基于虚拟仿真的物理实验混合式教学模式研究
时间：2023-04-21 13:20:06 来源：千叶帆 本文已影响人
徐恭勤，陈鑫耀
(集美大学 理学院，福建 厦门 361021)
大学物理实验作为理工科本科生第一门系统接受科学实验训练的实践课程，具有科学实验普适的思想、方法和手段，是后续专业实验课的重要基础，在培养学生能力素质和弘扬科学精神，帮助学生树立正确的自然观、价值观等方面具有重要意义。但传统的教学模式课堂效率不高，存在一定的局限性，主要表现为：
1.课前预习资源不足。实验课前，学生仅凭教材预习，对实验原理理解不透彻，无法接触到实体实验，预习效果不佳，“应付预习，懒于预习”问题非常普遍，直接影响其实验操作完成情况。笔者重点探讨了“线上虚拟仿真预习+线下实体实验测试”相结合的实验教学改革，可有效提高预习效果。
2.课堂教学方式单一，学习自主性和课堂互动性不足。传统模式下的实验教学无法吸引学生的兴趣，先修理论知识点与实际操作脱节的现象时有发生，学生做实验的热情和参与度普遍不高。由于课堂教学时间有限，讲实验原理占用较多时间，有些操作性强的实验仅通过课堂演示，学生动手操作存在一定的困难。由于学时的限制，采用以教师课堂讲授为主，学生主动学习为辅的模式，课堂缺少互动或者互动效果不佳。学生在课堂教学时除了听课就是动手操作实验，学习自主性不足。笔者探讨了“虚拟仿真+实体实验”的沉浸式实验教学改革，加强了“开放探究讨论”模式，可促进学生实验操作技能水平的提高。
3.科技前沿教育滞后。由于现有实验室基础设施的局限，某些需要在极端条件下(如微观、天体、强场、高压)进行的实验以及日新月异的科技前沿知识难以进入课堂，学生的学术视野受限。笔者将虚拟仿真实验纳入实验课程体系，创新了实体实验课程体系，拓展了学生知识领域，有助于提升学生的创新能力。
线上虚拟仿真教学在教学方式上比传统教学有一定的优势，它能够以灵活、自由、丰富和可视化的方式展现给学生，但考虑到实验课需动手操作的特点，线上虚拟仿真实验教学代替不了传统教学的实践操作训练。因此在教学过程中，混合式教学将传统教学与线上虚拟仿真实验教学各自取长补短，线上资源和线下教学相结合的教学模式可以让二者相互融合、相互渗透，提高实验教学质量[1]。
在大学物理实验中开展基于虚拟仿真的线上线下混合式教学，有机整合课堂学习和在线学习，通过信息技术与大学物理实验课程的融合，使教学方式多元化、教学内容丰富化、学习方式多样化[2]。基于信息化教学平台，积极创造条件在实践教学中实质性地实施以教师为主导，以学生为主体的实验教学，做到“线上”与“线下”优势互补，可以实现因材施教的高效率教学，有助于提高学生的实验兴趣和学习效果，最终达到以学生自主学习为主，教师指导和创新性引导为辅的新时代实验教学模式[3]。
以集美大学“大学物理实验”课程为例，课程共28学时，其中在线学习8学时(绪论课线上学习2学时、虚拟仿真线上实验3学时、实体实验线上预习3学时)，线下实验学习21学时(绪论课线下教学与考试2学时，实体实验操作19学时)。混合式教学贯穿于大学物理实验课程的课前、课中、课后，形成以学生自主学习为主，教师指导和创新引导为辅的教学模式[4]。
1.课前学情调查，逆向设计教学方案。针对以上三个问题，引导学生掌握绪论课、虚拟仿真实验、实验预习等线上学习方法，制定了线上学习资源与学习任务清单、学习效果评价机制。学生完成线上学习，教师通过“学习通”平台督学导学。
预习管理平台为学生提供了电子版预习资源，包括教材、实验重难点、课后习题以及实验拓展等，帮助学生轻松、快速、有效、针对性预习。
2.课前知识内化阶段。课程团队积极转变教学思路，借助在线平台、虚拟仿真实验资源，多维度地改善课堂教学效果。教师通过超星平台搭建在线开放课程平台，通过线上学习平台和学习群开展答疑、组织讨论，鼓励学生同伴讨论。
