，模擬真實的實驗場景，包括實驗室各種設備的放置、以自然的方式操作虛擬儀器，增強學生的現實感。適當插入與實驗相關的大學物理理論知識，將物理實驗與理論知識有效結合，讓學生在動手操作的同時，理解消化物理理論知識，使他們以更大的興趣去獲取知識。預習結束前需要完成預習測試，檢驗預習效果。針對預習中存在的問題，教師與學生在信息化平臺上進行實時的有效溝通。教師結合學生預習的數據反饋情況和問題討論情況，隨時了解學生的學習進度、把握學生預習過程中的難點問題，教師在實驗講授環節重點突出講解，有針對性地改進課堂教學設計。

4.課后進階階段。結合學生線上學習、線下實驗操作，教師引入探究式研討并進行總結、布置思考題、實驗報告撰寫及設計性實驗拓展課題，鞏固、應用、拓展所學知識。開展虛擬仿真拓展實驗，指導學生參加大學生創新創業訓練計劃、大學生物理實驗競賽(創新)、教師科研項目和社會實踐等，在實踐中提升實踐能力、創新能力和服務社會能力。

本課程已建立30個虛擬仿真實驗(22個基礎物理實驗、4個專題特色實驗、3個VR與3D實驗、1個自行研發的綜合虛擬仿真實驗項目)，同時將虛擬仿真實驗納入課程體系，學生可選擇2-3個虛擬仿真實驗，完成線上練習和操作測試，有助于完善并彌補有限的實驗條件，有利于學生的知識延伸和創新能力的提升。

線下課堂教學通過“教師為引導，問題導向”的方式，將理論知識內化，提高學生的綜合實踐能力，拓展學生的創造性思維，培養學生團隊意識 和團隊精神，促進大學物理實驗課程教學水平最好地提高，實現知識的表層意義建構。通過對實驗主要內容的線上預習，將理論教學進行前置，教師只需對實驗的重點和難點內容進行講解，將課堂更多的時間留給教師和學生進行線下互動與實驗研討。考慮到學生的學習興趣和學習能力，首先以“啟發式”“問題式”進行課堂研討，由教師提供2～3個與實驗現象、實驗原理、儀器操作、實驗拓展等相關普遍存在的共性問題，采用分組協作探索的方式進行討論，加深學生對實驗的掌握和理解，激發學生在討論中的活躍度。其次，學生獨立實驗，針對實驗過程中遇到的實驗問題，鼓勵學生之間相互合作，積極的交換意見和想法，共同分析與探究，增強學生物理實驗的主動性和能動性，教師密切關注每個學生的實驗進行情況進行指導，防止操作不當，損壞實驗儀器。最后，教師對學習和接受能力強的學生進行創新性引導，激發學生的創新思維。

三、課程內容重構與資源建設

(一)課程內容重構

1.重構課程思政體系。從經典物理實驗和物理學史中抽取立德樹人元素，重構大學物理實驗課程思政體系。課程團隊立項了“大學物理實驗課程思政”校級教改課題，設計了各實驗項目的思政元素，結合各實驗項目引入愛因斯坦、牛頓、普朗克、邁克爾遜、惠斯登、霍爾、法拉第、托馬斯·楊、法布里、弗蘭克、赫茲等物理學家的價值觀與科學精神，引出實踐出真知、勇于探索的理念，形成誠實、求精、嚴謹、耐心等良好的科學實驗素質[5，6]。

2.依據學科前沿與時代發展需求更新知識體系。本課程在保證驗證性基本實驗(6個)的基礎上，引入綜合性實驗(6個)和創新性實驗(5個)，其中引進美國PASCO接口自行研發了4個計算機測量基本物理量的創新特色實體實驗，改造了6個綜合性實驗，自行開發了天體吸積盤的流體力學虛擬仿真實驗，引入了掃描隧道顯微實驗、LED/LD、熱輻射、礦鹽及雜質檢測等7個大型綜合應用特色虛擬仿真實驗，實現了多學科、跨專業、項目實踐的融合及基礎物理實驗知識的拓展。

