工科物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)實(shí)踐

劉維慧，孟麗華，于　陽(yáng)，李　婧，張　曉，王學(xué)水，張魯殷

(山東科技大學(xué)，山東 青島　266590)

*通訊聯(lián)系人

工科物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)實(shí)踐

劉維慧，孟麗華，于陽(yáng)，李婧，張曉，王學(xué)水，張魯殷*

(山東科技大學(xué)，山東 青島266590)

摘 要：本文介紹了山東科技大學(xué)工科物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)歷程。虛擬方正實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以山東省實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心為依托，以創(chuàng)建國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為契機(jī)，通過(guò)圍繞大學(xué)物理虛擬仿真平臺(tái)的建設(shè)，從普通物理實(shí)驗(yàn)、近代物理實(shí)驗(yàn)和專(zhuān)業(yè)物理實(shí)驗(yàn)等幾個(gè)方面展開(kāi)系列工作，并提出虛實(shí)結(jié)合，有實(shí)有虛，實(shí)缺虛補(bǔ)的方針，對(duì)本校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面建設(shè)所存在的問(wèn)題及取得的成績(jī)做了詳細(xì)的敘述。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

山東科技大學(xué)2001年開(kāi)始在青島建設(shè)新校區(qū)，2002年大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心由泰安校區(qū)搬遷到青島校區(qū)，實(shí)驗(yàn)室面積由原來(lái)的1000平方米擴(kuò)大到5800平方米，并建立了工程物理實(shí)驗(yàn)室，同年底學(xué)校對(duì)原有的實(shí)驗(yàn)室整合為一體，正式成立了工科物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。原大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室于1999年被山東省教委評(píng)為“山東省一類(lèi)實(shí)驗(yàn)室”。中心于2004年1月被山東省教育廳批準(zhǔn)為“山東省高等學(xué)?；A(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”

長(zhǎng)期以來(lái)，中心堅(jiān)持“以學(xué)生為本、以能力培養(yǎng)為核心，樹(shù)立融知識(shí)、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展”的教學(xué)理念，以“夯實(shí)基礎(chǔ)、重視應(yīng)用、激勵(lì)創(chuàng)新、提高素質(zhì)”為教學(xué)方針，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容方面進(jìn)行了一系列改革，加強(qiáng)了與工科專(zhuān)業(yè)密切相關(guān)的工程物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。中心根據(jù)各專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，建立了“地礦與測(cè)繪模塊”、“機(jī)械與材料模塊”、“電氣信息模塊”等等7大模塊的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，不同的模塊開(kāi)設(shè)了不同的工程類(lèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。中心承擔(dān)著資環(huán)學(xué)院、地科學(xué)院、土建學(xué)院、信電學(xué)院、信息學(xué)院、機(jī)電學(xué)院、化工學(xué)院、材料學(xué)院和交通學(xué)院等19個(gè)學(xué)院70多個(gè)本科專(zhuān)業(yè)5000多名學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的必要性

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是本科生進(jìn)入大學(xué)校門(mén)后接觸的第一門(mén)實(shí)驗(yàn)課，也是第一門(mén)比較完善、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課，更是一門(mén)公共基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課。這門(mén)實(shí)驗(yàn)課對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的實(shí)驗(yàn)知識(shí)、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)技能、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度、積極的創(chuàng)新精神以及分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力至關(guān)重要[1]。同時(shí)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)也為本科生以后的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)打下良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，所以各高校對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也相當(dāng)重視。但是，在實(shí)際教學(xué)中，許多重要的實(shí)驗(yàn)都受到環(huán)境(比如污染嚴(yán)重不能接觸操作)、成本(大型精密實(shí)驗(yàn)儀器無(wú)法購(gòu)買(mǎi))、空間(采礦專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)無(wú)法無(wú)法真實(shí)反應(yīng)實(shí)際環(huán)境及核物理實(shí)驗(yàn)不可進(jìn)入原子內(nèi)部進(jìn)行操作)等的限制，導(dǎo)致理論與實(shí)際無(wú)法結(jié)合，這就需要大力加強(qiáng)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)。特別是三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)放，不但突破了時(shí)間空間的限制，解決了資金的不足，還可以逼真的展現(xiàn)實(shí)際實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，受到越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)教師及學(xué)生的肯定[2-5]。

