皮飛鵬 洪哲新 張姍 袁聿海

摘? 要 大學(xué)物理實驗是理工科專業(yè)本科生重要的必修課。廣州大學(xué)大學(xué)物理實驗課程教學(xué)團(tuán)隊針對課程教學(xué)現(xiàn)狀和問題，通過分析總結(jié)疫情防控期間線上大學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)的實踐經(jīng)驗，構(gòu)建線上線下混合式大學(xué)物理實驗教學(xué)模式，即“課前虛擬仿真實驗預(yù)習(xí)+課中教師精講和學(xué)生真實實驗操作+課后線上反思總結(jié)和虛擬仿真拓展創(chuàng)新”。介紹該教學(xué)模式及其建構(gòu)過程，并以“楊氏彈性模量的測定”為例，采用該模式進(jìn)行教學(xué)實踐，取得較好的教學(xué)效果，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞 大學(xué)物理實驗;混合式教學(xué);楊氏彈性模量;虛擬仿真實驗;翻轉(zhuǎn)課堂;實驗室

中圖分類號：G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）24-0107-04

Exploration and Practice of Mixed Online and Offline Teaching in College Physics Experiment Education//PI Feipeng， HONG Zhexin， ZHANG Shan， YUAN Yuhai

Abstract College physics experiment is an important compulsory course for undergraduates majoring in science and engineering. Con-

sidering the current teaching status and existed problems， teaching team of college physics experiment in Guangzhou university esta-blished mixed online and offline teaching mode by summarizing the

practical experience of online virtual simulation experiment tea-

ching during epidemic prevention and control period. The mixed on-

line and offline teaching mode consists of three parts： i） online pre-view and virtual simulation before class， ii） practically experiment operation in class， iii） online summary and innovation after class. This paper introduces the mixed online/offline teaching mode and its construction process， and takes “Determination of Young’s Modulus of Elasticity” as an example for practice teaching. It is proved that

better teaching effects are achieved and students’ independent learning ability and innovation ability are improved.

Key words physics experiment courses; mixed teaching; Young’s modulus of elasticity; virtual simulation experiment; flipped class-room; laboratory

0? 前言

實驗教學(xué)作為高等學(xué)校本科生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，承載著學(xué)生工程素質(zhì)、創(chuàng)新精神及能力培養(yǎng)的任務(wù)[1]。隨著信息技術(shù)與教育教學(xué)的融合，實驗教學(xué)的形態(tài)也在發(fā)生深刻的變化。教育部辦公廳2017年下發(fā)的《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》[2]，教育部2018年下發(fā)的《關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知》[3]，都提出要將實驗教學(xué)信息化作為高等教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量，深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的融合，開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)，以高質(zhì)量實驗教學(xué)助推高等教育教學(xué)質(zhì)量變軌超車。在這些政策和技術(shù)進(jìn)步的推動下，虛擬仿真實驗課程得到廣泛開展。

大學(xué)物理實驗是理工科大學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后學(xué)習(xí)的第一門重要的實驗課，是其接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的開端，也是后續(xù)專業(yè)實驗和科研訓(xùn)練的重要基礎(chǔ)[4-5]。為加強(qiáng)大學(xué)物理實驗課程建設(shè)，用信息技術(shù)推進(jìn)課程改革，廣州大學(xué)大學(xué)物理實驗課程教學(xué)團(tuán)隊于2018年開始進(jìn)行虛擬仿真實驗項目建設(shè)，并在2020年上半年的居家學(xué)習(xí)期間進(jìn)行廣泛實踐。針對線上實驗和線下實驗各自的優(yōu)缺點，從培養(yǎng)學(xué)生實驗技能、工程素養(yǎng)和創(chuàng)新精神的目標(biāo)出發(fā)，基于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)理念，團(tuán)隊嘗試將線上虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)課堂有效融合，提出一種線上和線下相結(jié)合的物理實驗教學(xué)模式，在實際實驗教學(xué)中收到良好的效果，提高了學(xué)生的實驗課參與度，豐富了教學(xué)手段，解決了實驗教學(xué)中長期存在的一些問題。

