徐恭勤，陳鑫耀

(集美大學(xué) 理學(xué)院，福建 廈門 361021)

一、學(xué)情分析

大學(xué)物理實驗作為理工科本科生第一門系統(tǒng)接受科學(xué)實驗訓(xùn)練的實踐課程，具有科學(xué)實驗普適的思想、方法和手段，是后續(xù)專業(yè)實驗課的重要基礎(chǔ)，在培養(yǎng)學(xué)生能力素質(zhì)和弘揚科學(xué)精神，幫助學(xué)生樹立正確的自然觀、價值觀等方面具有重要意義。但傳統(tǒng)的教學(xué)模式課堂效率不高，存在一定的局限性，主要表現(xiàn)為：

1.課前預(yù)習(xí)資源不足。實驗課前，學(xué)生僅憑教材預(yù)習(xí)，對實驗原理理解不透徹，無法接觸到實體實驗，預(yù)習(xí)效果不佳，“應(yīng)付預(yù)習(xí)，懶于預(yù)習(xí)”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(yù)習(xí)+線下實體實驗測試”相結(jié)合的實驗教學(xué)改革，可有效提高預(yù)習(xí)效果。

2.課堂教學(xué)方式單一，學(xué)習(xí)自主性和課堂互動性不足。傳統(tǒng)模式下的實驗教學(xué)無法吸引學(xué)生的興趣，先修理論知識點與實際操作脫節(jié)的現(xiàn)象時有發(fā)生，學(xué)生做實驗的熱情和參與度普遍不高。由于課堂教學(xué)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(xué)生動手操作存在一定的困難。由于學(xué)時的限制，采用以教師課堂講授為主，學(xué)生主動學(xué)習(xí)為輔的模式，課堂缺少互動或者互動效果不佳。學(xué)生在課堂教學(xué)時除了聽課就是動手操作實驗，學(xué)習(xí)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(xué)改革，加強了“開放探究討論”模式，可促進(jìn)學(xué)生實驗操作技能水平的提高。

3.科技前沿教育滯后。由于現(xiàn)有實驗室基礎(chǔ)設(shè)施的局限，某些需要在極端條件下(如微觀、天體、強場、高壓)進(jìn)行的實驗以及日新月異的科技前沿知識難以進(jìn)入課堂，學(xué)生的學(xué)術(shù)視野受限。筆者將虛擬仿真實驗納入實驗課程體系，創(chuàng)新了實體實驗課程體系，拓展了學(xué)生知識領(lǐng)域，有助于提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

線上虛擬仿真教學(xué)在教學(xué)方式上比傳統(tǒng)教學(xué)有一定的優(yōu)勢，它能夠以靈活、自由、豐富和可視化的方式展現(xiàn)給學(xué)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(xué)代替不了傳統(tǒng)教學(xué)的實踐操作訓(xùn)練。因此在教學(xué)過程中，混合式教學(xué)將傳統(tǒng)教學(xué)與線上虛擬仿真實驗教學(xué)各自取長補短，線上資源和線下教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式可以讓二者相互融合、相互滲透，提高實驗教學(xué)質(zhì)量[1]。

在大學(xué)物理實驗中開展基于虛擬仿真的線上線下混合式教學(xué)，有機整合課堂學(xué)習(xí)和在線學(xué)習(xí)，通過信息技術(shù)與大學(xué)物理實驗課程的融合，使教學(xué)方式多元化、教學(xué)內(nèi)容豐富化、學(xué)習(xí)方式多樣化[2]。基于信息化教學(xué)平臺，積極創(chuàng)造條件在實踐教學(xué)中實質(zhì)性地實施以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體的實驗教學(xué)，做到“線上”與“線下”優(yōu)勢互補，可以實現(xiàn)因材施教的高效率教學(xué)，有助于提高學(xué)生的實驗興趣和學(xué)習(xí)效果，最終達(dá)到以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，教師指導(dǎo)和創(chuàng)新性引導(dǎo)為輔的新時代實驗教學(xué)模式[3]。

