仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)中的廣泛應(yīng)用

王亞芳 周惟公 蔣 蕓 董愛國(guó)

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）實(shí)驗(yàn)物理示范中心，北京 100083）

仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)中的廣泛應(yīng)用

王亞芳 周惟公 蔣 蕓 董愛國(guó)

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）實(shí)驗(yàn)物理示范中心，北京 100083）

仿真實(shí)驗(yàn)是教學(xué)改革的有力武器，是操作實(shí)驗(yàn)有益的補(bǔ)充.本文介紹了中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）實(shí)驗(yàn)物理示范中心在開設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)過程中取得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).

物理實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革；仿真實(shí)驗(yàn)；考試系統(tǒng)

1 引言

仿真實(shí)驗(yàn)利用計(jì)算機(jī)軟件把實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容、教師指導(dǎo)和學(xué)生的操作有機(jī)地融合起來，能夠模擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和物理現(xiàn)象，為學(xué)生提供直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境，并以聲音、圖像等豐富的表現(xiàn)力幫助學(xué)生進(jìn)行多感官的學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)造力.仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崟r(shí)顯示測(cè)量結(jié)果，并能提供多種實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)計(jì)平臺(tái)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思考能力和比較判斷能力，可以達(dá)到操作實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的效果［1］.

隨著教學(xué)改革的不斷深入，仿真實(shí)驗(yàn)被應(yīng)用到很多高校的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中［2～5］.早于1999年，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）實(shí)驗(yàn)物理中心（以下簡(jiǎn)稱“中心”）就引進(jìn)了仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，并且面向全校理工科大二學(xué)生開設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)，將其作為“中心”開放式教學(xué)平臺(tái)的一個(gè)重要組成部分，近年來，“中心”又嘗試將仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)課程的考核中.本文將介紹仿真實(shí)驗(yàn)在我們“中心”實(shí)驗(yàn)物理課程教學(xué)中的應(yīng)用以及“中心”在教學(xué)過程中取得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).

2 仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)中的應(yīng)用

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)中心自2005年成立以來，一直堅(jiān)持“以學(xué)生為本”的改革思路，樹立了“能力與素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)踐與創(chuàng)新全面提高”的教學(xué)理念，并形成了自主開放的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系.其中，仿真實(shí)驗(yàn)既是“中心”實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)的重要組成部分，同時(shí)也是“中心”進(jìn)行開放式教學(xué)以及考核方式改革的一個(gè)重要途徑［6，7］.

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

“中心”使用的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)開發(fā)設(shè)計(jì)的軟件［8］，該軟件可以提供從力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、近代物理實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容豐富的實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求自己搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行探索實(shí)驗(yàn).我們通過實(shí)踐教學(xué)發(fā)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)可以解決很多操作實(shí)驗(yàn)不能解決的問題，是實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)有益的補(bǔ)充.

仿真實(shí)驗(yàn)可以解決學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的“黑匣子”困惑.在實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)中，由于有些實(shí)驗(yàn)題目涉及精密儀器，學(xué)生只能看到儀器的外觀，對(duì)于內(nèi)部構(gòu)造的了解只能通過老師的講述或者圖片來實(shí)現(xiàn)，很容易給學(xué)生造成“黑匣子”困惑.仿真實(shí)驗(yàn)就可以解決這一問題，通過仿真平臺(tái)能夠讓學(xué)生很直觀地看到儀器的組成部件，讓他們更加了解儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣；仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于它不會(huì)造成實(shí)驗(yàn)儀器的損壞，因此能夠鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行大膽實(shí)踐，反復(fù)調(diào)試，從而有利于學(xué)生深入理解實(shí)驗(yàn)原理，進(jìn)行探索性研究.另外，仿真實(shí)驗(yàn)由于不受儀器的限制，比較容易更新實(shí)驗(yàn)題目，這樣就有利于學(xué)生接觸學(xué)科前沿，開闊視野.