学生可借助超星慕课平台观看实验教学视频，也可以通过平台观看我们的教学视频，掌握实验目的与原理、实验仪器、操作要点以及注意事项。
3.课中翻转阶段。在传统内容基础上，设计新颖的实验创新课题，以学生实验探究为主，老师通过线上线下翻转课堂指导为辅，鼓励分组讨论，充分发挥学生在探究实验过程中的主体作用，让学生在实验探索中掌握正确的实验方法。学生课前通过线上视频学习、虚拟仿真操作练习、试题库练习，教师在线上课程基础上通过多渠道评价机制了解在线学习成效，通过课程思政引导、教学重点难点剖析、实验案例研讨、实验拓展等推进课程目标的实现。
借助虚拟仿真实验，模拟真实的实验场景，包括实验室各种设备的放置、以自然的方式操作虚拟仪器，增强学生的现实感。适当插入与实验相关的大学物理理论知识，将物理实验与理论知识有效结合，让学生在动手操作的同时，理解消化物理理论知识，使他们以更大的兴趣去获取知识。预习结束前需要完成预习测试，检验预习效果。针对预习中存在的问题，教师与学生在信息化平台上进行实时的有效沟通。教师结合学生预习的数据反馈情况和问题讨论情况，随时了解学生的学习进度、把握学生预习过程中的难点问题，教师在实验讲授环节重点突出讲解，有针对性地改进课堂教学设计。
4.课后进阶阶段。结合学生线上学习、线下实验操作，教师引入探究式研讨并进行总结、布置思考题、实验报告撰写及设计性实验拓展课题，巩固、应用、拓展所学知识。开展虚拟仿真拓展实验，指导学生参加大学生创新创业训练计划、大学生物理实验竞赛(创新)、教师科研项目和社会实践等，在实践中提升实践能力、创新能力和服务社会能力。
本课程已建立30个虚拟仿真实验(22个基础物理实验、4个专题特色实验、3个VR与3D实验、1个自行研发的综合虚拟仿真实验项目)，同时将虚拟仿真实验纳入课程体系，学生可选择2-3个虚拟仿真实验，完成线上练习和操作测试，有助于完善并弥补有限的实验条件，有利于学生的知识延伸和创新能力的提升。
线下课堂教学通过“教师为引导，问题导向”的方式，将理论知识内化，提高学生的综合实践能力，拓展学生的创造性思维，培养学生团队意识 和团队精神，促进大学物理实验课程教学水平最好地提高，实现知识的表层意义建构。通过对实验主要内容的线上预习，将理论教学进行前置，教师只需对实验的重点和难点内容进行讲解，将课堂更多的时间留给教师和学生进行线下互动与实验研讨。考虑到学生的学习兴趣和学习能力，首先以“启发式”“问题式”进行课堂研讨，由教师提供2～3个与实验现象、实验原理、仪器操作、实验拓展等相关普遍存在的共性问题，采用分组协作探索的方式进行讨论，加深学生对实验的掌握和理解，激发学生在讨论中的活跃度。其次，学生独立实验，针对实验过程中遇到的实验问题，鼓励学生之间相互合作，积极的交换意见和想法，共同分析与探究，增强学生物理实验的主动性和能动性，教师密切关注每个学生的实验进行情况进行指导，防止操作不当，损坏实验仪器。最后，教师对学习和接受能力强的学生进行创新性引导，激发学生的创新思维。
(一)课程内容重构
1.重构课程思政体系。从经典物理实验和物理学史中抽取立德树人元素，重构大学物理实验课程思政体系。课程团队立项了“大学物理实验课程思政”校级教改课题，设计了各实验项目的思政元素，结合各实验项目引入爱因斯坦、牛顿、普朗克、迈克尔逊、惠斯登、霍尔、法拉第、托马斯·杨、法布里、弗兰克、赫兹等物理学家的价值观与科学精神，引出实践出真知、勇于探索的理念，形成诚实、求精、严谨、耐心等良好的科学实验素质[5，6]。
