“层次化”虚拟仿真实验在《大学物理实验》教学中的应用与实践

朱海丰，张亚萍，张令坦，马红章，韩立立，李 静

(中国石油大学(华东) 理学院，山东 青岛 266580)

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，为适应高等教育人才培养的新要求、信息化时代教学的新规律[1-3]，从2013年开始的百所国家级虚拟仿真实验教学中心建设[4]，到2017年开始的千个国家级虚拟仿真教学实验项目的建设[5]，再到2018年开始万门“金课”的打造(含虚拟仿真课程)，均按照《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》的要求[6]，大力推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，以加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，提高高等教育实验教学质量和实践育人水平[7]。

虚拟仿真技术的推广应用对实验教学效果的提升具有较高可想维度。依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，可打破实验室资源、实验时空的限制，能够丰富实验教学内容、优化实验教学形式，降低实验仪器损坏率，可模拟操作昂贵大型精密仪器设备，引导学生对实验的学习兴趣，增强学生的创新原动力等[8-10]。

但实验的本质是基于一定的思想或目的，通过一定的实验方法和手段，来获取经验事实和检验科学假说、理论，实验的结果通常会受到多重因素的影响，实验过程中存在的变数不定，而往往从某些不确定性中能得到重要结论，这是实验科学的意义所在，但这种变数在虚拟实验中很难有所体现或者说是很难能够充分体现。教育部关于虚拟仿真实验项目建设中明确提出“能实不虚”的原则，从这点看，虚拟仿真实验和实体实验在培养学生实验能力及发散思维能力等方面存在着一定的矛盾，但同时原则中也提出“虚实结合、相互补充”的要求，实践教学中引入虚拟仿真实验的教学形式，其终极目的是应用虚拟仿真实验资源，在利用虚拟仿真实验教学的同时，不能冲突实体实验教学的主体地位。在当前我国高等教育多学科繁荣发展，基础学科教学学时被压缩的大背景下，如何保障学生在各类物理实验课程中的培养质量，充分利用虚拟仿真实验的优势，扬长避短，契合“虚实结合、相互补充”则是实践教学信息化建设中的重点[11]。

以虚拟仿真物理实验教学资源“建设好—使用好—管理好—效果好”为目标，将虚拟仿真资源建设与教学应用落到实处，实现虚拟实验和实体实验教学相长，构建虚拟+实体+远程的立体化实验教学体系，将“层次化”虚拟仿真物理实验在《大学物理实验》分类分层次教学体系中具体实施，弥补实践教学不足，提高学生学习兴趣，增强实验学习体验度，为引导学生开展创新实验研究提供内容拓展保障[12]，提升教学质量。

1 “层次化”虚拟仿真资源

按照我校“三三三”本科教育培养体系，结合不同专业培养计划及培养目标，大学物理实验课程实施基础实验—综合实验—设计实验—创新训练的分类分层次教学体系，并以层次化的工科基础实验室—理科实验室—专题实验室—创新实验室有效支撑该教学体系运行。按照国家及学校对信息化平台建设的要求，对虚拟仿真实验资源也进了层次化设计建设，包含基础+综合仿真实验+虚实结合的远程控制实验—设计性仿真实验—服务创新性课题研究的大型精密仪器及大型综合训练项目的仿真实验，“层次化”虚拟仿真物理实验教学体系结构，如图1所示。

图1 “层次化”虚拟仿真物理实验教学资源示意图

其中基础+综合仿真实验+虚实结合的远程控制实验模块包含基本测量仪器仿真操作及60项基础综合性仿真实验，基本涵盖目前开设的大部分实体实验项目，虚实结合的远程控制实验主要包括PN结物理特性研究、电学元件伏安特性、光强分布测量、磁场分布测量、金属电子逸出功5个实验项目；光电设计性仿真实验模块含电学综合设计实验平台一个；大型精密仪器及大型综合训练仿真实验模块含3个大型精密仪器SEM、TEM、PPMS仿真实验和2个大型综合训练“液晶器件制备及性能测量”和“微波等离子体薄膜制备”共5个项目。虚拟仿真资源的学习使用不受时空限制，同时依托建设完成的虚拟仿真实验室可开展以各类虚拟仿真资源为基础的既定学时实验授课，仿真实验室为虚拟仿真课程开设提供保障，如图2所示。

