基于仿真技術的大學物理實驗教學改革

王溢琴，蘆彩林

（晉中學院信息技術與工程學院，山西晉中030600）

基于仿真技術的大學物理實驗教學改革

王溢琴，蘆彩林

（晉中學院信息技術與工程學院，山西晉中030600）

分析了大學物理實驗的教學現(xiàn)狀，引入了計算機仿真技術，設計了仿真實驗平臺。學生可以在該仿真平臺上完成實驗的預習和復習，并進行虛擬實驗，改善了大學物理實驗的教學效果。

物理實驗課程；仿真技術；虛擬實驗；B/S架構(gòu)

大學物理實驗是本科院校理工類學生必須學習的一門基礎課［1］，開設該課程的目的是培養(yǎng)學生的理論分析能力和實踐動手能力。在實際教學過程中，由于客觀條件和教學時間的限制，學生很難正確掌握實驗方法和實驗步驟，在實驗中往往盲目操作，得到的實驗結(jié)果與書中給出的結(jié)果大相徑庭。為了改變大學物理實驗的教學現(xiàn)狀，一些高校把基于計算機仿真技術的仿真物理實驗［2］引入課堂教學，彌補了傳統(tǒng)實驗教學的不足，取得了一些顯著效果。在教學實踐中，我們借助計算機仿真技術設計了基于B/S結(jié)構(gòu)的仿真實驗平臺，并通過該平臺提高了大學物理實驗的教學質(zhì)量，調(diào)動了學生做實驗的積極性，幫助學生鞏固了所學的物理實驗知識。

1 物理實驗課程的教學現(xiàn)狀

根據(jù)近年的教學實際情況，我們發(fā)現(xiàn)我校的大學物理實驗的教學存在以下三個方面的問題。

1）缺乏教學手段

在實驗前，教師通過灌輸式教學法把實驗內(nèi)容介紹給學生，學生只需做好筆記，寫好操作步驟和預期結(jié)果就算完成了教學任務。在實驗中，指導老師通常事先安排好實驗儀器，學生只需按照書中描述的方法和步驟進行操作，只要結(jié)果與書中描述的一致就算完成了實驗，而不需要充分理解實驗過程和實驗現(xiàn)象。長此以往，學生只會被動接受教師的指令，這不利于學生素質(zhì)和能力的培養(yǎng)。

2）消極對待實驗

由于大學物理實驗的教學缺乏新意，學生片面地認為實驗做不做都無所謂，只要知道結(jié)果就行了。這種學習態(tài)度導致了實驗教學中經(jīng)常出現(xiàn)學生曠課和遲到等現(xiàn)象。

對待實驗的消極態(tài)度還導致學生不仔細觀察實驗現(xiàn)象，不認真思考實驗中出現(xiàn)的問題，不積極創(chuàng)新和改進實驗方法。

3）客觀條件限制

影響實驗教學效果的客觀條件包括兩個方面：一是實驗儀器的損壞、實驗場所的不足和實驗經(jīng)費的匱乏，這導致很多實驗被迫取消；二是在有限的課堂時間內(nèi)，學生既要熟悉各種實驗儀器，又要進行實驗操作，很難有時間分析和思考實驗現(xiàn)象，這也影響著實驗課的教學效果。

2 計算機虛擬仿真技術的引入

隨著圖形圖像、網(wǎng)絡通信和面向?qū)ο蠼５认嚓P技術的發(fā)展，計算機輔助教學（CAI）越來越受到人們的重視。

為了提高大學物理實驗的教學質(zhì)量，調(diào)動學生做實驗的積極性，我們在大學物理實驗教學中引入計算機仿真技術，并利用相關軟件設計了仿真實驗平臺。借助該平臺，學生可以逼真地完成大學物理實驗課中的各種實驗。

仿真實驗平臺的引入是傳統(tǒng)實驗教學的有效補充。該平臺具有以下兩個方面的優(yōu)勢：1）教師可以提前把實驗要求、目的和步驟等相關知識發(fā)布在仿真實驗平臺上，把需要使用的實驗儀器、注意事項、預期實驗結(jié)果等內(nèi)容提前告知學生，讓學生對整個實驗過程有一個直觀的認識。通過仿真實驗平臺，學生可以重復做某一虛擬的物理實驗，這大大提高了實驗教學的效率。2）學生能很方便地查閱大學物理學實驗的相關內(nèi)容，并能長時間地了解相關實驗項目。

虛擬仿真技術的引入克服了傳統(tǒng)實驗教學中存在的弊端。學生在仿真實驗平臺上的錯誤操作不會造成虛擬實驗儀器的損壞，也不會造成學生的人身傷害，這不但避免了真實實驗中的安全隱患，而且實現(xiàn)了實驗器材的零損耗，節(jié)省了實驗成本。

目前，國內(nèi)許多高校都在研究和開發(fā)仿真實驗平臺，由于各高校的實際情況、學生結(jié)構(gòu)等存在差異，仿真實驗平臺也不會完全相同。根據(jù)我校的教學實際情況，我們有必要開發(fā)適合我校使用的仿真實驗平臺，這樣才能進一步提高大學物理實驗的教學質(zhì)量。

3 基于B/S結(jié)構(gòu)的仿真實驗平臺設計

3.1 總體架構(gòu)

根據(jù)任課教師和學生提出的教學建議，我們設計了適合我校的大學物理仿真實驗平臺（圖1），并在該仿真實驗平臺上設定了三個角色：學生、教師和管理員。

學生可以通過用戶名和密碼進入本系統(tǒng)中的學生模塊，學生模塊包括實驗前、實驗和實驗后三部分。在實驗前部分，學生通過預習掌握實驗儀器的使用，并對虛擬實驗做進一步的了解，為下一步的虛擬實驗做準備；在實驗部分，教師組織學生在規(guī)定的時間內(nèi)，完成虛擬實驗；在實驗后部分，學生分析實驗的結(jié)果和現(xiàn)象，并填寫實驗報告。

