皮飞鹏 洪哲新 张姗 袁聿海

摘  要 大学物理实验是理工科专业本科生重要的必修课。广州大学大学物理实验课程教学团队针对课程教学现状和问题，通过分析总结疫情防控期间线上大学物理虚拟仿真实验教学的实践经验，构建线上线下混合式大学物理实验教学模式，即“课前虚拟仿真实验预习+课中教师精讲和学生真实实验操作+课后线上反思总结和虚拟仿真拓展创新”。介绍该教学模式及其建构过程，并以“杨氏弹性模量的测定”为例，采用该模式进行教学实践，取得较好的教学效果，提高了学生的自主学习能力和创新能力。

关键词 大学物理实验;混合式教学;杨氏弹性模量;虚拟仿真实验;翻转课堂;实验室

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：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

實验教学作为高等学校本科生培养的重要环节，承载着学生工程素质、创新精神及能力培养的任务[1]。随着信息技术与教育教学的融合，实验教学的形态也在发生深刻的变化。教育部办公厅2017年下发的《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》[2]，教育部2018年下发的《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》[3]，都提出要将实验教学信息化作为高等教育系统性变革的内生变量，深入推进信息技术与高等教育实验教学的融合，开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设，以高质量实验教学助推高等教育教学质量变轨超车。在这些政策和技术进步的推动下，虚拟仿真实验课程得到广泛开展。

大学物理实验是理工科大学生进入大学后学习的第一门重要的实验课，是其接受系统实验方法和实验技能训练的开端，也是后续专业实验和科研训练的重要基础[4-5]。为加强大学物理实验课程建设，用信息技术推进课程改革，广州大学大学物理实验课程教学团队于2018年开始进行虚拟仿真实验项目建设，并在2020年上半年的居家学习期间进行广泛实践。针对线上实验和线下实验各自的优缺点，从培养学生实验技能、工程素养和创新精神的目标出发，基于翻转课堂教学理念，团队尝试将线上虚拟仿真实验与传统课堂有效融合，提出一种线上和线下相结合的物理实验教学模式，在实际实验教学中收到良好的效果，提高了学生的实验课参与度，丰富了教学手段，解决了实验教学中长期存在的一些问题。

1  线下大学物理实验教学现状

按照目前广州大学大学物理实验课程的设计，学生应在实验前进行实验预习并完成预习报告，在对实验内容有了一定的认识之后再在实验室进行实验操作。但在实际教学中，学生在没有接触实验仪器的前提下，仅仅根据教材中的文字和图片进行实验预习会无从下手，实验预习常常只是将实验内容抄袭一遍，甚至没有预习。在实验课上，由于学生没有真正预习，实验教师需要占用大量课堂时间对实验内容和步骤进行讲解，使得学生的实验操作时间变得紧张，甚至无法按时完成实验，达不到预期的学习效果。而课后，师生之间由于缺乏交流互动的机会，教师无法知道学生的学习效果，学生更是缺乏一个巩固和提高的平台。

2  线上大学物理虚拟仿真实验教学情况分析

为适应新冠疫情期间居家学习的需要，广州大学大学物理实验课程教学团队于2020年春季学期开展了大规模的线上大学物理虚拟仿真实验课程，并在学期结束时对参与大学物理虚拟仿真实验课程的学生进行问卷调查，期望总结线上教学经验，在此基础上构建线上线下混合式大学物理实验教学模式，用信息技术改造传统的实验教学模式。

课程团队有教师26人，负责广州大学10个工科学院每届近3 000名学生的大学物理实验课程教学，课程计划学时32学时，须完成10个实验。参与网络问卷调查的学生共1 054名，问卷内容包括学生对实验课的态度、教师教学情况、学生对虚拟实验的认知和态度以及对虚拟仿真实验的期望，共四个方面。采用SPSS对问卷数据进行统计分析，结果如下。

2.1  学生对实验课的态度

问卷调查了大学物理实验课程的学生态度，75%的学生之前没接触过虚拟仿真实验或虚拟仿真实验软件;收到大学物理实验课改用虚拟仿真实验软件上课的通知时，50%的学生表示对这学期的大学物理实验课充满期待和好奇。而在实验课学习习惯方面，仅有6%的学生表示自己从来不预习实验，大部学生会认真预习并准备好预习报告。

2.2  教师的教学情况

在实验课教师教学方面，80%的教师会讲解实验的各个环节。当被问及喜欢实验教师采用哪种教学方式时，超过一半的学生喜欢教师详细讲解并示范操作。在问及“老师在哪个环节对自己帮助最大”时，选实验原理环节的学生最多，为47%;其他环节依次为仪器操作21%，实验步骤19%，数据处理14%。而在实验教师的详细讲解下，只有9%的学生表示仍无法独立完成实验。

