陳 卓，張志華，于婷婷，赫 麗，方 愷

(同濟大學 物理科學與工程學院，上海 200092)

虛擬實驗是指借助于多媒體與仿真技術(shù)，在計算機上營造實驗操作環(huán)境，實驗者可以通過相關(guān)操作進行實驗，像在現(xiàn)實實驗室中一樣完成各種實驗項目[1].虛擬實驗教學系統(tǒng)則是基于虛擬實驗技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化計算機教學系統(tǒng)，是面向教學的虛擬實驗室.虛擬實驗教學系統(tǒng)一般可以分為虛擬實驗平臺、虛擬實驗教學管理兩部分[2].虛擬實驗平臺功能與真實實驗臺類似，學生通過鼠標和鍵盤輸入等方式，對虛擬實驗場景中的虛擬儀器進行配置、連接、調(diào)節(jié)和使用[3].開展虛擬實驗教學過程中，需要通過虛擬實驗教學管理系統(tǒng)向?qū)W生、教師和管理員提供實驗教學管理功能[4]，采用網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗管理可以有效地提高虛擬實驗技術(shù)在教學上的應(yīng)用效果[5].仿真實驗在改善實驗教學環(huán)境，改革實驗環(huán)節(jié)上起到重要作用，使實驗教學擺脫課堂和課時的局限，在時間和空間上得到延伸，從而提升了大面積實驗課程教學的質(zhì)量和水平[6].

本研究使用的虛擬實驗系統(tǒng)為科大奧銳公司的虛擬實驗系統(tǒng)，內(nèi)嵌31個虛擬實驗，包括力學、熱學、電磁學、光學及近代物理等方面的實驗.學生可以通過登陸虛擬實驗系統(tǒng)下載實驗大廳，安裝后可進行虛擬實驗.系統(tǒng)還提供用戶管理，實驗統(tǒng)計以及在線演示等功能，學生可以查看實驗相關(guān)內(nèi)容和演示.在近代物理實驗課教學中，學生使用該實驗系統(tǒng)，豐富了實驗教學內(nèi)容，提高了實驗教學質(zhì)量.通過問卷調(diào)查，本項研究工作對學生學習虛擬實驗的認知和態(tài)度以及特定因素與學習效果的相關(guān)性等進行比較分析和綜合研究.

1 虛擬實驗研究進展

虛擬實驗的研究興起于20世紀40～50年代，歐美國家在虛擬實驗方面研究較早，目前在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，研究領(lǐng)域比較廣泛，包括軟件開發(fā)、硬件開發(fā)、使用效果研究等，開發(fā)的虛擬實驗主要用于實驗教學、軍事培訓等方面[7].

美國猶他州立大學于2008年開發(fā)了PCR Virtual Lab，它是基于Web瀏覽的虛擬實驗，學生通過鼠標單擊、拖動等操作，根據(jù)提示信息和實驗內(nèi)容完成相關(guān)實驗操作，并即時獲得相應(yīng)的實驗效果和實驗信息.

我國在20世紀90年代初開始虛擬實驗的相關(guān)研究，開發(fā)了一系列實驗教學軟件.一些高校開發(fā)了基于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的虛擬實驗室[8-9]，如浙江大學化學系開發(fā)了虛擬有機化學實驗，中國科技大學在1996年開發(fā)出第一套虛擬實驗教學軟件，1998年升級為Windows版本，之后在規(guī)模和虛擬技術(shù)水平上不斷提高和完善.

2 教學調(diào)查方法和過程

虛擬實驗的教學應(yīng)用與推廣開辟了實驗教學的新途徑.為了了解近代物理實驗課程和虛擬實驗項目的教學應(yīng)用情況，本文對學生關(guān)于虛擬實驗的基本認知和態(tài)度及學生實作實驗?zāi)芰εc虛擬實驗?zāi)芰ο嚓P(guān)度等問題展開了調(diào)查研究.

研究對象為大學三年級本科生，共33名.在其近代物理實驗課上除了實作實驗部分，還加入虛擬實驗部分，每名學生需在系統(tǒng)上完成3個確定的虛擬實驗項目，并提交實驗報告，由教師進行評分，根據(jù)學生實作實驗得分情況和虛擬實驗部分得分情況進行相關(guān)分析.學生使用系統(tǒng)之后，實施了問卷調(diào)查，發(fā)放了33份問卷，回收31份，其中有效問卷29份.問卷內(nèi)容包括對實驗課教學情況和學生對虛擬實驗認知和態(tài)度的調(diào)查.通過使用SPSS對問卷內(nèi)容進行分析，得到實驗課教學情況和學生對虛擬實驗認知和態(tài)度的調(diào)查結(jié)論，給出合理的分析和建議.

3 研究結(jié)果和結(jié)論

3.1 學生態(tài)度調(diào)查

問卷調(diào)查了近代物理實驗課程的學生態(tài)度等，本文使用SPSS對數(shù)據(jù)進行多重響應(yīng)的頻率分析，根據(jù)結(jié)果分析現(xiàn)狀，給出結(jié)論和建議.

