苏瑞霞 张艳 黄霞
摘 要：文章从大学物理实验教学的现状出发，具体分析了传统实操实验和虚拟仿真实验的优缺点，介绍了虚实结合下的大学物理实验教学模式的内涵，阐述了虚实结合下大学物理实验教学模式的应用优势和构建措施。文章认为这种虚实结合的教学模式激发了学生对大学物理实验的学习兴趣，培养了学生的创新意识，丰富了现有的实验教学模式，使教学效果得到了极大提高。
关键词：传统实验；虚拟仿真实验；虚实结合；教学模式
中图分类号：G640 文献标识码：A 文章编号：1673-7164（2023）08-0054-04
基金项目：国家自然科学基金“界面效应对纳米材料热传导影响机理的研究”（项目编号：51706118）；2022年中国矿业大学（北京）本科教育教学改革与研究资助项目“虚实结合下的大学物理实验教学模式研究与实践”（项目编号：J220702）；中国矿业大学（北京）大学生创新训练项目“低维系统的格波解及色散关系的研究”（项目编号：202207003）。
作者简介：苏瑞霞（1988—），女，博士，中国矿业大学（北京）理学院讲师，研究方向为低维系统的热传导；张艳（2002—），女 ，学士在读，中国矿业大学（北京）理学院，研究方向为非线性晶格链声子谱；黄霞（1977—），女，博士，华北电力大学数理学院副教授，研究方向为耦合非线性系统的动力学研究及复杂系统的同步现象分析。
培养大学生严谨的科学思维与创新能力是高校育人非常重要的一项目标，而大学物理实验课程对大学生这两项能力的培养发挥着至关重要的作用。传统大学物理实验课程的教学过程分为以下三步：第一步为学生通过阅读教材和教师提供的课件进行预习；第二步为学生到实验室观看教师讲解原理与实验演示；第三步为学生进行实验操作和完成实验报告。这种传统的教学模式相对单一，学生学习被动，教学效果欠佳［1-2］。大学物理实验课程为大学理工科基础教学课程，面对的班级数非常多，很多高校会受到一些客观因素的限制：如设备、场地、课时等，存在实验仪器落后且台数不足、实验教学内容陈旧等情况。为解决上述大学物理实验教学存在的问题，本研究基于前期大学物理实验教学实践中积累的经验，对传统实操实验和虚拟仿真实验在教学中的优劣势进行了分析，创建了虚实结合的教学体系，旨在提高大学物理实验教学实践效果。
一、虚实结合下的大学物理实验教学概述
虚拟仿真实验的基础是虚拟仪器，实现方式主要是基于多媒体技术、网络通信、虚拟现实和计算机仿真软件等技术［3］，在计算机平台上，以传统实验资源为依托，构建集现实资源和虚拟技术为一体的软硬件操作环境，实现传统实操实验不具备或难以完成的教学功能。虚拟仿真实验和传统实操实验教学最大的区别在于它将实验仪器设备、实验教学内容、教师实验指导、学生实验操作都融为了一体，形成了一部可操作性很强的教学资源［4-5］，具有良好的互动操作性、资源共享性和安全性，使得多名学生、多个实验同时进行成为可能，为学生提供了自主学习的环境。仿真实验紧密结合实操实验，形成有效互补，突破空间和时间限制。下面首先分析传统实操实验和虚拟仿真实验的优势与不足，然后进一步提出虚拟仿真实验教学系统与传统实验教学进行有机结合的方法。
二、传统实操实验的优点与不足
（一）传统实操实验的优点
1. 教学过程直接真实，学生感性认知提高。真实的实验仪器和设备构成了传统实操实验的物质基础，能够在实验教学中直观展示实验现象，模式简明、清晰，有利于教师对整个教学过程的控制。学生也可以通过视觉、听觉、触觉等来认识客观事物及规律获得感性认知，进一步从感性认知中发现问题、分析问题进而解决问题，最终获得对客观事物及规律的理性认识，实现对理论知识深入的理解。