教育部在2013年提出的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》中，啟動(dòng)了在全國(guó)高校開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)任務(wù)。為貫徹落實(shí)《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》(教高〔2012〕4號(hào))精神，本文提出虛實(shí)結(jié)合，有實(shí)有虛，實(shí)缺虛補(bǔ)的原則，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)我校物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。

2我校物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)壳敖ㄔO(shè)成效及不足

2009年，我校工科物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心被山東省評(píng)為省級(jí)示范實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，深度融合學(xué)科專(zhuān)業(yè)與信息技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容開(kāi)始投入建設(shè)。在全國(guó)高校大力發(fā)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的今天，我校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)上不斷加強(qiáng)：

2.1物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目特色鮮明

雖然經(jīng)典大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目全國(guó)各高?；鞠嗤?，但是各高校的專(zhuān)業(yè)或課程情況不同，即特色專(zhuān)業(yè)不同，物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)體現(xiàn)本校特色。針對(duì)這種情況，根據(jù)我校專(zhuān)業(yè)設(shè)置，特別是特色專(zhuān)業(yè)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ囊?，我?shí)驗(yàn)中心在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)方面，以常規(guī)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，補(bǔ)充了相關(guān)知識(shí)的擴(kuò)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。比如，固體熱膨脹系數(shù)的測(cè)量是常規(guī)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，也是我校幾個(gè)特色專(zhuān)業(yè)的學(xué)生必修的實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，我們擴(kuò)展該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加了鋼與鐵的拉伸與壓縮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，彎曲正應(yīng)力電測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)及彎扭組合正應(yīng)力電測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等項(xiàng)目，作為網(wǎng)上選修內(nèi)容，供幾個(gè)特色專(zhuān)業(yè)的學(xué)生選修，提高他們的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α５湫偷幕A(chǔ)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與特色專(zhuān)業(yè)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目列表如表1所示，更多的體現(xiàn)與我校特色專(zhuān)業(yè)聯(lián)系緊密的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

表1　特色專(zhuān)業(yè)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)與基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)照表

我校前身是礦業(yè)學(xué)院，特色專(zhuān)業(yè)是采礦工程、資源環(huán)境及地球物理等。根據(jù)這些專(zhuān)業(yè)對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的要求，我物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心相應(yīng)地設(shè)置礦下氣體濃度測(cè)量、光纖傳感等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目的仿真過(guò)程都詳細(xì)介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)方法、儀器操作及應(yīng)用領(lǐng)域，幫助這些專(zhuān)業(yè)的學(xué)生提前打好相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。

2.2物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不斷加強(qiáng)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)包括軟件平臺(tái)和硬件平臺(tái)建設(shè)，軟件平臺(tái)的建設(shè)又包括虛擬仿真網(wǎng)站的建設(shè)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件的開(kāi)發(fā)。我校自2007年本科教學(xué)水平評(píng)估以來(lái)，虛擬仿真中心網(wǎng)站不斷得到完善。學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)前通過(guò)網(wǎng)絡(luò)完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)后及時(shí)鞏固以及實(shí)驗(yàn)興趣的擴(kuò)展等工作。目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站內(nèi)容建設(shè)較為豐富，包括實(shí)驗(yàn)的開(kāi)課管理、典型實(shí)驗(yàn)庫(kù)的維護(hù)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排、實(shí)驗(yàn)過(guò)程的智能指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的自動(dòng)批改、實(shí)驗(yàn)成績(jī)統(tǒng)計(jì)查詢(xún)、數(shù)字化資源管理、師生互動(dòng)交流和系統(tǒng)管理等子系統(tǒng)。網(wǎng)站首頁(yè)如圖1所示，網(wǎng)址為http://gkwlxnfz.sdust.edu.cn。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件的開(kāi)發(fā)方面，以擴(kuò)展性、兼容性和共享為原則，在與企業(yè)合作開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)教師開(kāi)發(fā)與自己科研相關(guān)的特色虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，使科研成果得以向教學(xué)成果轉(zhuǎn)化。網(wǎng)站首頁(yè)如圖1所示。

a) 網(wǎng)站首頁(yè)；b)選課界面；c)在線虛擬實(shí)驗(yàn)列表圖1　我校工科物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)站

