物理仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用

【摘" 要】本文通過(guò)分析當(dāng)前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些不足，結(jié)合物理仿真實(shí)驗(yàn)自身所具有的特點(diǎn)，闡述了物理仿真實(shí)驗(yàn)在我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)" 仿真實(shí)驗(yàn)" 教學(xué)改革

【中圖分類號(hào)】G642""""""" 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A"""""""" 【文章編號(hào)】1674-4810（2015）32-0062-03

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，在對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度、提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力等方面有著不可替代的作用。

本文主要就是針對(duì)我校傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些不足之處，結(jié)合物理仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)分析其在我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用。

一 當(dāng)前我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足

1.實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)效果不理想

學(xué)生上實(shí)驗(yàn)課前都要預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告，但由于學(xué)生面對(duì)的是條條框框的物理公式、枯燥的文字描述和毫無(wú)立體感的平面圖，對(duì)即將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、步驟和實(shí)驗(yàn)儀器都無(wú)法很好地理解和領(lǐng)會(huì)，更不要說(shuō)實(shí)驗(yàn)操作中需要注意的相關(guān)事項(xiàng)以及改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的其他方式方法。為了完成老師布置的任務(wù)，大多數(shù)學(xué)生都會(huì)選擇盲目抄襲實(shí)驗(yàn)教科書(shū)或者抄襲已經(jīng)完成的預(yù)習(xí)報(bào)告，無(wú)法達(dá)到預(yù)習(xí)的效果。另外，由于課時(shí)的限制上課時(shí)老師也無(wú)法通過(guò)提問(wèn)逐一檢查每個(gè)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。長(zhǎng)此以往，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)越來(lái)越不重視，形成一種應(yīng)付了事的學(xué)習(xí)態(tài)度。

2.教學(xué)的方式單一，教學(xué)的手段過(guò)時(shí)

在傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中，基本上都是實(shí)驗(yàn)課堂上實(shí)驗(yàn)教師簡(jiǎn)單地講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮?，接著演示?shí)驗(yàn)操作，最后在教師的指導(dǎo)下讓學(xué)生自己動(dòng)手操作完成實(shí)驗(yàn)。這種言傳身教的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，使學(xué)生常常處于被動(dòng)接受的狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)也變得比較枯燥無(wú)味，影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。這種教學(xué)方式不但不能提高教學(xué)質(zhì)量，更加不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，不利于學(xué)生的獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3.實(shí)驗(yàn)資源有限，設(shè)備不足

近些年來(lái)，隨著我校的招生規(guī)模大幅度擴(kuò)大和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)這門(mén)課程愈來(lái)愈受到重視，使大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。一方面是實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的頻繁使用，損耗嚴(yán)重，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備更新完全跟不上實(shí)際需求;另一方面是實(shí)驗(yàn)儀器的數(shù)量和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等教學(xué)資源的不足，導(dǎo)致學(xué)生不得不多人一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而且由于時(shí)間的限制不能讓每個(gè)同學(xué)都親自操作一遍實(shí)驗(yàn)，很大程度上影響了物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。另外，一些近現(xiàn)代的物理實(shí)驗(yàn)儀器價(jià)格很昂貴，因此開(kāi)設(shè)的物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不得不有所保留，這樣的結(jié)果就是讓學(xué)生不能完整地、系統(tǒng)地學(xué)習(xí)物理知識(shí)。

二 物理仿真實(shí)驗(yàn)的概念及特點(diǎn)

1.概念

所謂物理仿真實(shí)驗(yàn)是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立一個(gè)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境一樣的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓實(shí)驗(yàn)者可以在其中進(jìn)行各類物理實(shí)驗(yàn)操作的一種當(dāng)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式。雖然整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程是由計(jì)算機(jī)程序軟件運(yùn)行完成的，但是更加方便學(xué)生在了解物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程的同時(shí)，有效地分析實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

2.特點(diǎn)

中國(guó)科技大學(xué)研制的“大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)”系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）模擬了實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)的整體環(huán)境。具有熟悉儀器、儀器使用說(shuō)明和操作實(shí)驗(yàn)儀器等功能，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)從局部到整體建立起直觀的認(rèn)識(shí)。（2）提供了具有高度真實(shí)感的界面，實(shí)現(xiàn)了儀器的模塊化。學(xué)生可對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行選擇、組合、拆卸和調(diào)整，對(duì)同一個(gè)實(shí)驗(yàn)操作可用不同的實(shí)驗(yàn)方法完成。實(shí)現(xiàn)了物理仿真實(shí)驗(yàn)的可設(shè)計(jì)性和虛擬儀器的可操作性，這有利于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思考能力。（3）具有誤差模擬功能。對(duì)同一個(gè)實(shí)驗(yàn)可以調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件和待測(cè)樣品參數(shù)等，從而得出不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)還能對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以評(píng)判實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的優(yōu)劣。（4）模擬了實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程。物理仿真實(shí)驗(yàn)以實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想作為指導(dǎo)，通過(guò)解剖教學(xué)過(guò)程對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力。學(xué)生必須在理解的基礎(chǔ)上通過(guò)思考才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，克服在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的盲目操作和實(shí)驗(yàn)“走過(guò)場(chǎng)”的現(xiàn)象，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平。（5）拓展了與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)的理論內(nèi)容、歷史背景和意義、現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用等方面的知識(shí)，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

