张定梅 蒋再富 戴伟 侯兰宝

摘要：为解决传统实验教学受实验场地、设备老旧、台套数等因素的限制，纯虚拟仿真实验不利于学生物理背景的理解和动手能力的培养的问题，构建了虚实结合、虚实互动的实验教学新模式，将实验预习、线下讲解、线上线下操作、数据处理与实验报告融为一体，让学生全方位、多维度理解实验内容。通过线下实操和线上虚拟的互动，弥补了当前大学物理实验教学的不足，并对大学物理实验项目进行了优化，提高了实验教学质量。

关键词：大学物理实验；虚实结合；学分制；教学改革

中图分类号：O4-33      文献标志码：A      文章编号：1008-4657（2023）04-0091-06

0        引言

大学物理实验是大学理工科专业开设的一门公共基础课程，对于培养学生科学素养和动手能力起着至关重要的作用。地方应用型高校的仪器设备的数量、更新换代率、设备的时效性制约了该门课程的教学，不利于应用型、创新型人才的培养。近年来，国内很多高校针对大学物理实验课程的教学模式改革进行了大量研究，取得了一定的成效［ 1-10 ］。近年来，随着互联网技术的发展，“互联网+教学”的模式进入了高校的视野。其中虚实结合、线上线下混合的大学物理实验教学模式的研究是一个热点。例如，姬鹏飞等［ 11 ］分析了传统实验教学与虚拟仿真实验教学的优劣势问题，优化了虚实结合的实验教学模式。康小平等［ 12 ］提出了分层次、模块化的虚实结合大学物理实验教学新模式。甘亮勤等［ 13 ］分析了大学物理实验教学改革必要性，提出网络教学与线下实践相融的实验教学模式。魏薇等［ 14 ］构建了虚实结合的BOPPPS实验教学新模式，显著提高了大学物理实验的教学质量。谭佐军等［ 15 ］提出了虚拟仿真预习与开放实验室预习有机结合的新实验教学模式，提高了学生学习兴趣和预习质量。以上研究各有侧重点，并结合自己的学校特点对虚实结合大学物理实验教学进行了探索，但系统性和普适性不足。

1       传统实验教学的困难

荆楚理工学院大学物理实验课程在2017年就实施了选课制，并对全校理工科学生开放。课程总共48学时，3个学分，学生选课成功并确定班级后由一个教师上课。虽然选课制调动了学生的学习积极性，并促进了各个专业的交流与融合，但在实际教学中也遇到了一些难题。

1.1       选课制制约了分级教学

由于学生来自于不同的学院和专业，专业侧重和学生基础不尽相同，这给教学带来了困难。由于选课前没有进行物理基础知识测试，也没有对学生进行分级，学生随机选定一个教学班级上课，无法对学生进行分层、分级教学。虽然荆楚理工学院在制定教学大纲时已经对教学内容进行了分级，也对不同专业的实验项目进行了区分和优化，但选课制的实施阻碍了分级教学的推进。

1.2       设备老旧制约了实验教学

实验设备台套数不足、老化也是制约传统实验教学的关键因素。荆楚理工学院的大学物理实验设备大多数的使用年限已经超过五年，设备老化严重，台套数也不足。加上最近几年本科生数量的增加，实验中心已经是超负荷运转，虽然进行了实验室开放，但依然满足不了学生的需求。特别是无法保证学生的实验预习，导致很多学生在课内时间内无法完成实验。其次，由于学生预习不充分，在实验的过程中无法按照流程进行实验，导致仪器损坏。例如“分光计的调节及使用”实验，分光计锁紧螺丝未打开就进行调节，导致误差不断增大，并且三棱镜损坏也比较严重。再例如“电表的改装及校准”实验，学生未按照电路图规范连接电路，导致短路烧坏电表或者电表指针打弯，这都给实际教学带来了困扰。目前这两个实验项目由于台套数不足，已经无法开出。

2       纯虚拟仿真实验的不足

疫情期间，由于学生无法返校，我们使用某品牌的大学物理实验虚拟仿真平台进行了线上教学。虽然学生按照要求完成了实验项目，但反馈回来的实验效果并不理想，主要表现在以下两点。

2.1       对实验的物理背景理解不深刻

虚拟仿真实验项目是在纯虚拟的环境下进行的，里面的实验仪器都是以三维动画的形式呈现，很多学生为了节省时间，在没有预习的情况下就进行了实验操作，当遇到不会操作的时候，学生就直接查看操作流程指导。没有仔细体会物理实验的本质，最后造成期末考核的时候对仪器不熟悉。