1? 線下大學(xué)物理實驗教學(xué)現(xiàn)狀

按照目前廣州大學(xué)大學(xué)物理實驗課程的設(shè)計，學(xué)生應(yīng)在實驗前進(jìn)行實驗預(yù)習(xí)并完成預(yù)習(xí)報告，在對實驗內(nèi)容有了一定的認(rèn)識之后再在實驗室進(jìn)行實驗操作。但在實際教學(xué)中，學(xué)生在沒有接觸實驗儀器的前提下，僅僅根據(jù)教材中的文字和圖片進(jìn)行實驗預(yù)習(xí)會無從下手，實驗預(yù)習(xí)常常只是將實驗內(nèi)容抄襲一遍，甚至沒有預(yù)習(xí)。在實驗課上，由于學(xué)生沒有真正預(yù)習(xí)，實驗教師需要占用大量課堂時間對實驗內(nèi)容和步驟進(jìn)行講解，使得學(xué)生的實驗操作時間變得緊張，甚至無法按時完成實驗，達(dá)不到預(yù)期的學(xué)習(xí)效果。而課后，師生之間由于缺乏交流互動的機(jī)會，教師無法知道學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，學(xué)生更是缺乏一個鞏固和提高的平臺。

2? 線上大學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)情況分析

為適應(yīng)新冠疫情期間居家學(xué)習(xí)的需要，廣州大學(xué)大學(xué)物理實驗課程教學(xué)團(tuán)隊于2020年春季學(xué)期開展了大規(guī)模的線上大學(xué)物理虛擬仿真實驗課程，并在學(xué)期結(jié)束時對參與大學(xué)物理虛擬仿真實驗課程的學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，期望總結(jié)線上教學(xué)經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建線上線下混合式大學(xué)物理實驗教學(xué)模式，用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式。

課程團(tuán)隊有教師26人，負(fù)責(zé)廣州大學(xué)10個工科學(xué)院每屆近3 000名學(xué)生的大學(xué)物理實驗課程教學(xué)，課程計劃學(xué)時32學(xué)時，須完成10個實驗。參與網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查的學(xué)生共1 054名，問卷內(nèi)容包括學(xué)生對實驗課的態(tài)度、教師教學(xué)情況、學(xué)生對虛擬實驗的認(rèn)知和態(tài)度以及對虛擬仿真實驗的期望，共四個方面。采用SPSS對問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如下。

2.1? 學(xué)生對實驗課的態(tài)度

問卷調(diào)查了大學(xué)物理實驗課程的學(xué)生態(tài)度，75%的學(xué)生之前沒接觸過虛擬仿真實驗或虛擬仿真實驗軟件;收到大學(xué)物理實驗課改用虛擬仿真實驗軟件上課的通知時，50%的學(xué)生表示對這學(xué)期的大學(xué)物理實驗課充滿期待和好奇。而在實驗課學(xué)習(xí)習(xí)慣方面，僅有6%的學(xué)生表示自己從來不預(yù)習(xí)實驗，大部學(xué)生會認(rèn)真預(yù)習(xí)并準(zhǔn)備好預(yù)習(xí)報告。

2.2? 教師的教學(xué)情況

在實驗課教師教學(xué)方面，80%的教師會講解實驗的各個環(huán)節(jié)。當(dāng)被問及喜歡實驗教師采用哪種教學(xué)方式時，超過一半的學(xué)生喜歡教師詳細(xì)講解并示范操作。在問及“老師在哪個環(huán)節(jié)對自己幫助最大”時，選實驗原理環(huán)節(jié)的學(xué)生最多，為47%;其他環(huán)節(jié)依次為儀器操作21%，實驗步驟19%，數(shù)據(jù)處理14%。而在實驗教師的詳細(xì)講解下，只有9%的學(xué)生表示仍無法獨立完成實驗。