二、基于虛擬仿真的線上線下混合式實驗教學(xué)設(shè)計

以集美大學(xué)“大學(xué)物理實驗”課程為例，課程共28學(xué)時，其中在線學(xué)習(xí)8學(xué)時(緒論課線上學(xué)習(xí)2學(xué)時、虛擬仿真線上實驗3學(xué)時、實體實驗線上預(yù)習(xí)3學(xué)時)，線下實驗學(xué)習(xí)21學(xué)時(緒論課線下教學(xué)與考試2學(xué)時，實體實驗操作19學(xué)時)?；旌鲜浇虒W(xué)貫穿于大學(xué)物理實驗課程的課前、課中、課后，形成以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，教師指導(dǎo)和創(chuàng)新引導(dǎo)為輔的教學(xué)模式[4]。

1.課前學(xué)情調(diào)查，逆向設(shè)計教學(xué)方案。針對以上三個問題，引導(dǎo)學(xué)生掌握緒論課、虛擬仿真實驗、實驗預(yù)習(xí)等線上學(xué)習(xí)方法，制定了線上學(xué)習(xí)資源與學(xué)習(xí)任務(wù)清單、學(xué)習(xí)效果評價機制。學(xué)生完成線上學(xué)習(xí)，教師通過“學(xué)習(xí)通”平臺督學(xué)導(dǎo)學(xué)。

預(yù)習(xí)管理平臺為學(xué)生提供了電子版預(yù)習(xí)資源，包括教材、實驗重難點、課后習(xí)題以及實驗拓展等，幫助學(xué)生輕松、快速、有效、針對性預(yù)習(xí)。

2.課前知識內(nèi)化階段。課程團(tuán)隊積極轉(zhuǎn)變教學(xué)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(xué)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(xué)習(xí)平臺和學(xué)習(xí)群開展答疑、組織討論，鼓勵學(xué)生同伴討論。

學(xué)生可借助超星慕課平臺觀看實驗教學(xué)視頻，也可以通過平臺觀看我們的教學(xué)視頻，掌握實驗?zāi)康呐c原理、實驗儀器、操作要點以及注意事項。

3.課中翻轉(zhuǎn)階段。在傳統(tǒng)內(nèi)容基礎(chǔ)上，設(shè)計新穎的實驗創(chuàng)新課題，以學(xué)生實驗探究為主，老師通過線上線下翻轉(zhuǎn)課堂指導(dǎo)為輔，鼓勵分組討論，充分發(fā)揮學(xué)生在探究實驗過程中的主體作用，讓學(xué)生在實驗探索中掌握正確的實驗方法。學(xué)生課前通過線上視頻學(xué)習(xí)、虛擬仿真操作練習(xí)、試題庫練習(xí)，教師在線上課程基礎(chǔ)上通過多渠道評價機制了解在線學(xué)習(xí)成效，通過課程思政引導(dǎo)、教學(xué)重點難點剖析、實驗案例研討、實驗拓展等推進(jìn)課程目標(biāo)的實現(xiàn)。

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(shè)備的放置、以自然的方式操作虛擬儀器，增強學(xué)生的現(xiàn)實感。適當(dāng)插入與實驗相關(guān)的大學(xué)物理理論知識，將物理實驗與理論知識有效結(jié)合，讓學(xué)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(yù)習(xí)結(jié)束前需要完成預(yù)習(xí)測試，檢驗預(yù)習(xí)效果。針對預(yù)習(xí)中存在的問題，教師與學(xué)生在信息化平臺上進(jìn)行實時的有效溝通。教師結(jié)合學(xué)生預(yù)習(xí)的數(shù)據(jù)反饋情況和問題討論情況，隨時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度、把握學(xué)生預(yù)習(xí)過程中的難點問題，教師在實驗講授環(huán)節(jié)重點突出講解，有針對性地改進(jìn)課堂教學(xué)設(shè)計。

4.課后進(jìn)階階段。結(jié)合學(xué)生線上學(xué)習(xí)、線下實驗操作，教師引入探究式研討并進(jìn)行總結(jié)、布置思考題、實驗報告撰寫及設(shè)計性實驗拓展課題，鞏固、應(yīng)用、拓展所學(xué)知識。開展虛擬仿真拓展實驗，指導(dǎo)學(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃、大學(xué)生物理實驗競賽(創(chuàng)新)、教師科研項目和社會實踐等，在實踐中提升實踐能力、創(chuàng)新能力和服務(wù)社會能力。

