学分制下虚实结合的大学物理实验教学改革研究.pdf

学分制下虚实结合的大学物理实验教学改革研究张定梅袁蒋再富袁戴伟袁侯兰宝渊荆楚理工学院 数理学院袁湖北 荆门 448000冤摘要院为解决传统实验教学受实验场地尧设备老旧尧台套数等因素的限制袁纯虚拟仿真实验不利于学生物理背景的理解和动手能力的培养的问题袁构建了虚实结合尧虚实互动的实验教学新模式袁将实验预习尧线下讲解尧线上线下操作尧数据处理与实验报告融为一体袁让学生全方位尧多维度理解实验内容遥 通过线下实操和线上虚拟的互动袁弥补了当前大学物理实验教学的不足袁并对大学物理实验项目进行了优化袁提高了实验教学质量遥关键词院大学物理实验曰虚实结合曰学分制曰教学改革中图分类号院O4-33文献标志码院A文章编号院1008-4657(2023)04-0091-06收稿日期院2023-03-11基金项目院中国高等教育学会高等教育科学研究规划课题渊22LK0318冤曰湖北省高等教育学会共同体建设项目渊2022XD71冤曰 荆 楚 理 工 学 院 教 学 研 究 项 目 渊JX2021-039冤曰 教 育 部 产 学 合 作 协 同 育 人 项 目渊220603584290130袁202102575034冤曰湖北省教学研究项目渊2022450冤曰中国高校产学研创新基金项目渊2021LDA12006冤作者简介院张定梅渊1981-冤袁女袁湖北江陵人袁荆楚理工学院副教授袁硕士袁主要研究方向院非线性光学尧大学物理实验教学袁电子邮箱院遥0引言大学物理实验是大学理工科专业开设的一门公共基础课程袁 对于培养学生科学素养和动手能力起着至关重要的作用遥 地方应用型高校的仪器设备的数量尧更新换代率尧设备的时效性制约了该门课程的教学袁不利于应用型尧创新型人才的培养遥近年来袁国内很多高校针对大学物理实验课程的教学模式改革进行了大量研究袁取得了一定的成效咱1-10暂遥 近年来袁随着互联网技术的发展袁野互联网+教学冶的模式进入了高校的视野遥其中虚实结合尧线上线下混合的大学物理实验教学模式的研究是一个热点遥例如袁姬鹏飞等咱11暂分析了传统实验教学与虚拟仿真实验教学的优劣势问题袁优化了虚实结合的实验教学模式遥 康小平等咱12暂提出了分层次尧模块化的虚实结合大学物理实验教学新模式遥 甘亮勤等咱13暂分析了大学物理实验教学改革必要性袁提出网络教学与线下实践相融的实验教学模式遥 魏薇等咱14暂构建了虚实结合的 BOPPPS实验教学新模式袁显著提高了大学物理实验的教学质量遥 谭佐军等咱15暂提出了虚拟仿真预习与开放实验室预习有机结合的新实验教学模式袁提高了学生学习兴趣和预习质量遥 以上研究各有侧重点袁并结合自己的学校特点对虚实结合大学物理实验教学进行了探索袁但系统性和普适性不足遥1传统实验教学的困难荆楚理工学院大学物理实验课程在 2017 年就实施了选课制袁并对全校理工科学生开放遥 课程总共48 学时袁3 个学分袁学生选课成功并确定班级后由一个教师上课遥虽然选课制调动了学生的学习积极性袁并促进了各个专业的交流与融合袁但在实际教学中也遇到了一些难题遥第 38 卷第 4 期灾燥造.38 晕燥.4荆楚理工学院学报Journal of Jingchu University of Technology圆园圆3 年 8 月Aug.圆园圆3911.1选课制制约了分级教学由于学生来自于不同的学院和专业袁专业侧重和学生基础不尽相同袁这给教学带来了困难遥 由于选课前没有进行物理基础知识测试袁也没有对学生进行分级袁学生随机选定一个教学班级上课袁无法对学生进行分层尧分级教学遥 虽然荆楚理工学院在制定教学大纲时已经对教学内容进行了分级袁也对不同专业的实验项目进行了区分和优化袁但选课制的实施阻碍了分级教学的推进遥1.2设备老旧制约了实验教学实验设备台套数不足尧老化也是制约传统实验教学的关键因素遥荆楚理工学院的大学物理实验设备大多数的使用年限已经超过五年袁设备老化严重袁台套数也不足遥加上最近几年本科生数量的增加袁实验中心已经是超负荷运转袁虽然进行了实验室开放袁但依然满足不了学生的需求遥 特别是无法保证学生的实验预习袁导致很多学生在课内时间内无法完成实验遥其次袁由于学生预习不充分袁在实验的过程中无法按照流程进行实验袁导致仪器损坏遥 例如野分光计的调节及使用冶实验袁分光计锁紧螺丝未打开就进行调节袁导致误差不断增大袁并且三棱镜损坏也比较严重遥再例如野电表的改装及校准冶实验袁学生未按照电路图规范连接电路袁导致短路烧坏电表或者电表指针打弯袁这都给实际教学带来了困扰遥 