通過我們這幾年的教學(xué)，發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生對(duì)于仿真實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出很濃烈的興趣，課后反應(yīng)非常好，在有些同學(xué)的實(shí)驗(yàn)小結(jié)里，他們認(rèn)為“仿真實(shí)驗(yàn)是一種全新的實(shí)驗(yàn)手法，打破了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，更加強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)驗(yàn)方法，能夠讓實(shí)驗(yàn)者主動(dòng)學(xué)習(xí)，通過仿真實(shí)驗(yàn)，雖然未接觸儀器，但讓我對(duì)物理思想、方法、儀器結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理的認(rèn)識(shí)，都較之前的實(shí)際實(shí)驗(yàn)有了很大的提高，而且避免了對(duì)貴重儀器的損害，總之，收獲頗多”，“我個(gè)人認(rèn)為仿真實(shí)驗(yàn)更加增添了我對(duì)研究物理實(shí)驗(yàn)的興趣，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過程中我們必須認(rèn)真考慮每一個(gè)細(xì)節(jié)，從實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備到數(shù)據(jù)處理”.除了學(xué)生外，很多教育界前輩也對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)給予很高的評(píng)價(jià)，認(rèn)為仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟谙喈?dāng)程度上彌補(bǔ)由于實(shí)驗(yàn)儀器復(fù)雜、精密昂貴，不能允許學(xué)生進(jìn)行反復(fù)調(diào)試的缺陷，值得大力推廣.瑞典烏普薩拉大學(xué)副校長(zhǎng)，諾貝爾物理委員會(huì)主席在參觀我們“中心”的仿真實(shí)驗(yàn)室時(shí)，也表現(xiàn)出了極大的興趣.

2.2 開放平臺(tái)

“中心”自成立后一直面向全校學(xué)生開放，其中仿真實(shí)驗(yàn)是我們“中心”開放式平臺(tái)的一個(gè)重要組成部分，在“中心”的網(wǎng)站上，學(xué)生可以自由下載仿真實(shí)驗(yàn)軟件，隨時(shí)進(jìn)行預(yù)習(xí)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn).我們?cè)趯?shí)踐中體會(huì)到，仿真實(shí)驗(yàn)本身的特點(diǎn)決定了它是開放式學(xué)習(xí)最有利的工具.

首先，仿真實(shí)驗(yàn)用于開放平臺(tái)可以解決實(shí)驗(yàn)室開放所需要考慮的開放時(shí)間和值班人員工作量問題；另外，由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備需要的資金投入很多，很多學(xué)校的教學(xué)資源并不能滿足學(xué)生成才的需求，仿真實(shí)驗(yàn)在相當(dāng)程度上可以彌補(bǔ)這方面的缺陷，使學(xué)生的學(xué)習(xí)不再受課堂、課時(shí)以及儀器的限制，使得大面積的學(xué)生都能夠接觸到有較高水平的開放性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn).另外，由于網(wǎng)絡(luò)的普及，現(xiàn)在的學(xué)生很多課余時(shí)間都花在網(wǎng)絡(luò)上，打游戲，聊天都成為他們上網(wǎng)的主要活動(dòng)，仿真實(shí)驗(yàn)在一定程度上可以讓一種非常積極正面的探索活動(dòng)占用學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間.這樣既可以使物理實(shí)驗(yàn)在空間上和時(shí)間上得到延伸，又解決了學(xué)生課余進(jìn)行科學(xué)研究與探索的需求.