2.依据学科前沿与时代发展需求更新知识体系。本课程在保证验证性基本实验(6个)的基础上，引入综合性实验(6个)和创新性实验(5个)，其中引进美国PASCO接口自行研发了4个计算机测量基本物理量的创新特色实体实验，改造了6个综合性实验，自行开发了天体吸积盘的流体力学虚拟仿真实验，引入了扫描隧道显微实验、LED/LD、热辐射、矿盐及杂质检测等7个大型综合应用特色虚拟仿真实验，实现了多学科、跨专业、项目实践的融合及基础物理实验知识的拓展。
(二)课程资源建设
引进国家精品在线课程“大学物理实验”(国防科技大学，何焰兰)，结合本校“应用型人才培养”的定位，重构了教学内容，凝练三基知识、重点、难点，知识模块化，在本校开设了SPOC混合式课程。
本课程主要学习资源建设内容：
物理实验基本知识教学视频8个、课件8份，包括实验教学简介、测量与误差、直接测量的结果表达、间接测量的结果表达与仪器误差、有效数字、实验数据处理的一般方法、实验数据处理的图示图解法、实验数据处理的逐差法与最小二乘法。学生通过远程视频与课件学习以及线下集中授课学习，参加网上在线测试。
实体实验教学视频16个，包括4个力学与热学实验、4个电学实验、5个光学实验、3个近代与综合物理实验。学生通过观看实体实验视频后可远程登录虚拟仿真教学系统，完成实验操作和测量，然后参加线下实体实验操作。
虚拟仿真实验项目资源。系统提供22个基础物理虚拟仿真实验，可供学生预习和在线实验操作。拍摄了16个虚拟仿真实验操作视频并上线“超星”平台，可供全校师生共享。自行研发了“天体吸积盘的流体力学虚拟仿真实验”，并上线学校平台，可供校内外师生共享。实验预习与考试系统。系统包括试题库管理、试卷库管理、预习平台管理、考试平台管理、自动判卷等功能。
本课程实施开放式、模块化教学方式改革。进行了以下教学方法改革[7]：
1.绪论课模块：“自主学习法”+线上线下翻转课堂改革。学生通过自主学习线上绪论课资源、试题库练习，教师通过翻转课堂教学及线下题库测试检验学习效果。
2.虚拟仿真模块：“沉浸式情景实验教学法”+线上线下翻转课堂改革。团队引入30个虚拟仿真实验，学生可在线沉浸式完成虚拟仿真实验操作，教师结合翻转课堂方式完成课堂教学，效果明显。
3.实体实验：“探究式开放实验教学法”+线上线下翻转课堂改革。团队原创了一批教学案例进行探究式教学，课堂“活起来”，具有创新性。
本课程实施开放式、模块化教学。课程内容分为三大模块组织实施教学：
1.绪论课模块。设置2学时线上自主学习与题库练习，2学时线下授课与考试。线下授课采用学习通翻转课堂组织教学。
团队设计并拍摄9个测量与误差线上视频并建立试题库。学生通过线上完成2学时视频学习及题库练习；
线下教学2学时，其中第一次课(1学时)完成课程简介、测量与误差知识点、线上学习任务布置，第二次课(1学时)完成开放有效数字、数据处理方法及线下测试。由于线上视频学习与题库练习次数不限，并辅以线下测试，大大提高了绪论课的教学效果及后续实验的数据处理能力。
2.虚拟仿真实验模块。
(1)实验拓展子模块：完成2-3个实验的线上练习并通过操作测试，按3学时加权计入总成绩；
(2)实验预习子模块：学生通过线上沉浸式虚拟仿真操作完成线上实验预习，教师通过线下检测预习效果。
团队建立30个虚拟仿真实验项目。将虚拟仿真实验纳入课程体系，学生可选择2-3个虚拟仿真实验，完成线上操作练习和操作测试，有助于完善并拓展实体实验课程体系，有利于学生个性化发展和创新能力的提升。
3.实体实验操作模块。共开出16个实验，学生至少应完成7个实验并符合子模块要求。设置5个子模块：
必做模块1个实验(计算机测定线性电阻伏安特性)；
力热模块2个实验(杨氏模量测定，线膨胀系数测定，选做1个)；
电学模块2个实验(模拟示波器使用，数字示波器使用，选做1个)；