2.3物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍不斷壯大

為加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍，我校從政策及人才引入上給予大力支持。學(xué)校設(shè)立新光工程學(xué)術(shù)帶頭人崗位，公開(kāi)招聘有實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)及創(chuàng)新能力的中心主任主管實(shí)驗(yàn)中心。制定了人才引進(jìn)政策，引進(jìn)有物理背景的教授、博士、碩士進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)與教學(xué)；經(jīng)過(guò)10年左右的建設(shè)，我實(shí)驗(yàn)中心物理虛擬仿真教學(xué)人員從無(wú)到有，而且逐步形成了教學(xué)、科研、技術(shù)人員緊密結(jié)合，核心骨干人員相對(duì)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)合理的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，而且也形成了一支教育理念先進(jìn)，學(xué)術(shù)水平高，教學(xué)科研能力強(qiáng)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富，勇于創(chuàng)新的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理隊(duì)伍。

2.4物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)管理體系不斷完善

物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)管理體系包括：網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的管理與維護(hù)和師生對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教與學(xué)。我中心實(shí)行校、院兩級(jí)管理，中心主任負(fù)責(zé)制。以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開(kāi)放共享和充分使用為目標(biāo)，系統(tǒng)制定并有效實(shí)施保障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師工作績(jī)效考核、經(jīng)費(fèi)使用管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心維護(hù)與可持續(xù)發(fā)展等政策措施，建立有利于激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)和提高學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)效果考核、評(píng)價(jià)和反饋機(jī)制。內(nèi)容詳見(jiàn)中心網(wǎng)址http://gkwlxnfz.sdust.edu.cn。

2.5虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)發(fā)展中所存在的問(wèn)題

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)方面，缺少精通自主開(kāi)發(fā)虛擬軟件的教師，造成自主開(kāi)發(fā)力度不足。更能體現(xiàn)我應(yīng)用物理特色專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如太陽(yáng)能發(fā)電實(shí)驗(yàn)、原子物理實(shí)驗(yàn)、全息照相實(shí)驗(yàn)及金屬鍍膜實(shí)驗(yàn)等在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)較少。當(dāng)前，全國(guó)高校對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)正處于一種亢奮狀態(tài)，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是大勢(shì)所趨，如何在全國(guó)諸多高校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)中脫穎而出，就需要與我校特色專(zhuān)業(yè)建設(shè)相結(jié)合，所以特色專(zhuān)業(yè)的優(yōu)秀科研成果向虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)換應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)，否則會(huì)成為我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目發(fā)展的死角。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)方面，我校與企業(yè)的聯(lián)系較少，應(yīng)大力發(fā)展校企共建共管的合作模式，保障資金與技術(shù)的投入。

3結(jié)束語(yǔ)

我校工科物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)和發(fā)展仍是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作，需要管理者及專(zhuān)職實(shí)驗(yàn)教師不斷自我創(chuàng)新實(shí)踐，及時(shí)總結(jié)并學(xué)習(xí)其它高校的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。本著虛實(shí)結(jié)合，有虛有實(shí)，實(shí)缺虛補(bǔ)的原則，根據(jù)我校專(zhuān)業(yè)特色建設(shè)的內(nèi)容，以培養(yǎng)和提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力和嚴(yán)格的科學(xué)實(shí)驗(yàn)態(tài)度為目標(biāo)，使我校工科物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)不斷完善。

參考文獻(xiàn)：

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The Construction and Practice on Engineering Physics Virtual Simulation Platform of Experiments Teaching

LIU Wei-hui,MENG Li-hua,YU Yang,LI Jing,ZHANG Xiao,WANG Xue-shui,ZHANG Lu-yin

(Shandong University of Science and Technology,Shandong Qingdao 266590)

Abstract：It introduced the construction course of Shandong University of Science and Technology experiment center for virtual simulation teaching.On the base of experimental model center of Shandong Province,constructing a national virtual simulation experiment center as an opportunity to promote the development of college physics virtual simulation.By modern physics,general physics and professional physics,we start our work and put forward the following strategy：virtual-actual combination,having both virtual and actual experiments,virtual experiments making up the lack of actual experiment.We also elaborate the shortage of our development.

Key words：college physics experiment；virtual simulation experiment；experimental platform construction

收稿日期：2015-09-28

基金項(xiàng)目：山東科技大學(xué)“群星計(jì)劃”(qx2013355，GJ201304)

文章編號(hào)：1007-2934(2016)02-0138-04

中圖分類(lèi)號(hào)：G 420

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.037