图2 信息化仿真实验室

图2是一个涵盖开放式基础虚拟仿真实验学习、远程控制实验学习、VR虚拟仿真实验体验、创新式自主设计仿真实验训练、线上网络资源学习及虚拟仿真实验教学一体化的信息化教学实验室。

2 教学应用实施

按照层次化设置的虚拟仿真实验资源，将基础类、综合类、远程控制类虚拟仿真实验，现代光电技术仿真设计实验平台，大型精密仪器虚拟仿真实验有针对性的对应现有大学物理实验系列课程的教学实施。

2.1 基础类、综合类虚拟仿真实验在大学物理实验教学中的应用

基础类、综合类虚拟仿真实验在实际教学过程中具有以下两个功能：①辅助现有实验教学项目的教学，提高既定实验项目的学习质量及效果；②丰富拓展实验教学内容，拓展学生物理知识面；从而为提高学生的实验能力，培养学生物理与其他学科相结合的创新实验开展奠定良好基础。基础类虚拟仿真实验资源含部分物理实验基本测量仪器的仿真操作，仿真实验项目18项，综合类虚拟仿真实验资源设计力学、热学、电学、光学、近现代物理等范畴的项目60项，如图3所示。

按照现行实体实验模块式教学模式，将基础类、综合类虚拟仿真实验资源按专业特点进行模块式划分，并纳入实验教学中，即大学物理实验课程的计划教学含虚拟仿真和实体实验教学两部分。针不同专业实施4学时的虚拟仿真实验教学，按模块化虚拟仿真资源的设置实施3-4个虚拟仿真实验项目的学习，学生线下完成所学项目的考核，考核结果作为该门课程最终评定成绩的一部分。

图3 基础类、综合类虚拟仿真实验资源

2.2 虚实结合的远程控制实验在大学物理实验、理科物理实验教学中的应用

虚实结合的远程控制实验不同于单纯的虚拟仿真实验，远程控制实验是通过过虚拟的仪器控制面板远程控制真实的实验仪器，全程视频实时观察真实实验仪器运行状态，获取真实实验数据，可更加充分的体现仿真实验与真实实验的互为补充[13]。目前，可开放运用实验教学的远程控制实验有“PN结物理特性研究、电学元件伏安特性、光强分布测量、磁场分布测量、金属电子逸出功”五个项目，如图4所示。

图4 虚实结合的远程控制实验资源

远程控制实验在实际教学过程中具有以下两个功能：①物理实验的拓展内容学习；②预约既定实体实验的补充辅助学习。24小时对学生实施全开放，采用排队使用模式，前序网络申请人优先使用，后序申请人按请求顺序排队，只有前序使用人完成实验退出后，后序申请人才可使用。任何学生个体均可远程网络申请相关实验项目的学习，先以虚拟仿真实验学习为准备基础，后以网络远程控制形式完成实体实验。

2.3 仿真设计实验平台在大学物理实验、大学物理综合设计实验教学中的应用

虚拟仿真实验一般是基于实际实验运行过程或真实实验数据开发，虚拟仿真实验是实际实体实验的模拟或部分模拟，具有既定的模式，如通过高仿真度的虚拟实验设备，进行虚拟的实验项目自主设计，那么虚拟仿真实验的实际应用意义更大。图5为电学仿真设计实验平台，内含多种虚拟电学器件，可根据不同的使用需求、功能进行虚拟电学实验的设计开发。电学仿真设计平台具有可在虚拟仿真环境中进行综合仿真电学实验设计的功能。对电学类必做专业学生，要求其以电学仿真实验平台为基础设计复现已学习过的某个电学实验项目或自主设计新的相关电学实验一个，作为课程论文考核部分，对仅完成电学实验的仿真复现，得出仿真实验结果的，按原标准考核权重进行课程最终成绩评定；对完成电学虚拟仿真实验设计，并在实验室完成实体实验验证的，按1个既定实验项目成绩进行最终课程成绩评定。