2. 提高学生动手能力。在大学物理实验的实操过程中，学生会遇到各种实验误差，传统实验要求学生要知道误差的来源，会分析相关实验的误差原因，能够从系统误差和偶然误差两个角度进行误差分析，掌握如何通过调节仪器解决问题的方法，从而具备一定的解决问题的能力。在调节真实仪器过程中，学生的动手能力、分析解决问题的能力以及理论联系实际能力都会得到很大的提高。
（二）传统实操实验的不足
1. 无法控制预习环节。虽然要求学生对每个实验进行课前预习，但学生对实验预习的积极性不强，大部分学生只是机械地抄写预习报告，并没有很好地阅读教材和教师提供的预习课件，对于实验需要的理论知识基本没有思考，更谈不上掌握，因此学生的预习环节对实验教学效率和质量的提升根本不起作用。
2. 实验教学受时空和师资因素限制。传统的实验教学会受到一些客观因素的限制：如设备、场地、课时等，存在实验仪器落后且台数不足、实验教学内容陈旧等弊端，不利于学生创新实践能力的培养。艰巨的教学任务导致师资严重不足，也不利于教师教学内容的创新。再者，近几年因为新冠肺炎疫情，有部分时间学生只能在线学习，导致一些实验课程无法现场实践开展。
3. 课后无法回溯，缺少对照总结。学生需要在实验室完成操作以后撰写实验报告，实验报告完成后，需上交给授课教师，教师批改后装订成册留档，导致学生不清楚自己实验报告中存在的问题，不利于学生就物理实验结果进行深入分析与理解。
三、虚拟仿真实验的优点与不足
（一）虚拟仿真实验的优点
1. 虚拟仿真实验脱离了时空、课时等因素的影响。具体来说，学生可以灵活地运用自己的实验时间在线进行实验操作，自主学习，不受传统实物实验室关闭和开放时间的限制。新冠肺炎疫情期间，有部分时间学生无法返校，只能采取线上学习的方式，这种情况下学生只需具备电脑和网络就可以随时随地进行虚拟仿真实验操作，使实验教学在时间、空间上得到了极大延伸［6］，弥补了传统实操实验带来的不足。
2. 安全、经济。一部分物理实验尤其是电学实验，学生错误的操作很可能会损坏实验仪器，影响下次课学生的有效实验仪器数量，甚至个别严重的引发安全事故。而用虚拟仿真实验时，如果学生错误操作，虚拟软件会有相关操作错误警告，提醒学生，从而不会引发真正的事故。
3. 提高学生创新能力。虚拟仿真实验可方便设置开放性实验项目，使实验内容得到拓展。学生可根据兴趣及专业方向自主选择实验项目进行操作，从而激发学生的物理实验学习兴趣，很好地将物理实验与学生的专业知识建立起联系，也培养了学生创新意识和独立思考以及解决实际问题的能力。
（二）虚拟仿真实验的不足
1. 预习效果仍待改善。对于虚拟仿真实验，仿真实验平台提供了实验简介、原理、内容和仪器设备等全套实验内容，这种极其全面和详细的罗列模式和已有的实验教材基本没有区别，无法激发学生的学习兴趣，在短时间内学生也较难掌握实验的整体框架和关键要领，并不能解决传统实验中的预习环节遇到的问题。
2. 缺乏实验的氛围。在传统实操实验中，学生面对的是真实的实验仪器设备，通常是学生两人一组共同完成实验操作，遇到问题可以共同讨论，协作攻克问题，培养了学生交流以及团队合作的能力。而虚拟仿真实验采用一人一机的实验模式，学生面对的只有电脑和一些用到的软件，无法体验真实的物理实验环境，使得学生合作交流能力的培养无法在实验中实现。
3. 缺乏对实验误差的分析与理解。虚拟仿真实验都是由设计好的程序来实施的，缺乏对真实物理实验过程中的一些细节（尤其是易出现的实验故障的一些问题）的模拟，因此目前虚拟仿真实验基本上都是理想化的，非常不利于学生对实验误差的分析与理解，也不利于培养学生发现问题的能力。