光学模块3个实验(反射法测定棱镜顶角，衍射法测定光波长，折射法测定棱镜折射率，选做1个；
任选模块8个实验(三线摆法测定转动惯量，扭摆法测定转动惯量，光的等厚干涉，旋光仪测定液体浓度，数字多用表使用，数字电桥综合应用，计算机测定单缝衍射光强分布，计算机测定电阻温度特性，任选2个)。
学生线上自主学习完成预习，线下结合“开放探究法”完成实体实验；
教师线下检查预习效果并通过学习通翻转课堂实施授课。
团队录制了虚拟仿真实验教学演示视频16个，每人分工负责课程运行与答疑。发放虚拟仿真实验学习任务清单与学习要求，学生通过线上沉浸式虚拟仿真操作完成线上实验预习，教师通过“学习通”平台督学导学。学生线上自主学习完成预习，线下结合“开放探究法”完成实体实验；
教师线下检查预习效果并通过学习通翻转课堂实施授课。服务团队跟踪学生掌握程度。学生完成思考题、实验结果讨论、实验报告及探究课题。开展虚拟仿真拓展实验，指导学生参加物理实验创新竞赛和社会实践等，提升创新能力。
团队编制了物理实验安全知识试题库，融入了实验素质、实验安全、等课程思政元素。制定了学生安全知识测试达到80分方可进入实验室的准入机制。
团队完成了绪论课电子版教材，融入了测量、误差、不确定度、有效数字、实验数据处理、实验报告撰写等环节的课程思政基本元素。学生通过线上学习与线上线下混合式教学，浸润式完成诚实、求精、严谨、耐心等良好的科学实验素质和科学精神教育。
1.课程成绩评定
(1)绪论课模块：线上视频学习40%，线上作业练习5%，线上测验3%，线下考勤12%，线下考试40%。
(2)虚拟仿真实验模块：线上学习与操作练习，不限次数，成绩达50分的，获得操作考试资格。线上操作考试成绩计入该模块成绩。
(3)实体实验模块：至少应完成7个实验，多做实验给予平时成绩奖励。每个实验的线上预习占20%，线下操作40%，线下实验报告40%。
三个模块加权平均成绩排名前70%者，可免于期末考试；
排名后30%者，需参加期末考试。
2.课程教学评价
课程评价包括四个维度：
(1)成绩评价。分为绪论课、虚拟仿真、实体实验三个模块，包括学习通-绪论课评价、预习评价，虚拟仿真实验平台评价，开放教学管理系统-实体实验评价。三个模块加权成绩排名前70%的学生，可免考；
排名后30%的学生，必须参加期末考试。学生总评成绩和优秀率逐年提高，及格率高于90%。
(2)学生评价。包括教务系统学生测评、学习通问卷调查、质量体系学生满意度测评和微信公众号学生采访。
(3)同行评价。包括教学督导评价和同行教师评价。
(4)外部评价。包括质量体系评价、专业认证评价及社会评价。
教学实践表明，将虚拟仿真实验纳入实验课程体系，实施“虚拟仿真实验在线课程+实体实验模块化课程”相结合的课程体系改革，可弥补实体实验课程体系的不足、拓展学生的知识领域，有利于学生的个性化发展和创新能力的提升。
实施“虚拟仿真实验+实体实验”的线上线下翻转课堂教学改革，增加“开放探究讨论”模式，可激发学生的学习热情并提高实验操作技能。
实施“虚拟仿真实验在线预习+实体实验在线预习+线下测试+线下操作”的混合式教学改革，提高可沉浸式情景实验教学效果。
本课程实施开放式、模块化教学改革，实施“沉浸式情景实验教学法”“探究式开放实验教学法”“自主学习法”+线上线下翻转课堂教学方法改革，自建30个虚拟仿真实验项目，建立了“基于虚拟仿真的，以学生为中心，以实验能力和素质培养为核心”的开放式线上线下混合式教学模式,创新了基础物理实验课程体系，提升了基础物理实验内容的创新性和挑战度，有利于培养学生解决复杂问题的综合能力和高阶思维[7]。
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