本課程已建立30個虛擬仿真實驗(22個基礎(chǔ)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(fā)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(xué)生可選擇2-3個虛擬仿真實驗，完成線上練習(xí)和操作測試，有助于完善并彌補有限的實驗條件，有利于學(xué)生的知識延伸和創(chuàng)新能力的提升。

線下課堂教學(xué)通過“教師為引導(dǎo)，問題導(dǎo)向”的方式，將理論知識內(nèi)化，提高學(xué)生的綜合實踐能力，拓展學(xué)生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊意識 和團(tuán)隊精神，促進(jìn)大學(xué)物理實驗課程教學(xué)水平最好地提高，實現(xiàn)知識的表層意義建構(gòu)。通過對實驗主要內(nèi)容的線上預(yù)習(xí)，將理論教學(xué)進(jìn)行前置，教師只需對實驗的重點和難點內(nèi)容進(jìn)行講解，將課堂更多的時間留給教師和學(xué)生進(jìn)行線下互動與實驗研討?？紤]到學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)能力，首先以“啟發(fā)式”“問題式”進(jìn)行課堂研討，由教師提供2～3個與實驗現(xiàn)象、實驗原理、儀器操作、實驗拓展等相關(guān)普遍存在的共性問題，采用分組協(xié)作探索的方式進(jìn)行討論，加深學(xué)生對實驗的掌握和理解，激發(fā)學(xué)生在討論中的活躍度。其次，學(xué)生獨立實驗，針對實驗過程中遇到的實驗問題，鼓勵學(xué)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(xué)生物理實驗的主動性和能動性，教師密切關(guān)注每個學(xué)生的實驗進(jìn)行情況進(jìn)行指導(dǎo)，防止操作不當(dāng)，損壞實驗儀器。最后，教師對學(xué)習(xí)和接受能力強的學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

三、課程內(nèi)容重構(gòu)與資源建設(shè)

(一)課程內(nèi)容重構(gòu)

1.重構(gòu)課程思政體系。從經(jīng)典物理實驗和物理學(xué)史中抽取立德樹人元素，重構(gòu)大學(xué)物理實驗課程思政體系。課程團(tuán)隊立項了“大學(xué)物理實驗課程思政”校級教改課題，設(shè)計了各實驗項目的思政元素，結(jié)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(xué)家的價值觀與科學(xué)精神，引出實踐出真知、勇于探索的理念，形成誠實、求精、嚴(yán)謹(jǐn)、耐心等良好的科學(xué)實驗素質(zhì)[5，6]。

2.依據(jù)學(xué)科前沿與時代發(fā)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(chǔ)上，引入綜合性實驗(6個)和創(chuàng)新性實驗(5個)，其中引進(jìn)美國PASCO接口自行研發(fā)了4個計算機測量基本物理量的創(chuàng)新特色實體實驗，改造了6個綜合性實驗，自行開發(fā)了天體吸積盤的流體力學(xué)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(zhì)檢測等7個大型綜合應(yīng)用特色虛擬仿真實驗，實現(xiàn)了多學(xué)科、跨專業(yè)、項目實踐的融合及基礎(chǔ)物理實驗知識的拓展。

(二)課程資源建設(shè)

引進(jìn)國家精品在線課程“大學(xué)物理實驗”(國防科技大學(xué)，何焰蘭)，結(jié)合本校“應(yīng)用型人才培養(yǎng)”的定位，重構(gòu)了教學(xué)內(nèi)容，凝練三基知識、重點、難點，知識模塊化，在本校開設(shè)了SPOC混合式課程。

本課程主要學(xué)習(xí)資源建設(shè)內(nèi)容：

物理實驗基本知識教學(xué)視頻8個、課件8份，包括實驗教學(xué)簡介、測量與誤差、直接測量的結(jié)果表達(dá)、間接測量的結(jié)果表達(dá)與儀器誤差、有效數(shù)字、實驗數(shù)據(jù)處理的一般方法、實驗數(shù)據(jù)處理的圖示圖解法、實驗數(shù)據(jù)處理的逐差法與最小二乘法。學(xué)生通過遠(yuǎn)程視頻與課件學(xué)習(xí)以及線下集中授課學(xué)習(xí)，參加網(wǎng)上在線測試。

