“大学物理实验”虚实混合式教学探索与实践

朱飞 刘立娟 刘枝朋 张守超

摘 要：虚拟仿真与网络信息技术的发展引起了实验教学的变革，虚实结合的混合式教学逐渐成为高校实验教学的新形态。在总结传统物理实验课堂利弊基础上，引入虚拟仿真实验构建虚实结合教学体系，思考仿真实验使用方式；建设线上课程促进自主学习，将线上与线下实验相结合；总结了线上课程加仿真实验辅助的混合式教学模式，课程考核也随之变得多元化和过程化。通过实践，该模式有利于增强学生的学习兴趣和实践创新能力，提升了“大学物理实验”课的教学质量和教师的业务能力。

关键词：虚实结合；仿真实验；线上线下混合式教学；大学物理实验

“大学物理实验”作为理工科学生最为基础的必修实验课程，是对学生进行科学实验训练、培养学生创新能力和自主探究精神的重要阵地。传统的实验教学模式存在诸多弊端［1］，比如，教学形式单一，预习形式化，达不到预习效果；考核形式单一化，缺乏过程性考核；学生学习被动；实验受到时空、设备等多因素限制，多数学生不能随时随地实验。随着高速网络技术和信息技术发展，线上教學逐步引入实验课程，线上线下相结合的混合式教学逐渐成为高校教学的新形态［2-3］，改变了传统的实验教学模式。

教育部发布的《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》［4］（教高〔2018〕2号）中第七条指出，重塑教育教学形态，推进现代信息技术与教育教学深度融合，共享优质教育资源。大力推进慕课和虚拟仿真实验建设，提高实验教学质量和水平。随着教育信息化的深入，仿真实验得到应用，以MOOC、SPOC、自建网课为代表的在线课程兴起［5］，而建设在线课程、引进线上教学、开展仿真实验教学［5］、开设翻转课堂［6］、线上线下相结合［7-8］的教学模式成为天津城建大学开展物理实验教学的主动选择，借此介绍虚实结合的混合式实验教学实践，以供参考。

1 虚实融合实验教学体系构建及教学思考

1.1 仿真实验与线下实验有机结合

虚拟仿真实验是基于虚拟现实、人工智能、自动控制等技术，以数字化和高度仿真的虚拟模型构建而成的。学生可在虚拟环境中开展实验操作，完成各项实验内容，达到与真实实验环境同样的效果。我校采用的是科大奥锐科技有限公司虚拟仿真实验教学云平台，包含力学、热学、

光学、电磁学、近代物理共50个仿真项目，见图1。仿真实验与我校大部分实验项目内容重合度较高，仿真仪器效果逼真，功能满足使用要求。仿真实验与线下实验能够无缝衔接，先仿真再线下实操，突破了实验教学的时空束缚。基于此，虚实结合实验教学体系得以建立。

引入虚拟仿真实验可以提高学生学习兴趣和学习效果，学生只要拥有网络和电脑，便能随时随地进行实验学习操作。对于有危险性的项目和没有条件开设的项目可以采用仿真实验代替，仿真实验有维护方便、节约资源、使用效果好等特点。

1.2 虚实结合的教学思考

如何有效使用仿真实验促进实验教学、提高实验教学质量，是教学中必须思考的问题，概括为以下四种：

第一种是用于课前实验预习和课后复习扩展。课堂进行线下实验操作，仿真实验加深对实验的理解和操作训练，既节省时间，又提高课堂效率。

第二种是按照虚实结合项目进行教学。从中选出16个项目作为虚实结合项目，进行虚实互补教学，如表1所示。

第三种是虚拟项目作为实际项目补充教学。我校的《大学物理实验》和《近代物理实验》共开设55个项目，部分项目实验仪器台套少或没有，或者相对危险，从中优选8个仿真项目补充教学，见表1。采用线上直播进行指导，随后开放实验室翻转教学，此种情况对师生的要求较高。

