王 露 魯廣鐸

（三峽大學(xué)理學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 引言

大學(xué)物理實驗課程作為大學(xué)生步入大學(xué)后接觸到的第一門基礎(chǔ)性實踐課程，在培養(yǎng)學(xué)生動手能力和探究意識上具有不可替代的作用[1]。但從當(dāng)前的教學(xué)現(xiàn)狀來看，大學(xué)物理實驗教學(xué)中驗證性實驗過多，設(shè)計性和創(chuàng)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(xué)物理實驗課程的改革勢在必行，需要革新教學(xué)形式、教學(xué)方法、教學(xué)平臺[2]。特別是在2020年年初（抗疫期間），傳統(tǒng)的線下教學(xué)形式已不能保證實驗教學(xué)的順利展開，實驗教學(xué)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(xué)生返校后再開展物理實驗教學(xué)，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(xué)物理實驗示范中心根據(jù)物理實驗自身獨特的課程性質(zhì)，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(xué)模式。

1 新教學(xué)模式的運用

我校物理實驗示范中心常規(guī)的實驗教學(xué)是學(xué)生先對照課本預(yù)習(xí)，再網(wǎng)上預(yù)約實驗項目和時間，然后按照預(yù)約在實驗室完成相應(yīng)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(tǒng)，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(huán)境和豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，其嚴格的評判標(biāo)準利于學(xué)生掌握儀器操作[4]。

為體現(xiàn)實驗課程的特點，切實提高學(xué)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(xué)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(nèi)置的傳感器再配合phy.phox軟件可以實現(xiàn)力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等多種物理參數(shù)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(yīng)測速度，利用光柵衍射測波長等。學(xué)生根據(jù)自己的實際情況和課時從中選擇2～3個實驗，2～3周內(nèi)完成，完成后提交數(shù)據(jù)、實驗報告，以及相關(guān)的照片視頻，指導(dǎo)教師對學(xué)生的數(shù)據(jù)、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(fēng)扇和桌子都搖身一變成了實驗器材，既鍛煉了學(xué)生的動手能力，又能讓學(xué)生體會到物理學(xué)無處不在，提高了學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力。

經(jīng)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(xué)云平臺，根據(jù)不同學(xué)時的課程向?qū)W生布置了和常規(guī)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(xué)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(tǒng)自動對操作步驟和所測數(shù)據(jù)進行評判，給出操作分數(shù)，學(xué)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(yōu)勢互補，一個體現(xiàn)物理思想，培養(yǎng)學(xué)生動手能力，一個體現(xiàn)操作的標(biāo)準化和測量的準確性，兩者結(jié)合最大程度實現(xiàn)了物理實驗的教學(xué)目標(biāo)。

據(jù)統(tǒng)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(xué)模式的教學(xué)中，有約4 000人完成了自主探索實驗，近2 800人完成了規(guī)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(xué)模式的優(yōu)缺點

通過一學(xué)期“居家自主探索實驗+虛擬仿真實驗”新模式的教學(xué)，它與傳統(tǒng)教學(xué)模式凸顯出一些優(yōu)點：

（1）打破傳統(tǒng)的單一的實驗教學(xué)形式和教學(xué)平臺，使得實驗內(nèi)容、形式更為豐富多彩，實驗教學(xué)更有彈性，在特殊情況下也能開展高效的教學(xué)活動，而不降低培養(yǎng)質(zhì)量；（2）自主探索實驗會激發(fā)學(xué)生對物理實驗的興趣和好奇心，促使學(xué)生靈活運用所學(xué)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(huán)境，不局限于固定場合和固定時間，學(xué)生可隨時、多次做實驗，擴充了學(xué)習(xí)時間空間容量，而線上豐富的實驗資源也有利于學(xué)生熟練掌握儀器操作，進行全方位的知識點訓(xùn)練。

在一學(xué)年的“居家自主探索實驗+虛擬仿真實驗”后又進行了一學(xué)年的線下常規(guī)教學(xué)，發(fā)現(xiàn)“探索實驗+虛擬仿真實驗”模式除了以上優(yōu)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(dǎo)從而影響學(xué)生積極性；探索的深度需要花費學(xué)生和教師大量的時間和精力；不同專業(yè)對探索實驗的側(cè)重點選取需要指導(dǎo)教師具備一定的專業(yè)知識。

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

3 新教學(xué)模式的思考與優(yōu)化

“居家自主探索實驗+虛擬仿真實驗”實驗教學(xué)模式在特定時期體現(xiàn)了它的使命和優(yōu)點，鍛煉了學(xué)生的動手能力，提供了學(xué)生探索實現(xiàn)的方法途徑，也激發(fā)了學(xué)生的實驗興趣，但還要深入研究什么樣的實驗?zāi)苓_到培養(yǎng)目標(biāo)，以前作為輔助教學(xué)手段的虛擬仿真實驗?zāi)馨l(fā)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(xué)計劃。

在新的教學(xué)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(yōu)化和完善。

（1）自主探索實驗的選擇及其和大學(xué)物理實驗對高校學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)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(xué)物理實驗教學(xué)的新方式；那什么樣的自主探索實驗?zāi)芴娲Ｒ?guī)教材的部分內(nèi)容，達到課程的培養(yǎng)目標(biāo)；（2）虛擬仿真實驗的選擇，如何跟線下實驗緊密結(jié)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(shù)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(jié)合才能使學(xué)生更深刻的掌握實驗，并理解對應(yīng)的物理原理；（3）教學(xué)效果反饋和學(xué)生學(xué)習(xí)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(xù)保持這種教學(xué)方式，需要對其教學(xué)效果進行評價和反饋。

2021年春季學(xué)期，我校物理實驗示范中心根據(jù)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(xué)經(jīng)驗，結(jié)合常規(guī)實驗教學(xué)，推出了“線上+線下”物理實驗一流課程的建設(shè)，在試點班充分利用多樣化的教學(xué)平臺，開展了多種形式的教學(xué)和課堂互動，探索新時代下最優(yōu)的實驗教學(xué)模式和評價機制，為大規(guī)模推廣積累寶貴的經(jīng)驗。

4 結(jié)語

無論以哪種形式的模式開展大學(xué)物理實驗教學(xué)，都是為了更大程度地提高學(xué)生對大學(xué)物理實驗的興趣，提高知識傳授效率，提升教學(xué)效果，為此高校要充分利用現(xiàn)代新技術(shù)、新方法、新設(shè)備，開拓物理實驗新的教學(xué)方法、手段和平臺，使教學(xué)方法多樣化，和時代緊密結(jié)合，夯實學(xué)生的“新工科”物理基礎(chǔ)。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(xué)模式促進了大學(xué)物理實驗教學(xué)的改革。