2.3  学生对虚拟实验的认知和态度

在参与一学期的大学物理虚拟仿真实验课程之后，大部分學生认为虚拟仿真实验有助于自己更好地理解实验原理（55%）和实验步骤（61%），更快掌握仪器的功能和操作方法（56%），对如何处理实验数据和误差分析也更清楚（51%）。

当问及虚拟实验与真实实验相比所具备的优点，学生投票最高的前三个选项依次是不担心设备损坏（89%）、实验环境安全（76%），以及可以重复多次、减少误差（67%）。

关于虚拟实验中遇到的困难，投票前二的选项分别是虚拟环境与真实环境有差别而不能很好地投入（47%），不会熟练使用虚拟软件（18%）。

2.4  学生对虚拟仿真实验的期望

当被问及“下学期返校后，还有必要部分实验采用虚拟仿真实验的形式吗”，61%的学生认为有必要。并且43%的学生认为将虚拟仿真实验应用在仪器操作这个环节教学效果最好，其他环节依次是实验步骤24%、实验原理20%、数据处理14%。总体来说，89%的学生表示喜欢本学期的大学物理虚拟仿真实验课。

以上调查结果说明，学生在进行虚拟仿真实验课程之后，认为其具有较好的安全性、可多次重复、没有空间限制等优点，使用虚拟仿真实验能在数据处理能力、实验操作能力和实验分析能力方面得到提高。教师应积极引导学生学习使用虚拟实验，在实验教学中可采取真实实验室实验和虚拟实验并行的方式，特别是使用虚拟仿真实验演示实验操作，增强教学效果，培养学生多方面的素质和能力。

3  线上线下混合式大学物理实验教学模式构建

通过以上调查发现，线上虚拟仿真实验具有可重复性、不受时间和场合制约、无须担心操作失误造成精密仪器损坏等优点，但也要看到，虚拟仿真实验无论效果如何逼真，还是缺少真实实验设备的真实触感和真实体验，只能作为辅助真实实验的一种工具，而不是完全替代真实实验。有鉴于此，针对传统大学物理实验教学模式中存在的问题，分析线上虚拟仿真实验的特点和优势，借鉴翻转课堂教学模式，颠覆教学流程[6]，构建线上线下混合式大学物理实验教学模式，图1是该教学模式的示意图。

在课前环节，教师通过线上实验指导，将理论教学进行前置，使学生提前了解课堂教学内容，在课前利用线上虚拟仿真实验软件让学生进行实验预习，提前引导学生了解实验流程、操作技巧、重点知识内容。除了虚拟实验软件自带的自学视频（图2）外，实验教师还可通过企业微信、微信群等途径推荐其他网站的相关实验视频给学生观看，让学生从不同角度了解实验原理和实验操作，并让学生记录预习所遇到的问题和困惑，课前反馈给教师。

而在线下面对面实验教学时，教师首先对线上预习环节出现的问题进行针对性讲解，并引导学生继续提出问题，带着更多的思考进行实验操作。这样更利于培养学生独立思考能力、钻研精神，令他们在发现问题、分析问题、解决问题的过程中获得物理实验综合能力的提升。同时，教师也不必从头到尾讲解实验原理和实验操作，给予学生更多的时间进行实验操作，让学生更多地进行线下互动与实验研讨。通过线上与线下教学的有机融合，让大学物理实验课堂更加高效，学生间也可以更好地合作与互动，完成知识的探究与构建。

在课后的线上环节，学生对真实实验获得的数据进行处理，完成实验报告。对于学有余力的学生，教师亦可引导他们使用虚拟仿真实验软件进行更深入的研究与探索，引导学生以开放的思想、积极的探索精神，对实验知识相关的物理现象进行研究与分析。良好的课后探究活动能显著加深学生对实验原理的理解，并提高熟练操作仪器、科学规范记录与处理数据以及分析和解决问题的能力。最后，让学生对本次实验从实验预习、方案设计、实验操作与探究等方面进行自评，记录自己的收获与进步，反思缺点与不足。而教师也要基于学生在实验全过程中的表现对学生进行评价。

作为线上线下混合实验教学的关键环节，教师需充分发挥线下课堂的优势与价值，在课堂上发挥主导作用，多使用具有探究性的实验项目引导和促进学生开展小组合作探究。而线上虚拟仿真实验软件则提供给学生课前预习、课后复习巩固和拓展探究的机会，使得学生在课前、课中、课后均有收获，有效提高实验课堂效率。

4  线上线下混合式教学案例

杨氏弹性模量（简称杨氏模量）描述的是固体材料抵抗形变的能力，其大小标志了材料的刚性，是选择机械零件材料的依据之一，是工程技术设计中常用的参数，它的测定对研究各种材料的力学性质有着重要意义。本文以“杨氏弹性模量的测定”为例，应用线上线下混合式大学物理实验教学模式进行教学实践。