目前这两个实验项目由于台套数不足袁已经无法开出遥2纯虚拟仿真实验的不足疫情期间袁由于学生无法返校袁我们使用某品牌的大学物理实验虚拟仿真平台进行了线上教学遥 虽然学生按照要求完成了实验项目袁但反馈回来的实验效果并不理想袁主要表现在以下两点遥2.1对实验的物理背景理解不深刻虚拟仿真实验项目是在纯虚拟的环境下进行的袁里面的实验仪器都是以三维动画的形式呈现袁很多学生为了节省时间袁在没有预习的情况下就进行了实验操作袁当遇到不会操作的时候袁学生就直接查看操作流程指导遥 没有仔细体会物理实验的本质袁最后造成期末考核的时候对仪器不熟悉遥2.2对学生的动手能力培养培养不足虚拟仿真实验操作实际上是靠学生点击鼠标完成的袁与线下的实验操作存在差别遥线下的实验操作主要由实验预习尧理论讲解尧操作讲解尧动手实验尧数据处理等环节构成遥 学生在实际实验操作过程中会遇到一些问题袁通过问题的解决能够加深对物理原理尧实验装置的理解遥 例如袁在做野密里根油滴冶实验时袁落到油滴室里的油滴在显示屏上会斜着运动袁这时就要思考是不是试验仪器没有调平或者 CCD 探头的角度选得不合适遥同时也会遇到有的油滴运动得很快袁有的油滴运动得很慢袁油滴怎样选择等问题遥研究发现油滴带的电荷和质量都会影响油滴运动的速度遥而这些问题只有在实际操作过程中才能遇到袁虚拟仿真实验只设置了一些固定场景袁无法完全再现实验中遇到的问题袁因此在动手能力的培养方面有些欠缺遥3虚实结合实验教学的模式构建线下实验和线上虚拟各自的不足袁但同时也有各自的优势院虚拟仿真实验能够在线进行实验操作袁不受场地尧时间的限制袁在疫情期间发挥了较大的作用曰而线下实验能锻炼学生的动手能力袁通过解决实验中遇到的难题来加深对实验的认识袁提升了认知水平袁培养了探究能力遥 在荆楚理工学院学分选课制大环境下如何兼顾线上与线下教学袁并针对学生进行分层分级教学是当前亟待解决的关键问题遥我们通过对 2021 级全校理工类专业学生进行试验袁摸索了一套虚实结合尧虚实互动的大学物理实验教学新模式袁如图 1 所示遥92图 1 虚实结合尧虚实互动的实验教学模式图对于一个新的实验项目袁教师首先发布实验预习通知袁学生在虚拟仿真平台里面进行初步预习袁了解基本实验原理和物理背景遥接下来教师在课堂上进行讲解袁详细介绍实验原理尧操作步骤袁并强调注意事项遥学生可在线上先操作一次袁了解实验的基本操作步骤袁并将仿真中遇到的问题记录下来遥再到实验室进行实操袁解决仿真中的问题袁加深对实验的理解袁并记录数据遥 当线上尧线下操作都完成后便进行数据处理环节遥数据处理先在线上进行袁由于线上处理数据是靠软件计算完成的袁中间过程并不是很清楚遥线下再进行实验报告撰写袁并将线上尧线下处理的结果进行对比袁最终完成一个实验项目的整个流程遥杨氏模的测定是荆楚理工学院新购买的虚拟仿真实验项目袁仿真系统包含实验简介尧实验原理尧实验内容尧实验仪器尧实验指导尧参考资料尧实验演示尧实验操作等模块袁学生可以在仿真系统中预习袁熟悉实验原理袁进行实验初步操作袁并与线下操作进行互动袁提升实验教学效果遥学生首先登录虚拟仿真系统熟悉实验原理尧实验目的尧实验仪器袁了解杨氏模量测定仪渊包括砝码尧光杠杆尧望远镜尧标尺冤的使用方法袁掌握数据处理渊固体杨氏模量公式尧不确定度冤的计算方法遥然后教师进行线下实验讲解袁内容包括固体杨氏弹性模量的公式推导及计算方法尧杨氏模量的物理背景尧光杠杆的使用方法尧望远镜仰俯角的调节方法尧标尺的读数及注意事项等袁让学生全方位了解实验原理和操作步骤遥 紧接着学生在线上进行实验操作袁遇到问题时可询问实验指导教师和实验员袁掌握虚拟系统里面每个功能按键的使用和调节遥 然后结合线上操作遇到的问题再进行线下操作袁其中光杠杆的调节要细致袁仰俯角的细微的差别会影响标尺在望远镜中的读数遥 其次袁加砝码的时候要按照顺序加减袁避免出现回程误差遥 当实验仪器调节好后袁便可记录数据遥 最后是处理数据袁线上处理数据需要利用软件进行袁虽然过程不直观袁但准确度较高遥 可将线上尧线下结合袁确保计算结果的准确性遥对于实验考核袁我们采用虚拟仿真考核和线下操作考核相结合的形式进行遥其中虚拟仿真考核包含基础原理测试题尧数据处理题和实验项目操作题袁占总成绩的 40豫遥 同时线下也要进行考核袁一般是选取一个已经做过的实验项目进行袁需要学生记录数据并撰写实验报告袁并考查学生的操作情况袁占总成绩的 60豫遥我们也对实验项目进行了优化袁如表 1 所示袁实验项目包含了力学尧电磁学尧光学中的内容袁并且分为验证性尧综合性和探究性实验遥表 