倪静 徐秀莲

[摘 要] 大学物理实验混合式教学采用线下宅家实验和线上虚拟仿真实验相结合的形式。宅家实验是利用智能手机的多种传感器和Phyphox软件相配合，居家完成物理实验;仿真实验利用虚拟仿真系统线上完成实验。作为一种新的教学模式，目前在大学物理实验教学中的应用越来越广泛。同时，针对实验教学中存在的问题以及应对措施进行系统总结，为进一步将混合式实验教学列入正常教学计划奠定基础。实践证明，开发虚实结合的物理实验，对激发学生兴趣、提高教学质量有显著效果。

[关键词] 大学物理实验;混合式教学;教学方案;宅家实验;仿真实验

[基金项目] 2014—2016年青年科学基金项目“基于复杂网络方法研究蛋白质分子体系功能运动的别构机制”（11305139）

[作者简介] 倪 静（1974—），女，江苏扬州人，学士，扬州大学物理科学与技术学院实验员，主要从事大学物理实验管理和教学研究;徐秀莲（1978—），女，江苏姜堰人，博士，扬州大学物理科学与技术学院副教授，主要从事复杂网络方面的研究。

[中图分类号] G642.41    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）20-0153-04   [收稿日期] 2021-02-08

新冠疫情爆发后，教育部于2020年2月4日印发了《关于疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》，决定在全国高校实施在线教学，其中既包括理论课，也包括实验课。指导意见发布后，各地高校快速响应，按照“停课不停教、停课不停学”的要求，制订在线教学方案。

一、教学方案

面对疫情，特别是实验课程，脱离了实验室能不能进行在线教学？怎样进行在线教学？在线教学效果如何？这些问题对全体实验指导教师而言都是一次全新的探索和挑战。大学物理实验是一门实践性课程，不等同于理论课教学，其教学的核心任务是通过对仪器设备的具体操作，达到锻炼学生动手能力、培养学生实验素养的目的。作为省级教学示范中心，物理学院实验教学中心面向全校理、工、农、医、广陵学院近30个专业开设大学物理实验课程。

在实验课程停摆的四周里，大学物理实验教学团队迅速行动起来，通过开展线上线下教学研讨，借鉴学习全国高校优秀经验，统一思想，最终制订了线上实验和线下实验相结合的混合式教学方案，采用网络录播+宅家实验+虚拟仿真+钉钉群答疑的教学模式[1-4]。网络录播用于绪论课，讲授数据处理的方法、实验理论及操作的讲解、实验结束后的问题总结，全方位助力学生理解实验原理、完成实验操作、解决实验中出现的问题。宅家实验主要采用智能手机+Phyphox软件，由学生准备少量的实验器材，自主搭建实验装置，宅家完成实验的各个环节，通过对数据的分析，进一步深入理解实验原理。虚拟仿真实验使用了“科大奥锐虚拟仿真实验平台”，在计算机上用虚拟仿真技术模拟实验现实效果，学生不离家即可完成实验。课程团队教师除了每天在评论区点评互动之外，还利用钉钉群随时解答学生实验过程中出现的问题，加强与学生的互动交流。

二、实验内容

（一）宅家实验简介

特殊时期，学生离校在家，无法利用学校的实验设备完成实验。在这种情况下，我们需要转变思路，充分利用身边的设备完成物理实验。智能手机的普及为我们开展宅家实验提供了条件。现在的智能手机除了常用的麦克风、扬声器、相机、GPS定位系统，还自带多种传感器，如压力、光强、加速度、湿度、磁力、距离、重力、温度传感器等，配合一款基于智能手机的软件——Phyphox，就可以直接访问手机的传感器，并将原始数据和结果一起导出并进行分析，也可用电脑控制手机采集实验数据，通过Phyphox网站的网页编辑器建立实验视图。同学们可以根据不同传感器的功能完成不同的实验。相关传感器原理及应用见表1。