图5 电学设计仿真实验平台

2.4 大型精密仪器及大型综合训练虚拟仿真实验在创新物理实验教学中的应用

大型精密实验仪器是开展科学实验研究或创新实验研究的重要保障条件，但由于大型精密仪器操作复杂、成本高、台套数少、配件耗材昂贵等原因，使其难以进行量大面广的教学实施，开发大型仪器设备的虚拟仿真项目并应用于实践辅助教学，可有效提高实验设备利用率、降低实际设备使用故障率，消除学生使用畏难情绪，激励学生运用大型仪器设备开展相关创新实验研究的主动性。如图6所示，大型仪器设备的虚拟仿真实验具有对学生进行大型精密设备及大型综合训练项目实际应用前的培训，从而为学生开展创新实验研究奠定基础的功能。针对物理专业、理科实验班及部分全校各工科专业学生，实施以基于教师科研方向的教师发布创新研究课题和学生自拟研究课题，以1名指导教师和2～3名学生为一团队的创新实验教学模式，将大型仪器设备的虚拟仿真实验纳入32学时的物理实验创新训练课程，在开展相关创新实验研究前，由指导老师使用大型精密仪器及大型综合训练虚拟仿真实验资源对学生进行实验前培训。

图6 大型精密仪器及大型综合训练仿真实验

3 教学评价及效果

引导学生积极利用虚拟仿真实验资源辅助实验学习，充分发挥出虚拟仿真实验辅助实验教学的优势，提高实验教学质量，对学生能够进行虚拟仿真实验学习的考核评定，并计入学生课程最终成绩中是一种有效的激励手段。将现应用的实体实验教学管理系统及虚拟仿真实验管理系统对接，使学生基本信息一致，可实现对学生在大学物理实验各类课程体系中“虚实结合”实验学习的综合成绩评定，如图7(a)、(b)所示，在明确的课程要求及有效的成绩评定体系下，学生在开展实体实验前进行虚拟仿真实验学习的主动性提高，有效提升学生对各类实验课程的学习质量，如图7(c)、(d)所示。经近几个学期的教学应用，学生对虚拟仿真实验的学习使用已逐渐接受并认可，特别是在2020年新冠肺炎疫情期间，以虚拟仿真实验资源为依托的教学实施成了完成正常教学任务的主要手段之一。

图7 实体实验教学管理系统

图8(a)为学生对虚拟仿真实验学时使用的反馈评价统计，可以看出，通过对虚拟仿真实验的学习能够有效达到学生对所学实验的原理、内容的理解，实验操作及数据处理方法的掌握，再结合实体实验的学习，可切实提高实验教学及实验学习的质量。

图8(a) 学生对虚拟仿真实验学习评价

此外，在疫情期间，在应开设的创新训练实验课程受限情况下，学生对于自主开发虚拟仿真实验的意愿增强，这也是所鼓励和希望的，通过学生自主开发虚拟仿真实验，不仅可节约仿真实验开发成本，解决专业开发公司开发周期过长的问题，丰富本单位虚拟仿真实验资源，更重要的是通过学生自主开发，可增强学生对所学实验的深层次理解，提高学生的实际工程应用能力，激发学生的创新实验思维，图8(b)为学生自主开发的模拟法测绘静电场虚拟仿真实验，并基于该项目获得了山东省物理科技创新大赛一等奖和全国大学生物理实验竞赛参赛资格，极大激发了学生开展虚拟仿真实验开发的积极性。

图8(b) 学生自主开发虚拟仿真实验

4 结 语

虚拟实验自身具有一定的局限性，在培养学生实际实验能力方面，不能够完全替代实体实验，但虚拟仿真实验的学习具有不受时空限制，学生自主性强的优势，因此，引导激励学生有效利用虚拟仿真实验资源，发挥出仿真实验自身优势，切实实现对实体实验教学的高效辅助性则是至关重要的。以丰富的、层次化设置的虚拟仿真实验资源为依托，将其引入到明确的课程体系之中，在完善的综合评价体系下，通过虚拟+实体+远程的立体化实验教学开展，保障学生物理实验课程学习的高质量，拓展学生物理知识面，促进学生创新探索研究开展，为虚拟仿真资源的建设及实际教学应用，促进教学模式、教学方法和手段的改革探索提供参考。