三 物理仿真實(shí)驗(yàn)在我校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用

根據(jù)當(dāng)前我校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足之處，結(jié)合物理仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，我?？山⑽锢矸抡鎸?shí)驗(yàn)室，在學(xué)校的教學(xué)管理系統(tǒng)中建立物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，把物理仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

1.改善預(yù)習(xí)狀況，增加學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率

物理仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器的結(jié)構(gòu)及操作、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟均有詳細(xì)的講解，并針對(duì)每一版塊設(shè)置了題目。課前要求學(xué)生必須進(jìn)入學(xué)校教學(xué)管理系統(tǒng)中的物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)，在學(xué)生閱讀和理解了實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容后，通過(guò)回答提出的問(wèn)題來(lái)檢驗(yàn)其對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容的理解情況，如果學(xué)生回答有錯(cuò)誤，系統(tǒng)將給出提示，直到學(xué)生能正確回答問(wèn)題后才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，最后根據(jù)學(xué)生操作的步驟和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)判斷學(xué)生是否達(dá)到預(yù)習(xí)的要求，對(duì)于達(dá)不到要求的給出提示，直達(dá)達(dá)到要求為止。物理仿真實(shí)驗(yàn)相對(duì)于實(shí)驗(yàn)課本提供了直觀、豐富的學(xué)習(xí)環(huán)境，聲音配合圖像，簡(jiǎn)單有序的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容幫助學(xué)生從多方面進(jìn)行學(xué)習(xí)，這樣必然會(huì)增大學(xué)生的興趣，調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)積極性。另外，經(jīng)過(guò)物理仿真實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)，讓實(shí)驗(yàn)操作更加輕松，把實(shí)驗(yàn)老師從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的冗長(zhǎng)講解中解放出來(lái)，給學(xué)生更多的實(shí)踐操作時(shí)間，極大地提高了教學(xué)效率。

2.改善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)受時(shí)間和空間限制的狀況

在以往的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，每節(jié)實(shí)驗(yàn)課通常只有2個(gè)課時(shí)或者3個(gè)課時(shí)，很難在有限的時(shí)間之內(nèi)要求學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)且達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?shí)驗(yàn)效果不理想。特別是對(duì)于一些實(shí)驗(yàn)難度大、設(shè)備要求高的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很難在短時(shí)間內(nèi)理解實(shí)驗(yàn)原理、熟悉實(shí)驗(yàn)儀器、掌握實(shí)驗(yàn)操作，而且課后學(xué)生也無(wú)法對(duì)實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行復(fù)習(xí)。應(yīng)用物理仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可在任何時(shí)間任何地點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中長(zhǎng)期受課時(shí)、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制和干擾，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容在時(shí)間和空間上得到延伸。

3.減少實(shí)驗(yàn)室對(duì)硬件資源的需求

在實(shí)物實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)操作不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)儀器損壞，嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)，無(wú)形中增加了實(shí)驗(yàn)儀器的維護(hù)費(fèi)用。但是，物理仿真實(shí)驗(yàn)的虛擬性完美地解決了這個(gè)問(wèn)題，即便學(xué)生操作失誤，也不會(huì)造成任何儀器損壞，更不會(huì)發(fā)生實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)，即使多次反復(fù)使用，也不會(huì)出現(xiàn)儀器的損耗問(wèn)題。另外，由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器昂貴、教育經(jīng)費(fèi)緊張，使得一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無(wú)法開(kāi)設(shè)，對(duì)于一些無(wú)法開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以通過(guò)物理仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解和實(shí)驗(yàn)演示，這樣在很大程度上緩解了實(shí)驗(yàn)室硬件資源的不足。

4.有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/p>

在實(shí)物實(shí)驗(yàn)時(shí)由于時(shí)間及安全問(wèn)題，對(duì)于一些復(fù)雜的、危險(xiǎn)性高的實(shí)驗(yàn)不允許學(xué)生自行改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)。而物理仿真實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可以自主設(shè)置實(shí)驗(yàn)參量、反復(fù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)儀器后，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這有助于培養(yǎng)學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

5.促進(jìn)教學(xué)改革

利用物理仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革，采用物理仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的二段式教學(xué)模式。第一階段學(xué)生課前通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)，而且必須達(dá)到系統(tǒng)的預(yù)習(xí)要求;第二階段學(xué)生課堂內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立完成實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作。經(jīng)過(guò)物理仿真實(shí)驗(yàn)的全面預(yù)習(xí)后，讓實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作更加輕松快捷，把實(shí)驗(yàn)教師從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的冗長(zhǎng)講解中解放出來(lái)，給學(xué)生更多的實(shí)踐操作時(shí)間，把學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)真正的返還到學(xué)生的手里，讓學(xué)生積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。

四 總結(jié)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)因?yàn)槲锢矸抡鎸?shí)驗(yàn)的引入應(yīng)用，很大程度上提升了學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)課的積極主動(dòng)性，給傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)增添了新的生命和活力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供了新的教學(xué)模式。但是物理仿真實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的能力等方面有所欠缺，所以物理仿真實(shí)驗(yàn)替代不了實(shí)際實(shí)驗(yàn)，它只能作為輔助教學(xué)的一種工具。在實(shí)際教學(xué)中，我們應(yīng)該將仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，更好地服務(wù)于教學(xué)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平。

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〔責(zé)任編輯：林勁、李婷婷〕