“關(guān)于目前物理實驗課教學存在的問題”的調(diào)查結(jié)果如圖1所示，調(diào)查結(jié)果說明了目前物理實驗教學中現(xiàn)存的一些問題及其出現(xiàn)的頻率，其中實驗儀器損壞失靈給實驗帶來麻煩的問題出現(xiàn)頻率最高，學生應(yīng)付實驗報告、實驗內(nèi)容理解與物理原理聯(lián)系少的問題和學生熟悉實驗儀器功能步驟時間太短等也是常見的問題.

圖1 物理實驗課教學存在的問題統(tǒng)計圖

對于以上出現(xiàn)頻率較多的問題，使用虛擬實驗提供了一種解決問題的途徑，可以避免儀器損壞的情況，用虛擬實驗預習以提高課堂上做實驗的效率等，學生在課后也可以通過虛擬實驗來隨時復習實驗內(nèi)容.

3.2 虛擬實驗認知和態(tài)度調(diào)查

關(guān)于“虛擬實驗?zāi)軒椭鷮W生在哪些方面得到提高”一題的調(diào)查結(jié)果如圖2所示，反饋調(diào)查結(jié)果說明學生在使用虛擬實驗后認為自身在以下幾個方面有所提高：自主解決問題能力、實踐能力、智力水平、創(chuàng)新能力、批判性思維以及決策能力.

圖2 虛擬實驗?zāi)軒椭鷮W生在哪些方面得到提高的統(tǒng)計結(jié)果

關(guān)于“虛擬實驗與實際操作儀器相比所具備的優(yōu)點”的調(diào)查結(jié)果如圖3所示.調(diào)查結(jié)果說明學生在使用虛擬實驗后，認為其具有的突出優(yōu)點為：可以隨時隨地進行實驗，以及使用虛擬實驗不用擔心設(shè)備損壞問題和安全問題，還可用一些造價昂貴的、平時難以接觸到的儀器設(shè)備等方面.

圖3 虛擬實驗與實際操作儀器相比所具備的優(yōu)點統(tǒng)計圖

以上結(jié)果說明，學生在進行虛擬實驗后認為其具有較好的安全性，更少的時間、空間限制性，使用虛擬實驗?zāi)茉谧灾鹘鉀Q問題能力、實踐能力和智力水平上得到提高.教師應(yīng)積極引導學生學習使用虛擬實驗，在實際實驗教學過程中，可采取實作實驗和虛擬實驗并行的方式，培養(yǎng)學生多方面的素質(zhì)和能力.

3.3 實驗?zāi)芰εc虛擬學習效果的相關(guān)性分析

本文考慮用學生虛擬實驗成績表征虛擬學習效果，探究學生實驗探究能力與學習效果的相關(guān)性，用學生近代物理實驗課前5次實作實驗成績平均值表征實驗探究能力，用3次虛擬實驗成績平均值表征虛擬學習效果，進行相關(guān)性分析.

表1表明，學生實作實驗成績與虛擬實驗成績呈現(xiàn)中度相關(guān)性，可推論學生實驗探究能力和使用虛擬實驗學習效果呈現(xiàn)中度相關(guān)性.

表1 實作實驗成績與虛擬實驗成績相關(guān)性

注：**在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

學生實作實驗成績和虛擬實驗成績的箱線圖如圖4所示，可以看出，實作實驗成績中位數(shù)位置稍高于虛擬實驗成績，但相差不大，說明同一批學生實作實驗和虛擬實驗探究能力在同一時間段內(nèi)基本一致.從四分位數(shù)來看，虛擬實驗成績范圍更大；從最大值和最小值來看，也是虛擬實驗范圍更大，因此學生之間虛擬實驗探究能力相比實作探究能力離散度更大.用SPSS對實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行皮爾遜相關(guān)分析可知學生實作實驗成績和虛擬實驗成績的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.635，樣本容量為29，呈現(xiàn)中度相關(guān)性.

圖4 實作實驗成績與虛擬實驗成績的對比箱線圖

4 結(jié)論和展望

本文對實驗課的教學情況、學生對虛擬實驗的基本認知和態(tài)度以及學生實作實驗?zāi)芰εc虛擬實驗?zāi)芰ο嚓P(guān)度等問題展開了調(diào)查研究.在近代物理實驗課上加入虛擬實驗部分，使學生在課程中既進行實作實驗的項目，也進行虛擬實驗項目.

問卷調(diào)查結(jié)果表明：目前實驗課存在一些常見問題，如實驗儀器損壞失靈給實驗操作帶來不便；學生做實驗態(tài)度不端正，應(yīng)付實驗報告；課堂上熟悉實驗儀器功能和實驗步驟的時間太短等，使用虛擬實驗可以較好地加以解決.虛擬實驗還提供了多樣化的實驗預習方法，并且不受時間和場地的局限，讓學生設(shè)計實驗探究自己的疑問，鍛煉了自主探究能力和實踐能力.

本文考慮用學生虛擬實驗成績表征虛擬學習效果，探究學生實驗探究能力與學習效果的相關(guān)性.結(jié)果表明：學生實作實驗成績與虛擬實驗成績呈中度相關(guān)性，進而推論學生實驗探究能力和使用虛擬實驗學習效果呈中度相關(guān)性，學生之間虛擬實驗探究能力相比實作探究能力的離散度更大.