近代物理实验课虚拟实验教学调查与分析

陈 卓，张志华，于婷婷，赫 丽，方 恺

(同济大学 物理科学与工程学院，上海 200092)

虚拟实验是指借助于多媒体与仿真技术，在计算机上营造实验操作环境，实验者可以通过相关操作进行实验，像在现实实验室中一样完成各种实验项目[1].虚拟实验教学系统则是基于虚拟实验技术的网络化计算机教学系统，是面向教学的虚拟实验室.虚拟实验教学系统一般可以分为虚拟实验平台、虚拟实验教学管理两部分[2].虚拟实验平台功能与真实实验台类似，学生通过鼠标和键盘输入等方式，对虚拟实验场景中的虚拟仪器进行配置、连接、调节和使用[3].开展虚拟实验教学过程中，需要通过虚拟实验教学管理系统向学生、教师和管理员提供实验教学管理功能[4]，采用网络化的虚拟实验管理可以有效地提高虚拟实验技术在教学上的应用效果[5].仿真实验在改善实验教学环境，改革实验环节上起到重要作用，使实验教学摆脱课堂和课时的局限，在时间和空间上得到延伸，从而提升了大面积实验课程教学的质量和水平[6].

本研究使用的虚拟实验系统为科大奥锐公司的虚拟实验系统，内嵌31个虚拟实验，包括力学、热学、电磁学、光学及近代物理等方面的实验.学生可以通过登陆虚拟实验系统下载实验大厅，安装后可进行虚拟实验.系统还提供用户管理，实验统计以及在线演示等功能，学生可以查看实验相关内容和演示.在近代物理实验课教学中，学生使用该实验系统，丰富了实验教学内容，提高了实验教学质量.通过问卷调查，本项研究工作对学生学习虚拟实验的认知和态度以及特定因素与学习效果的相关性等进行比较分析和综合研究.

1 虚拟实验研究进展

虚拟实验的研究兴起于20世纪40～50年代，欧美国家在虚拟实验方面研究较早，目前在该领域处于领先地位，研究领域比较广泛，包括软件开发、硬件开发、使用效果研究等，开发的虚拟实验主要用于实验教学、军事培训等方面[7].

美国犹他州立大学于2008年开发了PCR Virtual Lab，它是基于Web浏览的虚拟实验，学生通过鼠标单击、拖动等操作，根据提示信息和实验内容完成相关实验操作，并即时获得相应的实验效果和实验信息.

我国在20世纪90年代初开始虚拟实验的相关研究，开发了一系列实验教学软件.一些高校开发了基于计算机网络技术的虚拟实验室[8-9]，如浙江大学化学系开发了虚拟有机化学实验，中国科技大学在1996年开发出第一套虚拟实验教学软件，1998年升级为Windows版本，之后在规模和虚拟技术水平上不断提高和完善.

2 教学调查方法和过程

虚拟实验的教学应用与推广开辟了实验教学的新途径.为了了解近代物理实验课程和虚拟实验项目的教学应用情况，本文对学生关于虚拟实验的基本认知和态度及学生实作实验能力与虚拟实验能力相关度等问题展开了调查研究.

研究对象为大学三年级本科生，共33名.在其近代物理实验课上除了实作实验部分，还加入虚拟实验部分，每名学生需在系统上完成3个确定的虚拟实验项目，并提交实验报告，由教师进行评分，根据学生实作实验得分情况和虚拟实验部分得分情况进行相关分析.学生使用系统之后，实施了问卷调查，发放了33份问卷，回收31份，其中有效问卷29份.问卷内容包括对实验课教学情况和学生对虚拟实验认知和态度的调查.通过使用SPSS对问卷内容进行分析，得到实验课教学情况和学生对虚拟实验认知和态度的调查结论，给出合理的分析和建议.

3 研究结果和结论

3.1 学生态度调查

问卷调查了近代物理实验课程的学生态度等，本文使用SPSS对数据进行多重响应的频率分析，根据结果分析现状，给出结论和建议.