(二)課程資源建設

引進國家精品在線課程“大學物理實驗”(國防科技大學，何焰蘭)，結合本校“應用型人才培養”的定位，重構了教學內容，凝練三基知識、重點、難點，知識模塊化，在本校開設了SPOC混合式課程。

本課程主要學習資源建設內容：

物理實驗基本知識教學視頻8個、課件8份，包括實驗教學簡介、測量與誤差、直接測量的結果表達、間接測量的結果表達與儀器誤差、有效數字、實驗數據處理的一般方法、實驗數據處理的圖示圖解法、實驗數據處理的逐差法與最小二乘法。學生通過遠程視頻與課件學習以及線下集中授課學習，參加網上在線測試。

實體實驗教學視頻16個，包括4個力學與熱學實驗、4個電學實驗、5個光學實驗、3個近代與綜合物理實驗。學生通過觀看實體實驗視頻后可遠程登錄虛擬仿真教學系統，完成實驗操作和測量，然后參加線下實體實驗操作。

虛擬仿真實驗項目資源。系統提供22個基礎物理虛擬仿真實驗，可供學生預習和在線實驗操作。拍攝了16個虛擬仿真實驗操作視頻并上線“超星”平臺，可供全校師生共享。自行研發了“天體吸積盤的流體力學虛擬仿真實驗”，并上線學校平臺，可供校內外師生共享。實驗預習與考試系統。系統包括試題庫管理、試卷庫管理、預習平臺管理、考試平臺管理、自動判卷等功能。

四、虛擬仿真實驗教學方法改革

本課程實施開放式、模塊化教學方式改革。進行了以下教學方法改革[7]：

1.緒論課模塊：“自主學習法”+線上線下翻轉課堂改革。學生通過自主學習線上緒論課資源、試題庫練習，教師通過翻轉課堂教學及線下題庫測試檢驗學習效果。

2.虛擬仿真模塊：“沉浸式情景實驗教學法”+線上線下翻轉課堂改革。團隊引入30個虛擬仿真實驗，學生可在線沉浸式完成虛擬仿真實驗操作，教師結合翻轉課堂方式完成課堂教學，效果明顯。

3.實體實驗：“探究式開放實驗教學法”+線上線下翻轉課堂改革。團隊原創了一批教學案例進行探究式教學，課堂“活起來”，具有創新性。

五、虛擬仿真實驗課程教學組織實施

本課程實施開放式、模塊化教學。課程內容分為三大模塊組織實施教學：

1.緒論課模塊。設置2學時線上自主學習與題庫練習，2學時線下授課與考試。線下授課采用學習通翻轉課堂組織教學。

團隊設計并拍攝9個測量與誤差線上視頻并建立試題庫。學生通過線上完成2學時視頻學習及題庫練習；線下教學2學時，其中第一次課(1學時)完成課程簡介、測量與誤差知識點、線上學習任務布置，第二次課(1學時)完成開放有效數字、數據處理方法及線下測試。由于線上視頻學習與題庫練習次數不限，并輔以線下測試，大大提高了緒論課的教學效果及后續實驗的數據處理能力。

2.虛擬仿真實驗模塊。

(1)實驗拓展子模塊：完成2-3個實驗的線上練習并通過操作測試，按3學時加權計入總成績；

(2)實驗預習子模塊：學生通過線上沉浸式虛擬仿真操作完成線上實驗預習，教師通過線下檢測預習效果。

團隊建立30個虛擬仿真實驗項目。將虛擬仿真實驗納入課程體系，學生可選擇2-3個虛擬仿真實驗，完成線上操作練習和操作測試，有助于完善并拓展實體實驗課程體系，有利于學生個性化發展和創新能力的提升。

3.實體實驗操作模塊。共開出16個實驗，學生至少應完成7個實驗并符合子模塊要求。設置5個子模塊：

必做模塊1個實驗(計算機測定線性電阻伏安特性)；

力熱模塊2個實驗(楊氏模量測定，線膨脹系數測定，選做1個)；

電學模塊2個實驗(模擬示波器使用，數字示波器使用，選做1個)；

光學模塊3個實驗(反射法測定棱鏡頂角，衍射法測定光波長，折射法測定棱鏡折射率，選做1個；

任選模塊8個實驗(三線擺法測定轉動慣量，扭擺法測定轉動慣量，光的等厚干涉，旋光儀測定液體濃度，數字多用表使用，數字電橋綜合應用，計算機測定單縫衍射光強分布，計算機測定電阻溫度特性，任選2個)。