教師可以通過工號和密碼進入本系統(tǒng)中的教師模塊，教師模塊包括教學信息發(fā)布子模塊、實驗資料發(fā)布子模塊、實驗結(jié)果管理子模塊和虛擬實驗管理子模塊。教學信息發(fā)布子模塊主要用于發(fā)布教學信息，其作用是提醒學生學習相關的教學內(nèi)容；實驗資料發(fā)布子模塊主要用于公布大學物理實驗的教學大綱、相關課件和注意事項等內(nèi)容，學生只能查閱教師發(fā)布后的實驗資料；實驗結(jié)果管理子模塊主要用于教師評定學生的實驗結(jié)果、實驗心得和實驗成績；虛擬實驗管理子模塊是本平臺的重要組成部分，也是我們設計仿真實驗平臺的一項重要內(nèi)容，通過虛擬實驗管理子模塊，教師可以設置和制作虛擬實驗項目。

管理員可以設置實驗人員的權限，限制實驗人員的數(shù)量，還可以管理新聞公告模塊和互動交流模塊，以更好地為學校師生服務。

圖1 大學物理仿真實驗平臺總架構(gòu)

3.2 仿真實驗平臺中實驗項目的制作

為了保證學生做好仿真實驗，教師需要制作仿真實驗項目，所需要的實驗素材主要從以下三個方面得到。

1）仿真實驗平臺中的“實驗儀器”應與實際使用的實驗儀器一致，這些“實驗儀器”的圖像通過照相機獲得，再經(jīng)過計算機軟件處理，就可以成為仿真實驗平臺中的“實驗儀器”。如仿真實驗平臺中的滑動變阻器（圖2a）經(jīng)PhotoShop軟件處理，得到了動態(tài)的滑片（圖2c）和靜態(tài)背景（圖2b）。

2）為了實現(xiàn)仿真實驗中學生與平臺的交互性，我們增加了動態(tài)元件的響應事件。如在FLASH環(huán)境下，我們增加了滑動變阻器滑片的左右移動操作［3］，設定了移動過程中不同位置所對應的電阻值。

3）實驗儀器的三維圖像可以通過3D Max軟件得到，這種圖像能顯示儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，更好地滿足物理實驗教學的需求。

目前，用于制作仿真實驗項目的軟件還有很多。除了上述軟件外，我們還使用多種技術手段構(gòu)建了仿真實驗項目的場景，保證了這些實驗項目在一般的網(wǎng)頁中就能正常運行，滿足了學生課外的學習需求。

圖2 滑動變阻器

3.3 仿真實驗平臺的特點

在實際教學過程中，我們把仿真實驗平臺安裝在網(wǎng)絡服務器上。該平臺由于采用的是B/S架構(gòu)，對客戶端的軟、硬件要求較低，學生和教師通過網(wǎng)絡瀏覽器就可以訪問該仿真實驗平臺。

雖然大學物理實驗教學中引入的仿真實驗平臺有許多優(yōu)點，但它僅僅是物理實驗教學的一個有效補充。眾所周知，物理學中的許多定理和結(jié)論都來源于實驗，而實驗結(jié)果因受環(huán)境等因素的影響而不會完全相同，這是在仿真實驗平臺上無法實現(xiàn)的。

在真實的實驗環(huán)境中，學生能操作實驗儀器，觀察實驗現(xiàn)象，這與在仿真實驗平臺上移動鼠標、觀看畫面不可同日而語。因此，仿真實驗平臺可以幫助學生做好實驗預習和課后復習［4］，甚至完成虛擬實驗，但卻不能代替真實的實驗。

4 結(jié)束語

在分析大學物理實驗教學現(xiàn)狀的基礎上，我們設計了仿真實驗平臺，這不但降低了設備的購置費用，而且提高了大學物理實驗的教學質(zhì)量。

仿真實驗平臺為學生提供了虛擬的實驗環(huán)境，且不受時間和場地的制約，學生只要能上網(wǎng)就能通過人機交互界面學習大學物理實驗的有關內(nèi)容，并完成仿真實驗。這對于提高學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力是大有好處的。

［1］ 張林，濮興庭，于莉莉，等.大學物理仿真實驗教學的探索與實踐［J］.廣西物理，2012（4）：50-52.

［2］ 裴明旭，劉波.大學物理仿真實驗的應用與反思［J］.江蘇技術師范學院學報，2010（6）：73-76.

［3］ 豐遠.大學物理實驗課程仿真系統(tǒng)的研究和開發(fā)［D］.安徽：合肥工業(yè)大學，2010.

［4］ 劉志遠.大學物理仿真實驗的定位研究［J］.吉林省教育學院學報，2011（11）：133-134.

【責任編輯 王云鵬】

Teaching Reform of University Physics Experiment Based on the Simulation Technology

WANG Yiqin，LU Cailin
（College of Information Technology and Engineering，Jinzhong University，Jinzhong 030600，China）

According to the present teaching status about university physics experiment course，this study system designed the simulation platform by using the computer virtual simulation technology.Students could complete the preview and review in the simulation platform and conduct virtual experiment.In thisway，the effectof physics experimental course was greatly improved.

physics experiment course；simulation technology；virtual experiments；B/Sarchitecture

TP391.9

A

2095-7726（2015）06-0068-03

2014-10-22

山西省高等學校教學改革項目（J2014108）

王溢琴（1980-），女，山西高平人，講師，碩士，研究方向：算法分析、嵌入式技術和云計算。