第四种是利用仿真平台提供的仪器和平台接口，结合本校实际重新开发仿真项目，设计新的实验内容，进行设计性仿真实验教学。

如何有效利用仿真实验促进实验教学，还需要多实践，创新仿真实验在教学中有效应用，做好虚实有效结合，促进教学质量提升。

2 建设在线课程，开展直播教学

2.1 超星平台在线课程建设探索

网络教学平台的选取和教学资源的建设是开展混合式教学的基础，超星学习平台是我校综合网络教学平台。在平台上，按照建课、信息导入、发布通知、课前自主预习、线上直播、上课签到、课堂互动、实验（线上仿真或线下实验）、答疑与作业，开展线上线下相结合的教学新形式，完成实验教学。我校的“大学物理实验A（1）”2020年被评为校级一流线上线下混合课程，每年春季开课，已在线开课三个学期，累计选课3000多人，累计学习次数达到302万次。线上课程一个实验一个章节，每个实验包括：预习要求、指导书、课件、视频、仿真教学、预习测试等内容，课程部分目录见图2。

2.2 开展直播教学

伴随高速网络的普及，直播引入实验教学，将线上直播与线下实验有机结合。直播教学是线上线下混合式实验课堂一部分，学生在课前完成线上课程的自主学习之后，教师采用腾讯会议或超星直播软件，进行直播教学，讲解实验原理；利用仿真仪器或真实仪器介绍仪器结构，演示实验，进行课堂讨论互动；然后学生根据要求进行实验操作。线上仿真实验，直播互动答疑，教师远程指导实验；线下实验室实验时，师生面对面交流、现场指导。直播结束后，将自动录制的教学视频放入超星自建课程，供学生回放学习，直播视频回放在一定程度上延展了教学的时间和空间，能给学生的个性化学习预留充分的条件，提高了实验学习效果。

3 虚实结合的混合式教学模式与课程考核

3.1 虚实结合的混合式教学模式

混合式的教学要求充分利用线上和线下资源，对教学进行优化设计，对教师的教学要求和驾驭课堂能力比较高。课堂从教师为中心转变为以学生为中心，采用引导启发式的线上线下相结合的授课方式，提出预习任务，课前设计好问题，小组交流互动，总结展示。新模式下课堂分为课前线上自主学习、课内自主实验、课后完成报告及考核三部分，教学模式流程见图3。

课前：预习是实验课重要一环，充分的预习实验能够帮助学生在课堂上从容完成实验。预习网络化，过程留痕。超星平台具备课程任务点及课堂活动学习数据记录与统计功能，为学生的学习评价提供了数据支持。因此，在真正进入实验室之前，学生根据学习通课程的指导书、课件、视频、扩展资料、预习测试题等完成实验自主学习。通过仿真实验、熟悉仪器设备和实验过程，教师课前完成预习检查，预习合格的学生方能进入实验室做实验。预习中遇到问题，在学习通留言，教师及时答疑，对于共性和重难点问题，课堂统一解答。该过程以学生自学为主，培养学生的自学能力，要求教师课前一周及时查看学生的实验预习结果，督促完成预习，预习成绩（包括学习通综合+仿真）占比30%。

课内：课堂依然是实验教学主要阵地。采用线上直播或线下课堂相结合的形式。教师根据预习反馈情况，决定实验原理是否需要补充讲解，设计问题，学生分组讨论，然后介绍仪器和实验要求，做到因材施教。有了前期的预习和仿真模拟，学生通过自主操作和测量，完成实验思想和方法的内化，记录数据，完成实验。该过程主要考查实验操作能力，操作成绩占比为40%