學生線上自主學習完成預習，線下結合“開放探究法”完成實體實驗；教師線下檢查預習效果并通過學習通翻轉課堂實施授課。

團隊錄制了虛擬仿真實驗教學演示視頻16個，每人分工負責課程運行與答疑。發放虛擬仿真實驗學習任務清單與學習要求，學生通過線上沉浸式虛擬仿真操作完成線上實驗預習，教師通過“學習通”平臺督學導學。學生線上自主學習完成預習，線下結合“開放探究法”完成實體實驗；教師線下檢查預習效果并通過學習通翻轉課堂實施授課。服務團隊跟蹤學生掌握程度。學生完成思考題、實驗結果討論、實驗報告及探究課題。開展虛擬仿真拓展實驗，指導學生參加物理實驗創新競賽和社會實踐等，提升創新能力。

團隊編制了物理實驗安全知識試題庫，融入了實驗素質、實驗安全、等課程思政元素。制定了學生安全知識測試達到80分方可進入實驗室的準入機制。

團隊完成了緒論課電子版教材，融入了測量、誤差、不確定度、有效數字、實驗數據處理、實驗報告撰寫等環節的課程思政基本元素。學生通過線上學習與線上線下混合式教學，浸潤式完成誠實、求精、嚴謹、耐心等良好的科學實驗素質和科學精神教育。

六、混合式課程教學評價

1.課程成績評定

(1)緒論課模塊：線上視頻學習40%，線上作業練習5%，線上測驗3%，線下考勤12%，線下考試40%。

(2)虛擬仿真實驗模塊：線上學習與操作練習，不限次數，成績達50分的，獲得操作考試資格。線上操作考試成績計入該模塊成績。

(3)實體實驗模塊：至少應完成7個實驗，多做實驗給予平時成績獎勵。每個實驗的線上預習占20%，線下操作40%，線下實驗報告40%。

三個模塊加權平均成績排名前70%者，可免于期末考試；排名后30%者，需參加期末考試。

2.課程教學評價

課程評價包括四個維度：

(1)成績評價。分為緒論課、虛擬仿真、實體實驗三個模塊，包括學習通-緒論課評價、預習評價，虛擬仿真實驗平臺評價，開放教學管理系統-實體實驗評價。三個模塊加權成績排名前70%的學生，可免考；排名后30%的學生，必須參加期末考試。學生總評成績和優秀率逐年提高，及格率高于90%。

(2)學生評價。包括教務系統學生測評、學習通問卷調查、質量體系學生滿意度測評和微信公眾號學生采訪。

(3)同行評價。包括教學督導評價和同行教師評價。

(4)外部評價。包括質量體系評價、專業認證評價及社會評價。

七、結論

教學實踐表明，將虛擬仿真實驗納入實驗課程體系，實施“虛擬仿真實驗在線課程+實體實驗模塊化課程”相結合的課程體系改革，可彌補實體實驗課程體系的不足、拓展學生的知識領域，有利于學生的個性化發展和創新能力的提升。

實施“虛擬仿真實驗+實體實驗”的線上線下翻轉課堂教學改革，增加“開放探究討論”模式，可激發學生的學習熱情并提高實驗操作技能。

實施“虛擬仿真實驗在線預習+實體實驗在線預習+線下測試+線下操作”的混合式教學改革，提高可沉浸式情景實驗教學效果。

本課程實施開放式、模塊化教學改革，實施“沉浸式情景實驗教學法”“探究式開放實驗教學法”“自主學習法”+線上線下翻轉課堂教學方法改革，自建30個虛擬仿真實驗項目，建立了“基于虛擬仿真的，以學生為中心，以實驗能力和素質培養為核心”的開放式線上線下混合式教學模式,創新了基礎物理實驗課程體系，提升了基礎物理實驗內容的創新性和挑戰度，有利于培養學生解決復雜問題的綜合能力和高階思維[7]。