四、虚实结合教学模式的探索
大学物理实验传统与虚拟仿真教学模式各有其独特的优缺点，两者并非相互对立的关系，而是互为补充、相辅相成、相互促进的统一体。为了最大限度地优化大学物理实验教学效果，在实验教学中应结合这两种实验模式，从而实现大学物理实验教学的目的。
（一）虚拟仿真教学平台的构建
学校于2020年引入虚拟仿真实验平台，因为疫情很多地区学生无法返校正常上课，为顺利开展大学物理实验教学，中国矿业大学物理系与实验教学中心第一时间引入虚拟仿真实验平台开展大学物理实验教学，主要利用科大奥锐有限公司开发的大学物理实验虚拟仿真教学平台。此教学平台集成性很高，将实验中心门户网站、预习环节、仿真实验和实验报告批改系统集成为一体，具有非常强大的功能，如信息发布、数据收集、数据分析、互动交流和成果展示等功能。仿真教学平台全天24小时开放，学生登录仿真平台后可线上进行实验预习、操作练习和提交实验报告。教学平台不仅方便学生，教师也可很便利地在教学平台上布置实验任务、组建和发放预习试卷、检查学生预习情况、操作练习情况和批改实验报告。
（二）合理设置虚实实验比重
在引入虚拟仿真实验后，开始对传统实验结合虚拟仿真实验的教学模式不断探索与尝试。但需要注意的前提是一定要保证大学物理“实验”的课程属性不变。虚实结合，要求不仅要有传统实操实验项目，还要有虚拟仿真实验项目，更进一步要开发虚实结合的实验项目。虚、实实验项目的比重要合理设置，对于基本的测量方法和常用测量工具的使用方法一定要基于实体仪器，一定让学生在实验室亲自操作，比如示波器是很多物理实验常用的测量设备，像液晶电光效应、声速测量、动力学法测杨氏模量等实验都会用到，所以示波器的使用最好要在线下实操学习操作，只有这样才能避免在日后的实际使用中出现纸上谈兵的情况。虚拟仿真实验则可以在某些特殊实验条件（如疫情、仪器价格高昂）不可达变成可实现。例如磁滞回线实验，在线下无法实时观测在不同磁场下，磁性材料的磁化状态，而学生要想深入理解磁滞回线，需要了解磁畴在外磁场下的转动过程，而相应的实验设备就要用到磁力显微镜和磁光克尔效应仪，这两个设备不仅价格昂贵，而且后期维护成本高，非常不利于磁滞回线实验的顺利开展。这种情况下虚拟仿真实验就发挥了不可替代的作用，它可将新材料、新科技便捷地引入实验项目，很大程度地拓宽了大学物理实验课程体系内容，提高了实验教学的先进性。对于一些现实不可达的物理量和物理规律也需用虚拟仿真实验实现。
（三）虚实对照，预习和讲授相结合
为了更好地提高大学物理实验的教学效果，本研究尝试了以下虚实结合的教学模式；要求学生先自主地根据实验学习的需要在虚拟实验平台进行线上深入预习，但考虑到一般的虚拟仿真实验平台并不能改善学生的预习效果，要解决这一问题，必须要强化虚拟仿真实验平台的展示作用，尽量将实验仪器特点、实验原理及实验操作步骤用动画和实物视频演示等方式替代仿真实验项目上固有的纯文本内容的展示方式，这样学生才更加容易接受；在实验仿真平台上可以加入一些优秀的物理实验教学视频，增加一些介绍与实验相关的物理学家、生活中的物理小知识等视频，提高学生对大学物理实验的学习兴趣，拓宽学生的知识面；教师可通过组卷功能给学生发放难度较小的测试题，学生测试成绩合格后，才能进入课堂进行实践操作，这样更便于提高学生预习的积极性与预习效果，有效缩短教师在线下课堂的讲解时间，从而给学生提供充足的实践操作时间。学生在进行了有效的预习后，再进行线下实操实验，课堂上教师的详细讲解与示范操作，可以进一步加深学生对整个物理实验的设计思路和实验的观测手段的认识。对于预习中遇到的问题，学生也可以直接与教师的讲解进行对照，随时提问交流，使预习中的问题得到有效解决。