1 优化后的大学物理实验项目表序号实验项目名称实验类别教学形式1长度测量验证性虚实结合2杨氏模量的测定渊拉伸法冤综合性虚实结合3刚体转动惯量的测定综合性线下实验4声速的测定综合性虚实结合93序号实验项目名称实验类别教学形式5惠斯通电桥测电阻综合性线下实验6光电效应综合性线下实验7霍尔效应探究性虚实结合8示波器原理及使用综合性线下实验9单摆验证性虚实结合10等厚干涉现象的研究渊牛顿环冤验证性线下实验11铁磁材料磁滞回线测量综合性线下实验12数字万用表的原理及使用综合性线下实验13密里根油滴实验探究性虚实结合14单缝衍射综合性仿真实验15透镜成像综合性仿真实验16驻波实验探究性仿真实验续表 1结合我们现有的实验仪器和虚拟仿真项目袁设置了线下实验尧虚实结合实验和虚拟仿真实验遥其中袁包含七个线下实验袁采用传统的教学完成遥六个虚实结合实验袁需要按照图 1 的教学模式进行遥三个仿真实验袁只需在网上完成实验项目遥 由于目前只是虚实结合实验教学探索阶段袁没有将所有项目设置为虚实结合实验袁随着条件成熟袁我们将全面推广遥4虚实结合实验教学的效果每届我们从全校理工科学生里面挑选 12 组参加湖北省大学生物理实验创新大赛袁图 2 给出了连续六届的获奖情况遥图 2 湖北省物理创新大赛获奖情况柱状图由图 2 可知袁2022 年我们实施虚实结合大学物理实验教学以后袁 实验教学质量明显提高袁 可以看出袁前五届获三等奖以上数量基本上保持在 3 项左右袁其他基本上是优秀奖遥 但是在实施了虚实结合的实验教学后袁获奖数量明显增加遥 并且 2022 年获得了一等奖一项袁由计算机学院的学生获得袁实现了荆楚理工学院参赛以来的大的突破遥因此袁采用虚实结合尧虚实互动的教学模式袁大学物理实验的教学质量明显提高了遥图 3 展示了近五年该门课程学生评教的平均分和实验平均成绩情况遥94图 3 20182022 年学生评教分数和实验平均成绩变化图如图 3 所示袁大学物理实验课程采取虚实结合的教学模式后袁学生的平均分和学生的满意度都有一定提高袁2020 年尧2021 年学生的平均成绩有所下降袁这主要是疫情期间有一半的实验项目采取纯虚拟仿真教学造成的袁但在 2022 年实施新的实验教学模式后袁平均成绩提高到了 85 分袁说明学生的学习积极性有所提高遥 此外袁从图中学评教的平均分来看袁采用新的模式教学后袁虽然每名教师的授课有所差异袁但学生的整体满意度提高了遥5总结传统线下实验教学受选课制尧场地尧设备尧时间等因素的影响袁纯虚拟仿真实验教学也表现出物理背景理解不深刻袁动手能力欠缺等弊端袁为了解决此问题袁我们提出了虚实结合尧虚实互动的大学物理实验教学新模式遥新模式是将实验预习尧教师讲解尧线上操作尧线下操作尧线上实验数据处理尧线下实验报告有机融合袁线上虚拟和线下实操进行互动袁弥补传统教学和纯虚拟教学的不足遥此外袁构建了虚实结合的实验项目袁增强了学生的学习兴趣袁提升了实验教学水平遥通过湖北省物理创新大赛尧学评教以及学生平均成绩进行检验袁发现虚实结合的新模式有效地提高了实验教学质量遥参考文献院咱1暂 欧阳建明,彭刚,罗剑,等.大学物理实验混合式教学改革与实践要要要以国防科技大学物理实验教学为例咱J暂.物理通报袁2021渊8冤院108-110.咱2暂 谭明袁李辉袁李聪袁等.充分认识大学物理实验课的意义,提高大学物理实验课的教学质量咱J暂.大学物理实验袁2019袁32渊6冤院136-138.咱3暂 钟志军袁丁琦.大学物理演示实验室服务社会初探要要要以西安航空学院大学物理实验中心演示实验室为例咱J暂.西安航空学院学报袁2017袁35渊3冤院94-96.咱4暂 赵辉.关于大学物理实验课程教学方法的改革与实践咱J暂.黑龙江科技信息袁2012渊27冤院193.咱5暂 王倩袁张建祥袁高国棉袁等.野新工科冶背景下大学物理实验教学中课程思政的探索与实践咱J暂.大学物理实验袁2022袁35渊5冤院145-148.咱6暂 秦玉娇袁李勤玉.新工科背景下大学物理实验课程教学改革与探索咱J暂.中国现代教育装备袁2022渊19冤院92-94.咱7暂 李永涛袁张红光袁陈伟袁等.大学物理实验课程创新教学改革与实践咱J暂.大学物理实验袁2021袁34渊5冤院122-124.咱8暂 刘金秀袁贺小伟袁张景川袁等.新工科建设背景下大学物理实验教学改革探讨咱J暂.新疆农机化袁2021渊5冤院43-45.咱9暂 郑志远袁高华袁黄昊翀袁等.新形势下大学物理实验考核方式的多元化探索与实践咱J暂.