2.2       对学生的动手能力培养培养不足

虚拟仿真实验操作实际上是靠学生点击鼠标完成的，与线下的实验操作存在差别。线下的实验操作主要由实验预习、理论讲解、操作讲解、动手实验、数据处理等环节构成。学生在实际实验操作过程中会遇到一些问题，通过问题的解决能够加深对物理原理、实验装置的理解。例如，在做“密里根油滴”实验时，落到油滴室里的油滴在显示屏上会斜着运动，这时就要思考是不是试验仪器没有调平或者CCD探头的角度选得不合适。同时也会遇到有的油滴运动得很快，有的油滴运动得很慢，油滴怎样选择等问题。研究发现油滴带的电荷和质量都会影响油滴运动的速度。而这些问题只有在实际操作过程中才能遇到，虚拟仿真实验只设置了一些固定场景，无法完全再现实验中遇到的问题，因此在動手能力的培养方面有些欠缺。

3       虚实结合实验教学的模式构建

线下实验和线上虚拟各自的不足，但同时也有各自的优势：虚拟仿真实验能够在线进行实验操作，不受场地、时间的限制，在疫情期间发挥了较大的作用；而线下实验能锻炼学生的动手能力，通过解决实验中遇到的难题来加深对实验的认识，提升了认知水平，培养了探究能力。在荆楚理工学院学分选课制大环境下如何兼顾线上与线下教学，并针对学生进行分层分级教学是当前亟待解决的关键问题。

我们通过对2021级全校理工类专业学生进行试验，摸索了一套虚实结合、虚实互动的大学物理实验教学新模式，如图1所示。

对于一个新的实验项目，教师首先发布实验预习通知，学生在虚拟仿真平台里面进行初步预习，了解基本实验原理和物理背景。接下来教师在课堂上进行讲解，详细介绍实验原理、操作步骤，并强调注意事项。学生可在线上先操作一次，了解实验的基本操作步骤，并将仿真中遇到的问题记录下来。再到实验室进行实操，解决仿真中的问题，加深对实验的理解，并记录数据。当线上、线下操作都完成后便进行数据处理环节。数据处理先在线上进行，由于线上处理数据是靠软件计算完成的，中间过程并不是很清楚。线下再进行实验报告撰写，并将线上、线下处理的结果进行对比，最终完成一个实验项目的整个流程。

杨氏模的测定是荆楚理工学院新购买的虚拟仿真实验项目，仿真系统包含实验简介、实验原理、实验内容、实验仪器、实验指导、参考资料、实验演示、实验操作等模块，学生可以在仿真系统中预习，熟悉实验原理，进行实验初步操作，并与线下操作进行互动，提升实验教学效果。学生首先登录虚拟仿真系统熟悉实验原理、实验目的、实验仪器，了解杨氏模量测定仪（包括砝码、光杠杆、望远镜、标尺）的使用方法，掌握数据处理（固体杨氏模量公式、不确定度）的计算方法。然后教师进行线下实验讲解，内容包括固体杨氏弹性模量的公式推导及计算方法、杨氏模量的物理背景、光杠杆的使用方法、望远镜仰俯角的调节方法、标尺的读数及注意事项等，让学生全方位了解实验原理和操作步骤。紧接着学生在线上进行实验操作，遇到问题时可询问实验指导教师和实验员，掌握虚拟系统里面每个功能按键的使用和调节。然后结合线上操作遇到的问题再进行线下操作，其中光杠杆的调节要细致，仰俯角的细微的差别会影响标尺在望远镜中的读数。其次，加砝码的时候要按照顺序加减，避免出现回程误差。当实验仪器调节好后，便可记录数据。最后是处理数据，线上处理数据需要利用软件进行，虽然过程不直观，但准确度较高。可将线上、线下结合，确保计算结果的准确性。

對于实验考核，我们采用虚拟仿真考核和线下操作考核相结合的形式进行。其中虚拟仿真考核包含基础原理测试题、数据处理题和实验项目操作题，占总成绩的40％。同时线下也要进行考核，一般是选取一个已经做过的实验项目进行，需要学生记录数据并撰写实验报告，并考查学生的操作情况，占总成绩的60％。

我们也对实验项目进行了优化，如表1所示，实验项目包含了力学、电磁学、光学中的内容，并且分为验证性、综合性和探究性实验。

结合我们现有的实验仪器和虚拟仿真项目，设置了线下实验、虚实结合实验和虚拟仿真实验。其中，包含七个线下实验，采用传统的教学完成。六个虚实结合实验，需要按照图1的教学模式进行。三个仿真实验，只需在网上完成实验项目。由于目前只是虚实结合实验教学探索阶段，没有将所有项目设置为虚实结合实验，随着条件成熟，我们将全面推广。

4    虚实结合实验教学的效果

每届我们从全校理工科学生里面挑选12组参加湖北省大学生物理实验创新大赛，图2给出了连续六届的获奖情况。

由图2可知，2022年我们实施虚实结合大学物理实验教学以后，实验教学质量明显提高，可以看出，前五届获三等奖以上数量基本上保持在3项左右，其他基本上是优秀奖。但是在实施了虚实结合的实验教学后，获奖数量明显增加。并且2022年获得了一等奖一项，由计算机学院的学生获得，实现了荆楚理工学院参赛以来的大的突破。因此，采用虚实结合、虚实互动的教学模式，大学物理实验的教学质量明显提高了。