（四）线上验证巩固，闭环学习
线下得出实验结论、完成实验报告后，对实验中存在的问题，可以通过线上虚拟实验再次进行实验验证。对于部分学生如果实验过程中没有完全掌握一些物理概念，也可结合虚拟仿真实验来巩固提高，从而使大学物理实验学习过程形成闭环。这样虚实结合的实践教学模式可以提升学生对大学物理实验学习的主观能动性，使学生对实验原理与实验规律的认识和理解更加深刻。
（五）即时交流工具发挥重要作用
在虚实结合实验项目的实施过程中，还应重视即时交流工具的作用，在虚实结合实验教学过程中，微信答疑群和QQ答疑群能很好地促进师生之间沟通，既拉近了教师与学生的距离，又能使学生放下包袱，跟教师积极交流，师生互动远比实验室热烈，交流时间也比线下时间增长。学生间也可以随时展开讨论，互相帮助，合作解决问题的能力的培养有所提升。因此微信答疑群和QQ答疑群可以作为大学物理实验教师的教学助手，为建立良好的实验课程学习氛围发挥重要作用。
五、虚实结合教学模式的应用挑战
我国物理虚拟仿真实验教学模式起步较晚，特别是物理虚拟实验开发技术、设备等方面均落后于发达国家。目前，高校的虚拟实验仪器模型的种类普遍比较单一，从功能上来说，部分实验的真实性与实际实验室的实验器材相比都还存在较多欠缺之处，这会导致学生在虚拟环境下进行实验操作时产生疑问，对知识的迁移产生不利影响。解决这个问题的方法是学校应在考虑成本允许和虚拟仿真实验技术成熟的情况下，大力引入VR、友好的人机交互等国内外先进的仿真操作新技术，使虚拟仿真实验更加贴近真实的实操实验。再者目前虚拟仿真教学资源还远远不够完善，创新性和设计性的实验项目数量十分匮乏。在今后的实验教学中，应适当加大自主开发虚拟仿真教学资源的力度，建立虚拟实验与硬件实验的紧密联系，为培养创新应用型人才提供良好平台。此外，虚实结合的大学物理实验教学平台建设需要的成本较高，尤其在建设初期，高比例的维护成本支出也在很大程度上制约了虚实结合下的大学物理实验教学平台的建设效率。
六、结语
本文详细分析了传统实操实验与虚拟仿真实验的优劣势，提出要将虚拟仿真实验与传统实验教学有机结合。虚实结合的教学模式，不仅能够明显提高学生学习大学物理实验的主观能动性，还能加深学生对实验原理和结论的理解，减少实验硬件损耗。可以打破传统物理实验教学的时空限制，改变传统单一的填鸭式教学方式，增强大学物理实验的可设计性。让学生学习更加自由和灵活，可实现全空间、全过程的闭环学习模式，极大提高物理实验教学效果。
参考文献：
［1］ 肖立娟. 大学物理实验教学的现状与教学改革的探究［J］. 大学物理实验，2015，28（06）：114-116.
［2］ 尹亚玲，王博文，柴志方，等. 混合教学模式在大学物理实验课程教学中的应用［J］. 物理实验，2017，37（03）：41-47.
［3］ 张金凤，贾小文，赵云飞，等. 信息技术在物理实验课教学中的应用［J］. 科技创新导报，2018，15（08）：201-202.
［4］ 王晓蒲. 大学物理实验的改革与实践［J］. 教育与现代化，2002（03）：26-28.
［5］ 霍剑青. 应用信息技术培养创新型人才实验教学模式的思考与实践［J］. 物理与工程，2013，23（06）：26-29.
［6］ 刘志远. 大学物理仿真实验的定位研究［J］. 吉林省教育学院学报（学科版），2011，27（11）：133-134.
（责任编辑：淳洁）