课后：完成实验数据处理和报告，学生将报告提交到学习通作业，教师在规定时间完成批阅，结果及时反馈给学生。期末参加线上考试，报告与期末成绩占比为30%。

最后通过兴趣选拔，筛选部分学生进入物理实验创新实验平台，参加创新实验竞赛，仪器改进制作、讲课比赛、物理学术竞赛、大创项目等，提高学生的实践创新能力。

3.2 新模式下的课程考核

教学模式的变革伴随着课程考核方式的改变，我校“物理实验”课采用将百分制平均成绩转化为等级成绩的考查方式，完成考核。课程成绩包括学习通综合成绩、实验平均成绩、期末考核成绩三部分，按比例合成。学习通课程统计功能可记录每人学习过程，任务点完成情况，预习测试结果；仿真系統能记录仿真实验情况和成绩；期末线上考核在学习通考试功能中完成，客观题为主，开卷形式，在设定的时间段自主完成，主要用于检查实验学习效果。预习与期末考核是实验课的两个重要环节，共占比40%左右，实验操作和报告占比60%。由于引入线上课程和仿真实验，实验课考核包括预习、操作、报告、期末考试等所有要素，更注重过程性考核，多元化评价。对于参加创新实验比赛的学生，课程根据表现给予加分或提高等级成绩，鼓励学生参加创新实验。

4 教学总结与结语

“虚实结合、相互补充、能实不虚”是仿真实验教学和虚拟教学资源建设中必须遵循的原则［9］，也逐渐成为物理实验教学中的共识。按照该原则，虚拟项目补充现实缺乏教学项目或者虚实项目结合，实现优势互补。虚实融合，线上线下结合的混合式教学模式比之前增加了线上课程和仿真实验学习。实践表明，这种全新的教学模式能有效提高学生的学习热情，能够帮助学生深入理解实验原理，牢固掌握所学知识，增加课堂实验实效，加强课内外的师生互动，增进师生感情，提升学生自学能力和创新能力。同时改变传统考核方式，增加课程考核的多元化、标准化和过程性，提升综合评价结果，提高了教学效果，为今后“大学物理实验”教学改革提供了参考经验。

通过我校的物理实验教学实践，发现课程还有待改进，线上课程需要继续优化课程结构，完善教学资源，重构建学设计，融入课程思政，提高教学互动性；线下课堂需提高课程的高阶性和挑战度，增加课程吸引力和实用性，引进新技术，与时俱进，进一步提升教师的业务能力。

参考文献：

［1］崔连敏.浅谈大学物理实验教学存在的问题和方法［J］.大学物理实验，2015，28（06）：124-126.

［2］甘亮勤，王逸平，穆瑞珍，等.虚实结合、网络教学与线下实践相融的大学物理实验教学模式构建［J］.大学物理实验，2021，34（02）：94-97.

［3］杨鹤，刘晓军，庄文漪，等.大学物理实验混合式教学模式研究［J］.高师理科学刊，2021，41（06）：94-97+101.

［4］教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201810/t20181017_351887.html.

［5］任艳琴，王闵，刘莉丽，等.基于混合式教学理念建构大学物理实验高效课堂［J］.大学物理实验，2020，33（02）：122-125.

［6］崔连敏，周群，贾宁，等.虚拟仿真的大学物理实验线上线下教学模式探讨［J］.实验室科学，2022，25（01）：155-158.

［7］许飞，罗锻斌，谢海芬，等.基于MOOC平台下大学物理实验翻转课堂教学模式的应用与探讨［J］.物理与工程，2021，31（1）：50-54.

［8］王军，王帆，沙金巧，等.线上线下相结合的大学物理实验教学改革研究［J］.物理与工程，2020，30（5）：26-31，36.

［9］程海丽，张敬宗，王献云，等.谈虚拟仿真实验教学中心建设中的“虚实结合”原则［J］.甘肃科技，2017，33（03）：50-53.

基金项目：天津城建大学教育教学改革与研究项目（JG-YBZ-1949）；天津城建大学教育教学改革与研究项目（JG-YB-22130）；天津市科技特派员项目（20YDTPJC01540）

作者简介：朱飞（1983— ），男，江苏徐州人，硕士，实验师，研究方向：大学物理理论与实验教学研究。