“关于目前物理实验课教学存在的问题”的调查结果如图1所示，调查结果说明了目前物理实验教学中现存的一些问题及其出现的频率，其中实验仪器损坏失灵给实验带来麻烦的问题出现频率最高，学生应付实验报告、实验内容理解与物理原理联系少的问题和学生熟悉实验仪器功能步骤时间太短等也是常见的问题.

图1 物理实验课教学存在的问题统计图

对于以上出现频率较多的问题，使用虚拟实验提供了一种解决问题的途径，可以避免仪器损坏的情况，用虚拟实验预习以提高课堂上做实验的效率等，学生在课后也可以通过虚拟实验来随时复习实验内容.

3.2 虚拟实验认知和态度调查

关于“虚拟实验能帮助学生在哪些方面得到提高”一题的调查结果如图2所示，反馈调查结果说明学生在使用虚拟实验后认为自身在以下几个方面有所提高：自主解决问题能力、实践能力、智力水平、创新能力、批判性思维以及决策能力.

图2 虚拟实验能帮助学生在哪些方面得到提高的统计结果

关于“虚拟实验与实际操作仪器相比所具备的优点”的调查结果如图3所示.调查结果说明学生在使用虚拟实验后，认为其具有的突出优点为：可以随时随地进行实验，以及使用虚拟实验不用担心设备损坏问题和安全问题，还可用一些造价昂贵的、平时难以接触到的仪器设备等方面.

图3 虚拟实验与实际操作仪器相比所具备的优点统计图

以上结果说明，学生在进行虚拟实验后认为其具有较好的安全性，更少的时间、空间限制性，使用虚拟实验能在自主解决问题能力、实践能力和智力水平上得到提高.教师应积极引导学生学习使用虚拟实验，在实际实验教学过程中，可采取实作实验和虚拟实验并行的方式，培养学生多方面的素质和能力.

3.3 实验能力与虚拟学习效果的相关性分析

本文考虑用学生虚拟实验成绩表征虚拟学习效果，探究学生实验探究能力与学习效果的相关性，用学生近代物理实验课前5次实作实验成绩平均值表征实验探究能力，用3次虚拟实验成绩平均值表征虚拟学习效果，进行相关性分析.

表1表明，学生实作实验成绩与虚拟实验成绩呈现中度相关性，可推论学生实验探究能力和使用虚拟实验学习效果呈现中度相关性.

表1 实作实验成绩与虚拟实验成绩相关性

注：**在0.01 水平(双侧)上显著相关.

学生实作实验成绩和虚拟实验成绩的箱线图如图4所示，可以看出，实作实验成绩中位数位置稍高于虚拟实验成绩，但相差不大，说明同一批学生实作实验和虚拟实验探究能力在同一时间段内基本一致.从四分位数来看，虚拟实验成绩范围更大；从最大值和最小值来看，也是虚拟实验范围更大，因此学生之间虚拟实验探究能力相比实作探究能力离散度更大.用SPSS对实验统计数据进行皮尔逊相关分析可知学生实作实验成绩和虚拟实验成绩的皮尔逊相关系数为0.635，样本容量为29，呈现中度相关性.

图4 实作实验成绩与虚拟实验成绩的对比箱线图

4 结论和展望

本文对实验课的教学情况、学生对虚拟实验的基本认知和态度以及学生实作实验能力与虚拟实验能力相关度等问题展开了调查研究.在近代物理实验课上加入虚拟实验部分，使学生在课程中既进行实作实验的项目，也进行虚拟实验项目.

问卷调查结果表明：目前实验课存在一些常见问题，如实验仪器损坏失灵给实验操作带来不便；学生做实验态度不端正，应付实验报告；课堂上熟悉实验仪器功能和实验步骤的时间太短等，使用虚拟实验可以较好地加以解决.虚拟实验还提供了多样化的实验预习方法，并且不受时间和场地的局限，让学生设计实验探究自己的疑问，锻炼了自主探究能力和实践能力.

本文考虑用学生虚拟实验成绩表征虚拟学习效果，探究学生实验探究能力与学习效果的相关性.结果表明：学生实作实验成绩与虚拟实验成绩呈中度相关性，进而推论学生实验探究能力和使用虚拟实验学习效果呈中度相关性，学生之间虚拟实验探究能力相比实作探究能力的离散度更大.