在课前的线上预习环节，教师将实验教学内容按知识点进行梳理，提出预习目标和知识重难点，制作成《课前线上预习任务单》（表1），通过QQ群或微信群提前推送给学生。由于本节课的重难点是“掌握使用光杠杆法测量微小长度变化的原理和方法，光杠杆和尺度望远镜的调节”，因此让学生在课前使用虚拟仿真实验动手操作就显得尤为重要。在真实实验室不一定有足够数量的实验装置做到人手一套，而且光學仪器属于精密仪器，学生刚开始操作并不规范，极易损坏光杠杆和望远镜，或者操作后在望远镜中观察不到刻度标尺的像和观察者眼睛的像，茫然不知所措。课前预习环节应用虚拟仿真实验，便可发挥虚拟仿真实验的优势，每个学生都可以在线练习操作光杠杆和望远镜标尺组，不必担心操作失误，并且有实验演示视频可以反复观看，从而改进和熟悉实验操作，极大地提高学生的课前预习效率。而虚拟仿真实验具有的后台统计功能，让教师可以方便地了解和监督学生的预习情况。

在线下的真实实验课堂教学中，由于学生在课前熟悉了实验装置的使用，因此在进行课堂教学时，教师只需根据课前收集到的学生预习情况，有的放矢地对学生普遍掌握不清的实验原理和实验步骤进行讲解，学生有更多时间亲自操作真实实验仪器，进行解决问题的训练。虽然大部分学生已经通过线上虚拟仿真实验预习了该实验操作，并且也能调试出实验要求的像，得出相关数据，但在线下真实实验室，特别是当亲自动手调试实验仪器，进行调节光杠杆、望远镜与标尺，望远镜境外和镜内找标尺像，细调对零等步骤时（图3），学生就会发觉操作真实实验仪器时不会像操作虚拟仿真实验那样容易成功。而“杨氏弹性模量的测定”最难的一环便是学生在完成望远镜境外找像后，在接下来的望远镜镜内找不到标尺的像，而这种真实实验环境下遇到的困难恰好可以检验学生的实验预习质量和问题处理能力，是否能通过独自思考或者与同学的讨论合作解决问题。在成功解决望远镜镜内找像的问题后，便可采用等增量测量法，改变砝码的数量，将相关长度的测量数据记录下来，完成本次实验任务。

而在课后的线上总结和实验拓展创新环节，学生除了要完成实验数据的分析处理和实验报告的撰写，还可以对此次实验过程中遇到的问题与实验教师和同学进行线上讨论，教师还可以引导学生进行其他方面的拓展和探究。例如：如果实验时钢丝有些弯曲，对实验有何影响？如何从实验数据中发现这个问题？引起测量误差的因素有哪些？实验中应如何尽量减小误差？如何根据实验测得的数据计算所用光杠杆的放大倍数？实践证明，这种方法不仅可以照顾到每一位学生的学习，增强学生的实验效果，而且能让学生掌握基础实验知识后，利用已有知识分析、综合、判断、实施，进而解决问题，极大提高他们的实验兴趣。

5  总结

通过大学物理仿真实验平台的建设和线上线下混合式大学物理实验教学模式的应用，广州大学大学物理实验课程教学团队较好地解决了学校传统大学物理实验教学过程中处在的问题，丰富了实验教学内容，提高了实验课堂教学的效率。教学团队认为：虚拟仿真实验平台毕竟是一个虚拟的环境，缺少真实感，在训练学生的实验技能，培养学生的动手能力等方面，还不能取代真实实验室，实验技能的掌握还必须通过学生自己亲自动手操作真实实验仪器解决问题和困难才能实现。因此，教学团队将继续探索并改进教学模式，更好地将线上资源与线下真实实验有机结合，对整个教学环节进行更精细化设计，更好地利用线上和线下两方面的教学资源提高大学物理实验教学的质量，为更好地培养学生的工程素质、创新精神及能力服务。■

参考文献

[1]王军，王帆，沙经巧，等.线上线下相结合的大学物理实验教学改革研究[J].物理与工程，2020，30（5）：26-31，36.

[2]教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知[A/OL].（2017-07-13）[2020-07-13].

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

07/t20170721_309819.html.

[3]教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知[A/OL].（2018-06-05）[2020-05-28].http：//www.moe.

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

713.html.

[4]徐玮婧，刘婷，潘量，等.大学物理实验的混合式教学应用初探[J].物理实验，2018，38（S1）：92-94，98.

[5]孙宝光，张启义，谭仁兵.基于微信平台的大学物理实验考核系统构建与使用[J].物理实验，2016，36（5）：22-24.

[6]何克抗.从“翻转课堂”的本质，看“翻转课堂”在我国的未来发展[J].电化教育研究，2014，35（7）：5-16.