图3展示了近五年该门课程学生评教的平均分和实验平均成绩情况。

如图3所示，大学物理实验课程采取虚实结合的教学模式后，学生的平均分和学生的满意度都有一定提高，2020年、2021年学生的平均成绩有所下降，这主要是疫情期间有一半的实验项目采取纯虚拟仿真教学造成的，但在2022年实施新的实验教学模式后，平均成绩提高到了85分，说明学生的学习积极性有所提高。此外，从图中学评教的平均分来看，采用新的模式教学后，虽然每名教师的授课有所差异，但学生的整体满意度提高了。

5    总结

传统线下实验教学受选课制、场地、设备、时间等因素的影响，纯虚拟仿真实验教学也表现出物理背景理解不深刻，动手能力欠缺等弊端，为了解决此问题，我们提出了虚实结合、虚实互动的大学物理实验教学新模式。新模式是将实验预习、教师讲解、线上操作、线下操作、线上实验数据处理、线下实验报告有机融合，线上虚拟和线下实操进行互动，弥补传统教学和纯虚拟教学的不足。此外，构建了虚实结合的实验项目，增强了学生的学习兴趣，提升了实验教学水平。通过湖北省物理创新大赛、学评教以及学生平均成绩进行检验，发现虚实结合的新模式有效地提高了实验教学质量。

参考文献：

［1］ 欧阳建明，彭刚，罗剑，等.大学物理实验混合式教学改革与实践——以国防科技大学物理实验教学为例［J］.物理通报，2021（8）：108-110.

［2］ 谭明，李辉，李聪，等.充分认识大学物理实验课的意义，提高大学物理实验课的教学质量［J］.大学物理实验，2019，32（6）：136-138.

［3］ 钟志军，丁琦.大学物理演示实验室服务社会初探——以西安航空学院大学物理实验中心演示实验室为例［J］.西安航空学院学报，2017，35（3）：94-96.

［4］ 赵辉.关于大学物理实验课程教学方法的改革与实践［J］.黑龙江科技信息，2012（27）：193.

［5］ 王倩，张建祥，高国棉，等.“新工科”背景下大学物理实验教学中课程思政的探索与实践［J］.大学物理实验，2022，35（5）：145-148.

［6］ 秦玉嬌，李勤玉.新工科背景下大学物理实验课程教学改革与探索［J］.中国现代教育装备，2022（19）：92-94.

［7］ 李永涛，张红光，陈伟，等.大学物理实验课程创新教学改革与实践［J］.大学物理实验，2021，34（5）：122-124.

［8］ 刘金秀，贺小伟，张景川，等.新工科建设背景下大学物理实验教学改革探讨［J］.新疆农机化，2021（5）：43-45.

［9］ 郑志远，高华，黄昊翀，等.新形势下大学物理实验考核方式的多元化探索与实践［J］.物理与工程，2021，31（5）：147-151.

［10］ 陶灵平，孙赟，程小燕.BOPPPS教学模式在大学物理实验中的应用［J］.集成电路应用，2021，38（9）：166-167.

［11］ 姬鹏飞，孙现亭，田明丽.大学物理实验虚实结合实验教学模式的实践与探索［J］.大学物理实验，2021，34（1）：132-134.

［12］ 康小平，何仲，赵鲁梅，等.基于虚实结合的大学物理实验教学模式研究［J］.高师理科学刊，2018，38（6）：101-103.

［13］ 甘亮勤，王逸平，穆瑞珍，等.虚实结合、网络教学与线下实践相融的大学物理实验教学模式构建［J］.大学物理实验，2021，34（2）：94-97.

［14］ 魏薇，谭佐军，刘泉，等.虚实结合的大学物理实验BOPPPS教学模式改革与实践［J］.物理实验，2022，42（3）：47-51.

［15］ 谭佐军，程其娈，陈建军，等.虚实结合混合式大学物理实验预习模式的实践［J］.物理实验，2018，38（5）：40-43.

Research on the Reform of College Physics Experiment

Teaching Based on the Combination of Virtual and Real

under the Credit Dystem

ZHANG Dingmei， JIANG Zaifu， DAI Wei， HOU Lanbao

（School of Mathematics and physics， Jingchu University of Technology， Jingmen 448000， China）

Abstract：In order to solve the problem of traditional experimental teaching being limited by factors such as experimental venues， outdated equipment， and the number of sets， and the problem that pure virtual simulation experiments are not conducive to students' understanding of physical backgrounds and the cultivation of hands-on abilities， a new experimental teaching model that combines virtual and real elements and interactive virtual and real elements has been constructed， integrating experimental preview， offline explanation， online and offline operation， data processing， and experimental reports， enabling students to comprehensively multidimensional understanding of experimental content. Through offline practice and online virtual interaction， the shortcomings of current college physics experimental teaching have been made up， and the projects of the college physics experimental have been optimized to improve the quality of experimental teaching.

Key words：Physics; college physics experiments; virtual with reality; credit system; teaching reform