2.3? 學(xué)生對虛擬實驗的認(rèn)知和態(tài)度

在參與一學(xué)期的大學(xué)物理虛擬仿真實驗課程之后，大部分學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實驗有助于自己更好地理解實驗原理（55%）和實驗步驟（61%），更快掌握儀器的功能和操作方法（56%），對如何處理實驗數(shù)據(jù)和誤差分析也更清楚（51%）。

當(dāng)問及虛擬實驗與真實實驗相比所具備的優(yōu)點，學(xué)生投票最高的前三個選項依次是不擔(dān)心設(shè)備損壞（89%）、實驗環(huán)境安全（76%），以及可以重復(fù)多次、減少誤差（67%）。

關(guān)于虛擬實驗中遇到的困難，投票前二的選項分別是虛擬環(huán)境與真實環(huán)境有差別而不能很好地投入（47%），不會熟練使用虛擬軟件（18%）。

2.4? 學(xué)生對虛擬仿真實驗的期望

當(dāng)被問及“下學(xué)期返校后，還有必要部分實驗采用虛擬仿真實驗的形式嗎”，61%的學(xué)生認(rèn)為有必要。并且43%的學(xué)生認(rèn)為將虛擬仿真實驗應(yīng)用在儀器操作這個環(huán)節(jié)教學(xué)效果最好，其他環(huán)節(jié)依次是實驗步驟24%、實驗原理20%、數(shù)據(jù)處理14%。總體來說，89%的學(xué)生表示喜歡本學(xué)期的大學(xué)物理虛擬仿真實驗課。

以上調(diào)查結(jié)果說明，學(xué)生在進(jìn)行虛擬仿真實驗課程之后，認(rèn)為其具有較好的安全性、可多次重復(fù)、沒有空間限制等優(yōu)點，使用虛擬仿真實驗?zāi)茉跀?shù)據(jù)處理能力、實驗操作能力和實驗分析能力方面得到提高。教師應(yīng)積極引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)使用虛擬實驗，在實驗教學(xué)中可采取真實實驗室實驗和虛擬實驗并行的方式，特別是使用虛擬仿真實驗演示實驗操作，增強(qiáng)教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生多方面的素質(zhì)和能力。

3? 線上線下混合式大學(xué)物理實驗教學(xué)模式構(gòu)建

通過以上調(diào)查發(fā)現(xiàn)，線上虛擬仿真實驗具有可重復(fù)性、不受時間和場合制約、無須擔(dān)心操作失誤造成精密儀器損壞等優(yōu)點，但也要看到，虛擬仿真實驗無論效果如何逼真，還是缺少真實實驗設(shè)備的真實觸感和真實體驗，只能作為輔助真實實驗的一種工具，而不是完全替代真實實驗。有鑒于此，針對傳統(tǒng)大學(xué)物理實驗教學(xué)模式中存在的問題，分析線上虛擬仿真實驗的特點和優(yōu)勢，借鑒翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，顛覆教學(xué)流程[6]，構(gòu)建線上線下混合式大學(xué)物理實驗教學(xué)模式，圖1是該教學(xué)模式的示意圖。

在課前環(huán)節(jié)，教師通過線上實驗指導(dǎo)，將理論教學(xué)進(jìn)行前置，使學(xué)生提前了解課堂教學(xué)內(nèi)容，在課前利用線上虛擬仿真實驗軟件讓學(xué)生進(jìn)行實驗預(yù)習(xí)，提前引導(dǎo)學(xué)生了解實驗流程、操作技巧、重點知識內(nèi)容。除了虛擬實驗軟件自帶的自學(xué)視頻（圖2）外，實驗教師還可通過企業(yè)微信、微信群等途徑推薦其他網(wǎng)站的相關(guān)實驗視頻給學(xué)生觀看，讓學(xué)生從不同角度了解實驗原理和實驗操作，并讓學(xué)生記錄預(yù)習(xí)所遇到的問題和困惑，課前反饋給教師。

