自主探索和虚拟仿真实验在大学物理实验教学中的实践和研究

王 露 鲁广铎

（三峡大学理学院，湖北 宜昌 443002）

0 引言

大学物理实验课程作为大学生步入大学后接触到的第一门基础性实践课程，在培养学生动手能力和探究意识上具有不可替代的作用[1]。但从当前的教学现状来看，大学物理实验教学中验证性实验过多，设计性和创新性实验过少，更没有涉及基于智能移动终端和生活中常用器材的自主探索实验。

在信息化时代，大学物理实验课程的改革势在必行，需要革新教学形式、教学方法、教学平台[2]。特别是在2020年年初（抗疫期间），传统的线下教学形式已不能保证实验教学的顺利展开，实验教学改革显得异常重要。为此，不同高校采取了不同的方式，有的等学生返校后再开展物理实验教学，有的开展了全线上虚拟仿真实验，有的开展了“宅家探索实验”。为落实教育部的要求，三峡大学物理实验示范中心根据物理实验自身独特的课程性质，积极探索，启动了“居家自主探索实验+虚拟仿真实验”这种新的实验教学模式。

1 新教学模式的运用

我校物理实验示范中心常规的实验教学是学生先对照课本预习，再网上预约实验项目和时间，然后按照预约在实验室完成相应实验项目。

自主探索实验是指利用智能移动终端或者身边的装置和材料搭建实验系统，解决或验证某个物理问题[3]；虚拟仿真实验有形象逼真的操作环境和丰富的网络资源，其严格的评判标准利于学生掌握仪器操作[4]。

为体现实验课程的特点，切实提高学生的动手能力，疫情期间，我校物理实验示范中心推出了基于智能手机和phy.phox软件的一系列自主探索实验，学生在家利用身边的条件，完成物理量的测量和实验项目。利用智能手机内置的传感器再配合phy.phox软件可以实现力学、电学、光学等多种物理参数的测量。首批推出的实验包括：利用单摆测重力加速度，利用多普勒效应测速度，利用光栅衍射测波长等。学生根据自己的实际情况和课时从中选择2～3个实验，2～3周内完成，完成后提交数据、实验报告，以及相关的照片视频，指导教师对学生的数据、实验报告和实验过程的真实性和完整性进行评判、评分。一部手机，一把尺子，一个硬币，家里的电风扇和桌子都摇身一变成了实验器材，既锻炼了学生的动手能力，又能让学生体会到物理学无处不在，提高了学生理论联系实际的能力。

经过综合比较，我校物理实验示范中心选择了科大奥锐科技有限公司的虚拟仿真实验教学云平台，根据不同学时的课程向学生布置了和常规物理实验名称一致的虚拟仿真实验，包括长度与固体密度测量、示波器实验、分光计实验等共计15个实验项目。学生通过电脑可完成和实体实验一样的操作，有很强的互动性和逼真性，虚拟实验不受时间空间限制，可多次进行实验操作直至完全掌握，系统自动对操作步骤和所测数据进行评判，给出操作分数，学生提交的实验报告由教师人工评阅。

自主探索实验和虚拟仿真实验，一实一虚，优势互补，一个体现物理思想，培养学生动手能力，一个体现操作的标准化和测量的准确性，两者结合最大程度实现了物理实验的教学目标。

据统计，在开展的以“居家自主探索实验+虚拟仿真实验”这种新的实验教学模式的教学中，有约4 000人完成了自主探索实验，近2 800人完成了规定的虚拟仿真实验，虚拟仿真项目使用达5万人次，上交电子版实验报告近15 000份。

2 新教学模式的优缺点

通过一学期“居家自主探索实验+虚拟仿真实验”新模式的教学，它与传统教学模式凸显出一些优点：

（1）打破传统的单一的实验教学形式和教学平台，使得实验内容、形式更为丰富多彩，实验教学更有弹性，在特殊情况下也能开展高效的教学活动，而不降低培养质量；（2）自主探索实验会激发学生对物理实验的兴趣和好奇心，促使学生灵活运用所学知识，提高独立思考及分析问题和解决问题的能力；（3）虚拟仿真实验提供开放的实验环境，不局限于固定场合和固定时间，学生可随时、多次做实验，扩充了学习时间空间容量，而线上丰富的实验资源也有利于学生熟练掌握仪器操作，进行全方位的知识点训练。

在一学年的“居家自主探索实验+虚拟仿真实验”后又进行了一学年的线下常规教学，发现“探索实验+虚拟仿真实验”模式除了以上优点外，也存在不足：

自主探索实验范围广泛，但实验选题受实验条件及材料的限制具有一定的局限性；实验过程中不能随时指导从而影响学生积极性；探索的深度需要花费学生和教师大量的时间和精力；不同专业对探索实验的侧重点选取需要指导教师具备一定的专业知识。

虚拟仿真实验项目丰富，每一个实验都可反复操作，但虚拟仪器毕竟是虚拟仪器，学生的鼠标操作不能代表他们的动手能力，从现实的客观反映，只进行线上虚拟仿真实验的新生，在后续的线下实操实验中表现出对基本实验中的基本仪器的生疏以及对仪器调节的吃力感。所以，“居家自主探索实验+虚拟仿真实验”和常规实验线下实验结合起来才能更好的实现物理实验课程的培养目标。

3 新教学模式的思考与优化

“居家自主探索实验+虚拟仿真实验”实验教学模式在特定时期体现了它的使命和优点，锻炼了学生的动手能力，提供了学生探索实现的方法途径，也激发了学生的实验兴趣，但还要深入研究什么样的实验能达到培养目标，以前作为辅助教学手段的虚拟仿真实验能发挥多大的效能，是否需要将自主探索实验列入将来的实验教学计划。

在新的教学模式下，自主探索实验和虚拟仿真实验的选择还需要在以下三方面进行优化和完善。

（1）自主探索实验的选择及其和大学物理实验对高校学生的培养目标的对应关系。自主探索实验以动手操作为主，以解决问题、掌握实验方法和物理实验思想为主，不追求高精度测量，是大学物理实验教学的新方式；那什么样的自主探索实验能替代常规教材的部分内容，达到课程的培养目标；（2）虚拟仿真实验的选择，如何跟线下实验紧密结合，线上资源的建立、运用和完善。虚拟仿真实验利用信息技术完成的实验毕竟不能完全替代实际的实验操作，如何选择合适的虚拟仿真实验，如何和线下实际实验相结合才能使学生更深刻的掌握实验，并理解对应的物理原理；（3）教学效果反馈和学生学习成绩评价机制的建立和完善。自主探索实验和虚拟仿真实验效果如何，是否有必要在将来继续保持这种教学方式，需要对其教学效果进行评价和反馈。

2021年春季学期，我校物理实验示范中心根据在2020年春季“居家自主探索实验+虚拟仿真实验”中积累的教学经验，结合常规实验教学，推出了“线上+线下”物理实验一流课程的建设，在试点班充分利用多样化的教学平台，开展了多种形式的教学和课堂互动，探索新时代下最优的实验教学模式和评价机制，为大规模推广积累宝贵的经验。

4 结语

无论以哪种形式的模式开展大学物理实验教学，都是为了更大程度地提高学生对大学物理实验的兴趣，提高知识传授效率，提升教学效果，为此高校要充分利用现代新技术、新方法、新设备，开拓物理实验新的教学方法、手段和平台，使教学方法多样化，和时代紧密结合，夯实学生的“新工科”物理基础。特殊时期的“居家自主探索实验+虚拟仿真实验”这种新的实验教学模式促进了大学物理实验教学的改革。