依据教学大纲要求，共开设了7个宅家实验，分别是：用手机屏幕光栅衍射测激光波长、影响光照度的可能因素探究、单丝衍射、用单摆测量重力加速度、透镜焦距的测量、多普勒效应的研究、节拍现象研究。下面以多普勒效应实验为例，介绍宅家实验。Phyphox软件包含“音频发生器”，它可以发出0～20000Hz单一频率、连续可调、无杂音的声音;还包括“音频自相关”，可以显示声音的波形与频率，作为测量声音频率的仪器。利用家里的椅子、棉线、两部智能手机，就可以完成多普勒效应实验。两部手机实现相对运动：一部手机作为声源（3000Hz）固定不动;另一部手机作为接收装置，靠近声源或远离声源时，接收到的波形和频率都会发生变化，实验效果非常明显，验证了多普勒效应。所测频率如图2、3所示。

实验前，将讲义上传至群文件，包括实验原理、实验内容及详细的操作步骤，方便学生提前预习，避免实验过程中出现误操作的现象。实验过程中出现问题，学生通过钉钉群随时提问，师生互动讨论解决问题，确保每位学生完成实验的所有环节。

（二）仿真实验简介

仿真实验不需要普通意义上的实验器材，仅利用仿真技术，建立虚拟实验环境，学生可以在這个环境中自行设计实验方案、拟定实验参数、操作仪器，模拟真实的实验过程，营造了自主学习的环境。仿真实验不受时间和地域的限制，随时可以完成线上实验。

本中心引进了“科大奥锐虚拟仿真系统”。该系统是国内第一套虚拟现实型的教学软件，目前已推出多个版本。它分为力学、热学、光学、电学、电磁学和近代物理六大类共计59个实验。

本次选择了7个与现用物理实验教材[5]内容一致的虚拟仿真实验，分别是：落球法测定液体的黏度、三线摆法测刚体的转动惯量、基本电学参数测量、迈克耳孙干涉仪、示波器实验、声速的测量、用拉伸法测杨氏模量。各专业的学生先通过软件熟悉实验原理、实验内容、实验仪器、实验步骤，然后点击开始实验，通过拖动鼠标连接仪器、设定参数、调节仪器、观察实验现象以及记录实验结果，实验过程如图4所示。

虚拟仿真实验具有三大特点：（1）实用性——紧贴实验教学大纲，完全服务实验教学;（2）可操作性——模拟真实的实验环境、操作简单、互动性好;（3）准确性——不受实验环境影响，实现虚拟实验“零误差”。实验自带操作指导，学生可以对实验结果进行自测。虚拟仿真系统为学生提供了自由的学习环境，为学生离校在家实验提供了可能。

三、问题及经验总结

春季学期面向全校理、工、农、医、广陵学院共54个班1987人开设宅家实验和仿真实验，根据不同专业、学时的教学要求，安排完成不同的实验。

在线实验教学开设以来，主要存在实验项目设置及教学管理、仿真实验软件的系统兼容两方面比较突出的问题。下面分别进行阐述。

（一）实验项目设置及教学管理的问题

1.本次共开设了14个实验，涉及7个力学实验、5个光学实验、2个电学实验和8个近物实验。力学和光学实验偏多，没有兼顾到电学和热学。

2.上课时间问题：在线实验教学由于涉及54个班级的学生，每位指导教师负责一两个实验，也就是说，每位教师要面对54个班级的学生，每班的上课时间也不一样，很难在同一时间面对所有学生直播实验课程讲解。

3.实验器材问题。宅家实验对实验器材有一定的要求，由于涉及学生人数多，每位学生的具体情况也各不相同，会有部分学生存在无电脑、无网络、无快递、无智能手机等情况。

4.作业提交问题。教师要求每位学生按要求将实验报告和实景照片保存到一个PDF文件中，规定统一的文件命名格式，但是总有少部分学生不按要求提交，导致教师接收不到这部分学生的实验报告。

针对以上四方面问题，提出了如下的解决方法：（1）实验项目应涵盖力、热、光、电四大类，接下来，14个实验项目做如下调整：力学4个，光学4个，电学4个，热学1～2个、电磁学1～2个。（2）教师采用录课的形式，将每个实验的重点和难点做详细讲解，录制成视频，放在群文件里，每位学生可根据自己的时间，随时听教师的讲解。（3）对于部分确实有困难无法完成在线实验的学生，统一安排下学期返校后到实验室做常规实验补上。（4）充分调动班长及课代表的积极性，以班级为单位，由班长或课代表将全班作业收齐，打包发给指导教师。缺做实验的学生登记说明情况，以方便开学以后在实验室安排补做实验。