而在線下面對面實驗教學(xué)時，教師首先對線上預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題進(jìn)行針對性講解，并引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)提出問題，帶著更多的思考進(jìn)行實驗操作。這樣更利于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考能力、鉆研精神，令他們在發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的過程中獲得物理實驗綜合能力的提升。同時，教師也不必從頭到尾講解實驗原理和實驗操作，給予學(xué)生更多的時間進(jìn)行實驗操作，讓學(xué)生更多地進(jìn)行線下互動與實驗研討。通過線上與線下教學(xué)的有機(jī)融合，讓大學(xué)物理實驗課堂更加高效，學(xué)生間也可以更好地合作與互動，完成知識的探究與構(gòu)建。

在課后的線上環(huán)節(jié)，學(xué)生對真實實驗獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成實驗報告。對于學(xué)有余力的學(xué)生，教師亦可引導(dǎo)他們使用虛擬仿真實驗軟件進(jìn)行更深入的研究與探索，引導(dǎo)學(xué)生以開放的思想、積極的探索精神，對實驗知識相關(guān)的物理現(xiàn)象進(jìn)行研究與分析。良好的課后探究活動能顯著加深學(xué)生對實驗原理的理解，并提高熟練操作儀器、科學(xué)規(guī)范記錄與處理數(shù)據(jù)以及分析和解決問題的能力。最后，讓學(xué)生對本次實驗從實驗預(yù)習(xí)、方案設(shè)計、實驗操作與探究等方面進(jìn)行自評，記錄自己的收獲與進(jìn)步，反思缺點與不足。而教師也要基于學(xué)生在實驗全過程中的表現(xiàn)對學(xué)生進(jìn)行評價。

作為線上線下混合實驗教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，教師需充分發(fā)揮線下課堂的優(yōu)勢與價值，在課堂上發(fā)揮主導(dǎo)作用，多使用具有探究性的實驗項目引導(dǎo)和促進(jìn)學(xué)生開展小組合作探究。而線上虛擬仿真實驗軟件則提供給學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)鞏固和拓展探究的機(jī)會，使得學(xué)生在課前、課中、課后均有收獲，有效提高實驗課堂效率。

4? 線上線下混合式教學(xué)案例

楊氏彈性模量（簡稱楊氏模量）描述的是固體材料抵抗形變的能力，其大小標(biāo)志了材料的剛性，是選擇機(jī)械零件材料的依據(jù)之一，是工程技術(shù)設(shè)計中常用的參數(shù)，它的測定對研究各種材料的力學(xué)性質(zhì)有著重要意義。本文以“楊氏彈性模量的測定”為例，應(yīng)用線上線下混合式大學(xué)物理實驗教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)實踐。

在課前的線上預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，教師將實驗教學(xué)內(nèi)容按知識點進(jìn)行梳理，提出預(yù)習(xí)目標(biāo)和知識重難點，制作成《課前線上預(yù)習(xí)任務(wù)單》（表1），通過QQ群或微信群提前推送給學(xué)生。由于本節(jié)課的重難點是“掌握使用光杠桿法測量微小長度變化的原理和方法，光杠桿和尺度望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)”，因此讓學(xué)生在課前使用虛擬仿真實驗動手操作就顯得尤為重要。在真實實驗室不一定有足夠數(shù)量的實驗裝置做到人手一套，而且光學(xué)儀器屬于精密儀器，學(xué)生剛開始操作并不規(guī)范，極易損壞光杠桿和望遠(yuǎn)鏡，或者操作后在望遠(yuǎn)鏡中觀察不到刻度標(biāo)尺的像和觀察者眼睛的像，茫然不知所措。課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)應(yīng)用虛擬仿真實驗，便可發(fā)揮虛擬仿真實驗的優(yōu)勢，每個學(xué)生都可以在線練習(xí)操作光杠桿和望遠(yuǎn)鏡標(biāo)尺組，不必?fù)?dān)心操作失誤，并且有實驗演示視頻可以反復(fù)觀看，從而改進(jìn)和熟悉實驗操作，極大地提高學(xué)生的課前預(yù)習(xí)效率。而虛擬仿真實驗具有的后臺統(tǒng)計功能，讓教師可以方便地了解和監(jiān)督學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。