2.3 實(shí)驗(yàn)物理考試

考核方式對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)具有導(dǎo)向性作用，沒有合理的考核方式，就很難激勵(lì)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)畢竟是一門實(shí)驗(yàn)課程，是以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力為主要目標(biāo)的，如果在考核中不強(qiáng)調(diào)實(shí)際操作，就很難實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo).但是實(shí)現(xiàn)真正意義上的操作考試，在操作層面上有一定的難度.我們“中心”曾經(jīng)嘗試將操作考試引入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的考試當(dāng)中.這樣的操作考試問題也很突出，首先由于是學(xué)生自主操作，很容易造成儀器的損壞；即使不考慮儀器的損壞率，由于實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)目的限制，可供學(xué)生參加考試的題目有限，又不可能讓所有的學(xué)生都能同時(shí)參加操作考試，難免會(huì)出現(xiàn)題目泄露的現(xiàn)象，雖然我們會(huì)定期改變?cè)嚲砗透淖儾僮鲀?nèi)容，但是由于每次參加考試的學(xué)生人數(shù)有限，安排考試的次數(shù)過多，不可能做到每次的內(nèi)容都完全不同，從而出現(xiàn)不公平的現(xiàn)象.

于是，將仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)物理考試成為“中心”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課考核方式改革的重要內(nèi)容之一.首先，仿真實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大批量的學(xué)生同時(shí)進(jìn)行考核，不再受儀器數(shù)目的限制；可供選擇的題目增加；而且不用擔(dān)心由于沒有老師的指導(dǎo)而造成實(shí)驗(yàn)儀器的損壞.其次，由于仿真實(shí)驗(yàn)的模擬性，仿真實(shí)驗(yàn)可以較好地考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解程度和他們的實(shí)踐操作能力.另外，仿真實(shí)驗(yàn)中計(jì)算機(jī)對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)可以減少同學(xué)之間互相抄襲數(shù)據(jù)，讓考試變得更加公平、公正.我們通過實(shí)踐之后認(rèn)為仿真實(shí)驗(yàn)除了可以用于實(shí)驗(yàn)物理課程的考試外，還可以用于大面積的地區(qū)性或者全國(guó)性的大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理競(jìng)賽的初試選拔.

3 結(jié)論

通過實(shí)踐，我們“中心”意識(shí)到仿真實(shí)驗(yàn)除了可以用于日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)，彌補(bǔ)有些學(xué)校因?yàn)橛布O(shè)備受限而不能很好完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題，還有利于學(xué)生進(jìn)行自主開放學(xué)習(xí)，另外，仿真實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行大面積的實(shí)驗(yàn)物理考核領(lǐng)域的前途也是非常光明的，除了便于推廣普及外還具有很強(qiáng)的可操作性.總之，仿真實(shí)驗(yàn)是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有益的補(bǔ)充，是大學(xué)物理課程改革有力的工具.

［1］ 譚守標(biāo)，霍劍青，王曉蒲.計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)在大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，（3）：113～115.

［2］ 董海寬，費(fèi)英.大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討［J］.渤海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，29（1）：80～82

［3］ 蔡青.仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革［J］.成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，113～115

［4］ 葛智勇，毛巍威.仿真技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.科技信息，2009，15，144

［5］ 王曉蒲，楊博，殷志明等.實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)［J］.大學(xué)物理，1997，16（6）：21～23

［6］ 鄭志遠(yuǎn)，周惟公，蔣蕓等.物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)和體會(huì)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007，（6）：72～74

［7］ 鄭志遠(yuǎn)，周惟公，詹志飛.提高工科大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2007，（3）：14～16

［8］ 王曉蒲，霍劍青.大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)2.0For Windows［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1999

WIDE APPLICATION OF SIMULATION EXPERIMENT
SYSTEM DURING THE TEACHING OF EXPERIMENTAL PHYSICS

Wang Yafang Zhou Weigong Jiang Yun Dong Aiguo
（The Center of Experimental Physics，China University of Geosciences，Beijing 100083）

Simulation experiment is a powerful weapon of the teaching reform and it is the useful supplement for operation experiment.This paper presents the practical experience obtained from the establishment of simulation experiment by the Center of Experimental Physics，China University of Geosciences，Beijing.

experimental physics；teaching reform；simulation experiment；examination system

2011－10－11）

國(guó)家課指委項(xiàng)目（WKZW－2010－06－HB），中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）教學(xué)研究和教學(xué)改革項(xiàng)目.

王亞芳（1980年出生），女（漢），寧夏，博士，講師，研究方向：實(shí)驗(yàn)物理教學(xué).