（二）仿真实验软件的系统兼容问题

仿真实验是鼓励学生使用远程登录来完成，在安装过程中会出现各种各样的问题，如提示指定路径或磁盘上找不到文件，提示Windows已保护你的电脑无法操作，安装过程中出现乱码，启动Windows update服务时提示拒绝访问，控制面板中勾选3.5安装时Windows无法完成请求的更改，组件存储已损坏等。对于技术性问题，我们与科大奥锐的技术人员联系，建立一个扬州大学虚拟仿真系统问题讨论群，这样学生遇到系统问题就可以点对点由科大奥锐的客服解决，确保仿真实验系统正常运行。

虚拟仿真实验在软件开发过程中，可以考虑由各学校依据自己的情况和需求进行二次开发，方便增加实验项目，更换仿真实验仪器，使之更加符合实验教学需要，成为实验学习的好帮手。

四、结语

线上线下混合式实验教学已然成新趋势。当前的教学改革对很多师生而言，相当于一场混合式教学的“启蒙运动”。在这次教学实践中，呈现出两个新变化：改变了教师的“教”，教师的教学信息素养空前提高;改变了学生的“学”，从单纯的知识传递转变为增进师生互动，全面提升了知识、能力、素质。

在此次混合式教学实践中，我们积累了一些宝贵经验。如何将取得的成果推广到今后的实验教学工作中，实现从“新鲜感”向“新常态”转变，这是我们接下来需要做的工作。结合我校多学科、多校区的特点，混合式实验教学凸显出时空不受限的优势。

1.学生看课件会比以往坐在教室里更清晰，听教师讲课会更清楚。如果课程设计得当，互动效果会更好。

2.混合式实验教学解决了我校校区分散、学科门类广的问题。学生可以在不同校区自主选择设计实验，足不出校園，就可以在线完成实验。

3.混合式实验教学以宅家+仿真实验的形式呈现，宅家实验趣味性、可操作性强，虚拟仿真实验内容丰富、选择范围广。以上特点很好地满足了部分文科学生对物理实验的需求。同时，教师和学生经过疫情期间教与学的磨合，有了在线教学的经验，为下学期开设文科生物理实验的选修提供了可能。

目前，我们还在不断丰富和完善混合式实验教学方案，致力于线上线下混合实验平台的建设，期待有更多、更好的线上实验涌现，进一步推动混合式实验教学向纵深发展。

参考文献

[1]张增明.64学时大学物理实验线上教学方案及设计思路[J].物理与工程，2020，30（2）：1-4.

[2]张昉旋，程敏熙，张华.基于智能手机的多普勒效应演示实验教学设计[J].物理教学，2018，40（10）：77-80.

[3]张林.虚拟仿真技术对大学物理实验教学影响的探究[J].大学物理实验，2015（2）：116-118.

[4]谭守标，霍剑青，王晓蒲.计算机虚拟技术在大学物理仿真实验教学系统中的应[J].中国科技大学学报，2005，35（3）：429-433.

[5]周岚.大学物理实验[M].苏州：苏州大学出版社，2010.

Discussion on the Application of Mixed Experiment Teaching in College Physics Teaching

NI Jing， XU Xiu-lian

（School of Physical Science and Technology， Yangzhou University， Yangzhou， Jiangsu 225009， China）

Abstract： The hybrid teaching scheme for college physics experiments a teaching mode which combines offline home experiment and online virtual simulation experiment. Here， home experiment uses various sensors of smart phones and Phyphox software to complete physical experiments at home， and the virtual simulation system is used to complete the experiment online. As a new teaching mode， it is widely used in the teaching of College Physics experiment at present. Besides， the problems and solutions in experimental teaching are systematically summarized， which builds a foundation for further adding the blended experimental teaching into the normal teaching plan. It has been proved by practice that the development of the virtual and real combined physical experiments has a remarkable effect on stimulating students' interest and improving teaching quality.

Key words： College Physics experiment; mixed teaching; teaching scheme; home experiment; simulation experiment