實體實驗教學(xué)視頻16個，包括4個力學(xué)與熱學(xué)實驗、4個電學(xué)實驗、5個光學(xué)實驗、3個近代與綜合物理實驗。學(xué)生通過觀看實體實驗視頻后可遠(yuǎn)程登錄虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，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(tǒng)提供22個基礎(chǔ)物理虛擬仿真實驗，可供學(xué)生預(yù)習(xí)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(fā)了“天體吸積盤的流體力學(xué)虛擬仿真實驗”，并上線學(xué)校平臺，可供校內(nèi)外師生共享。實驗預(yù)習(xí)與考試系統(tǒng)。系統(tǒng)包括試題庫管理、試卷庫管理、預(yù)習(xí)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(xué)方法改革

本課程實施開放式、模塊化教學(xué)方式改革。進(jìn)行了以下教學(xué)方法改革[7]：

1.緒論課模塊：“自主學(xué)習(xí)法”+線上線下翻轉(zhuǎn)課堂改革。學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)線上緒論課資源、試題庫練習(xí)，教師通過翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)及線下題庫測試檢驗學(xué)習(xí)效果。

2.虛擬仿真模塊：“沉浸式情景實驗教學(xué)法”+線上線下翻轉(zhuǎn)課堂改革。團(tuán)隊引入30個虛擬仿真實驗，學(xué)生可在線沉浸式完成虛擬仿真實驗操作，教師結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂方式完成課堂教學(xué)，效果明顯。

3.實體實驗：“探究式開放實驗教學(xué)法”+線上線下翻轉(zhuǎn)課堂改革。團(tuán)隊原創(chuàng)了一批教學(xué)案例進(jìn)行探究式教學(xué)，課堂“活起來”，具有創(chuàng)新性。

五、虛擬仿真實驗課程教學(xué)組織實施

本課程實施開放式、模塊化教學(xué)。課程內(nèi)容分為三大模塊組織實施教學(xué)：

1.緒論課模塊。設(shè)置2學(xué)時線上自主學(xué)習(xí)與題庫練習(xí)，2學(xué)時線下授課與考試。線下授課采用學(xué)習(xí)通翻轉(zhuǎn)課堂組織教學(xué)。

團(tuán)隊設(shè)計并拍攝9個測量與誤差線上視頻并建立試題庫。學(xué)生通過線上完成2學(xué)時視頻學(xué)習(xí)及題庫練習(xí)；線下教學(xué)2學(xué)時，其中第一次課(1學(xué)時)完成課程簡介、測量與誤差知識點、線上學(xué)習(xí)任務(wù)布置，第二次課(1學(xué)時)完成開放有效數(shù)字、數(shù)據(jù)處理方法及線下測試。由于線上視頻學(xué)習(xí)與題庫練習(xí)次數(shù)不限，并輔以線下測試，大大提高了緒論課的教學(xué)效果及后續(xù)實驗的數(shù)據(jù)處理能力。

2.虛擬仿真實驗?zāi)K。

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

(2)實驗預(yù)習(xí)子模塊：學(xué)生通過線上沉浸式虛擬仿真操作完成線上實驗預(yù)習(xí)，教師通過線下檢測預(yù)習(xí)效果。

團(tuán)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(xué)生可選擇2-3個虛擬仿真實驗，完成線上操作練習(xí)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(xué)生個性化發(fā)展和創(chuàng)新能力的提升。

3.實體實驗操作模塊。共開出16個實驗，學(xué)生至少應(yīng)完成7個實驗并符合子模塊要求。設(shè)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(shù)測定，選做1個)；