物理与工程袁2021袁31渊5冤院147-151.咱10暂 陶灵平袁孙赟袁程小燕.BOPPPS 教学模式在大学物理实验中的应用咱J暂.集成电路应用袁2021袁38渊9冤院166-167.95版权声明本刊已许可中国学术期刊渊光盘版冤电子杂志社在中国知网及其系列数据库产品中袁以数字化方式复制尧汇编尧发行尧信息网络传播本刊全文遥相关稿酬不再另行支付遥 作者向本刊提交文章发表的行为即视为同意我刊上述声明遥荆楚理工学院期刊社咱11暂 姬鹏飞袁孙现亭袁田明丽.大学物理实验虚实结合实验教学模式的实践与探索咱J暂.大学物理实验袁2021袁34渊1冤院132-134.咱12暂 康小平袁何仲袁赵鲁梅袁等.基于虚实结合的大学物理实验教学模式研究咱J暂.高师理科学刊袁2018袁38渊6冤院101-103.咱13暂 甘亮勤袁王逸平袁穆瑞珍袁等.虚实结合尧网络教学与线下实践相融的大学物理实验教学模式构建咱J暂.大学物理实验袁2021袁34渊2冤院94-97.咱14暂 魏薇袁谭佐军袁刘泉袁等.虚实结合的大学物理实验 BOPPPS 教学模式改革与实践咱J暂.物理实验袁2022袁42渊3冤院47-51.咱15暂 谭佐军袁程其娈袁陈建军袁等.虚实结合混合式大学物理实验预习模式的实践咱J暂.物理实验袁2018袁38渊5冤院40-43.Research on the Reform of College Physics ExperimentTeaching Based on the Combination of Virtual and Realunder the Credit DystemZHANG Dingmei,JIANG Zaifu,DAI Wei,HOU Lanbao渊School of Mathematics and physics,Jingchu University of Technology,Jingmen 448000,China冤Abstract院In order to solve the problem of traditional experimental teaching being limited by factors such as experimentalvenues,outdated equipment,and the number of sets,and the problem that pure virtual simulation experiments are not conducive tostudents understanding of physical backgrounds and the cultivation of hands-on abilities,a new experimental teaching model thatcombines virtual and real elements and interactive virtual and real elements has been constructed,integrating experimental preview,offline explanation,online and offline operation,data processing,and experimental reports,enabling students to comprehensivelymultidimensional understanding of experimental content.Through offline practice and online virtual interaction,the shortcomings ofcurrent college physics experimental teaching have been made up,and the projects of the college physics experimental have beenoptimized to improve the quality of experimental teaching.Key words院Physics;college physics experiments;virtual with reality;credit system;teaching reform咱责任编辑院许立群暂96