在線下的真實實驗課堂教學(xué)中，由于學(xué)生在課前熟悉了實驗裝置的使用，因此在進(jìn)行課堂教學(xué)時，教師只需根據(jù)課前收集到的學(xué)生預(yù)習(xí)情況，有的放矢地對學(xué)生普遍掌握不清的實驗原理和實驗步驟進(jìn)行講解，學(xué)生有更多時間親自操作真實實驗儀器，進(jìn)行解決問題的訓(xùn)練。雖然大部分學(xué)生已經(jīng)通過線上虛擬仿真實驗預(yù)習(xí)了該實驗操作，并且也能調(diào)試出實驗要求的像，得出相關(guān)數(shù)據(jù)，但在線下真實實驗室，特別是當(dāng)親自動手調(diào)試實驗儀器，進(jìn)行調(diào)節(jié)光杠桿、望遠(yuǎn)鏡與標(biāo)尺，望遠(yuǎn)鏡境外和鏡內(nèi)找標(biāo)尺像，細(xì)調(diào)對零等步驟時（圖3），學(xué)生就會發(fā)覺操作真實實驗儀器時不會像操作虛擬仿真實驗?zāi)菢尤菀壮晒?。而“楊氏彈性模量的測定”最難的一環(huán)便是學(xué)生在完成望遠(yuǎn)鏡境外找像后，在接下來的望遠(yuǎn)鏡鏡內(nèi)找不到標(biāo)尺的像，而這種真實實驗環(huán)境下遇到的困難恰好可以檢驗學(xué)生的實驗預(yù)習(xí)質(zhì)量和問題處理能力，是否能通過獨自思考或者與同學(xué)的討論合作解決問題。在成功解決望遠(yuǎn)鏡鏡內(nèi)找像的問題后，便可采用等增量測量法，改變砝碼的數(shù)量，將相關(guān)長度的測量數(shù)據(jù)記錄下來，完成本次實驗任務(wù)。

而在課后的線上總結(jié)和實驗拓展創(chuàng)新環(huán)節(jié)，學(xué)生除了要完成實驗數(shù)據(jù)的分析處理和實驗報告的撰寫，還可以對此次實驗過程中遇到的問題與實驗教師和同學(xué)進(jìn)行線上討論，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行其他方面的拓展和探究。例如：如果實驗時鋼絲有些彎曲，對實驗有何影響？如何從實驗數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)這個問題？引起測量誤差的因素有哪些？實驗中應(yīng)如何盡量減小誤差？如何根據(jù)實驗測得的數(shù)據(jù)計算所用光杠桿的放大倍數(shù)？實踐證明，這種方法不僅可以照顧到每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生的實驗效果，而且能讓學(xué)生掌握基礎(chǔ)實驗知識后，利用已有知識分析、綜合、判斷、實施，進(jìn)而解決問題，極大提高他們的實驗興趣。

5? 總結(jié)

通過大學(xué)物理仿真實驗平臺的建設(shè)和線上線下混合式大學(xué)物理實驗教學(xué)模式的應(yīng)用，廣州大學(xué)大學(xué)物理實驗課程教學(xué)團(tuán)隊較好地解決了學(xué)校傳統(tǒng)大學(xué)物理實驗教學(xué)過程中處在的問題，豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容，提高了實驗課堂教學(xué)的效率。教學(xué)團(tuán)隊認(rèn)為：虛擬仿真實驗平臺畢竟是一個虛擬的環(huán)境，缺少真實感，在訓(xùn)練學(xué)生的實驗技能，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力等方面，還不能取代真實實驗室，實驗技能的掌握還必須通過學(xué)生自己親自動手操作真實實驗儀器解決問題和困難才能實現(xiàn)。因此，教學(xué)團(tuán)隊將繼續(xù)探索并改進(jìn)教學(xué)模式，更好地將線上資源與線下真實實驗有機(jī)結(jié)合，對整個教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行更精細(xì)化設(shè)計，更好地利用線上和線下兩方面的教學(xué)資源提高大學(xué)物理實驗教學(xué)的質(zhì)量，為更好地培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)、創(chuàng)新精神及能力服務(wù)?！?/p>

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