電學(xué)模塊2個實驗(模擬示波器使用，數(shù)字示波器使用，選做1個)；

光學(xué)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(zhuǎn)動慣量，扭擺法測定轉(zhuǎn)動慣量，光的等厚干涉，旋光儀測定液體濃度，數(shù)字多用表使用，數(shù)字電橋綜合應(yīng)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(xué)生線上自主學(xué)習(xí)完成預(yù)習(xí)，線下結(jié)合“開放探究法”完成實體實驗；教師線下檢查預(yù)習(xí)效果并通過學(xué)習(xí)通翻轉(zhuǎn)課堂實施授課。

團(tuán)隊錄制了虛擬仿真實驗教學(xué)演示視頻16個，每人分工負(fù)責(zé)課程運行與答疑。發(fā)放虛擬仿真實驗學(xué)習(xí)任務(wù)清單與學(xué)習(xí)要求，學(xué)生通過線上沉浸式虛擬仿真操作完成線上實驗預(yù)習(xí)，教師通過“學(xué)習(xí)通”平臺督學(xué)導(dǎo)學(xué)。學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)完成預(yù)習(xí)，線下結(jié)合“開放探究法”完成實體實驗；教師線下檢查預(yù)習(xí)效果并通過學(xué)習(xí)通翻轉(zhuǎn)課堂實施授課。服務(wù)團(tuán)隊跟蹤學(xué)生掌握程度。學(xué)生完成思考題、實驗結(jié)果討論、實驗報告及探究課題。開展虛擬仿真拓展實驗，指導(dǎo)學(xué)生參加物理實驗創(chuàng)新競賽和社會實踐等，提升創(chuàng)新能力。

團(tuán)隊編制了物理實驗安全知識試題庫，融入了實驗素質(zhì)、實驗安全、等課程思政元素。制定了學(xué)生安全知識測試達(dá)到80分方可進(jìn)入實驗室的準(zhǔn)入機制。

團(tuán)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(shù)字、實驗數(shù)據(jù)處理、實驗報告撰寫等環(huán)節(jié)的課程思政基本元素。學(xué)生通過線上學(xué)習(xí)與線上線下混合式教學(xué)，浸潤式完成誠實、求精、嚴(yán)謹(jǐn)、耐心等良好的科學(xué)實驗素質(zhì)和科學(xué)精神教育。

六、混合式課程教學(xué)評價

1.課程成績評定

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

(2)虛擬仿真實驗?zāi)K：線上學(xué)習(xí)與操作練習(xí)，不限次數(shù)，成績達(dá)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?zāi)K：至少應(yīng)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(yù)習(xí)占20%，線下操作40%，線下實驗報告40%。

三個模塊加權(quán)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(xué)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(xué)習(xí)通-緒論課評價、預(yù)習(xí)評價，虛擬仿真實驗平臺評價，開放教學(xué)管理系統(tǒng)-實體實驗評價。三個模塊加權(quán)成績排名前70%的學(xué)生，可免考；排名后30%的學(xué)生，必須參加期末考試。學(xué)生總評成績和優(yōu)秀率逐年提高，及格率高于90%。

(2)學(xué)生評價。包括教務(wù)系統(tǒng)學(xué)生測評、學(xué)習(xí)通問卷調(diào)查、質(zhì)量體系學(xué)生滿意度測評和微信公眾號學(xué)生采訪。

(3)同行評價。包括教學(xué)督導(dǎo)評價和同行教師評價。

(4)外部評價。包括質(zhì)量體系評價、專業(yè)認(rèn)證評價及社會評價。

七、結(jié)論

教學(xué)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?zāi)K化課程”相結(jié)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(xué)生的知識領(lǐng)域，有利于學(xué)生的個性化發(fā)展和創(chuàng)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(zhuǎn)課堂教學(xué)改革，增加“開放探究討論”模式，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情并提高實驗操作技能。

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

本課程實施開放式、模塊化教學(xué)改革，實施“沉浸式情景實驗教學(xué)法”“探究式開放實驗教學(xué)法”“自主學(xué)習(xí)法”+線上線下翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)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(xué)生為中心，以實驗?zāi)芰退刭|(zhì)培養(yǎng)為核心”的開放式線上線下混合式教學(xué)模式,創(chuàng)新了基礎(chǔ)物理實驗課程體系，提升了基礎(chǔ)物理實驗內(nèi)容的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，有利于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高階思維[7]。