信息化技術在大學物理實驗中使用效果的研究與思考

王亞芳，蔣 蕓，周惟公，董愛國，張自力，鄭志遠

（中國地質大學（北京）數(shù)理學院物理實驗教學示范中心，北京 100083）

教學改革

信息化技術在大學物理實驗中使用效果的研究與思考

王亞芳，蔣 蕓，周惟公，董愛國，張自力，鄭志遠

（中國地質大學（北京）數(shù)理學院物理實驗教學示范中心，北京 100083）

信息化技術已經(jīng)在中國地質大學（北京）物理實驗教學示范中心應用了近20年，為了了解這些技術手段在學生中的認同程度和給他們學習帶來的效果，本文針對部分已經(jīng)充分體驗過所有信息化環(huán)節(jié)的學生進行了問卷調查.統(tǒng)計結果顯示雖然學生在意識層面對信息化技術具有很高的認同點，認為對他們的學習有積極的作用，但是在實際行動層面，卻存在很多問題，感覺有困難，不適應等，針對這些問題本文最后給出了建議.

信息技術；大學物理實驗；調查問卷；教學環(huán)節(jié)

大力推進信息技術在教學過程中的普遍應用，促進信息技術與學科課程的整合，充分發(fā)揮信息技術的優(yōu)勢，為學生的學習和發(fā)展提供優(yōu)良的學習環(huán)境和有力的學習工具，這是教育研究和探索的熱點［1，2］.英國的所有高等學校早在1989年就開始實施“計算機用于教學創(chuàng)新”（Computers in Teaching Initiative，簡稱CTI）的龐大計劃.這個計劃的目標就將信息技術與教育有機結合起來，實現(xiàn)對高等教育的全面變革，包括教學模式、教學方法、教學內容和教學結構.至今，已有24門學科不同程度地實現(xiàn)了這種變革，影響頗深［3］.1993年，美國政府提出以發(fā)展網(wǎng)絡技術和計算機技術的應用為核心，推行基于信息技術的教育改革，改革現(xiàn)行的教育體系，他們認為這項改革應該成為21世紀政府的主要工作，屬于“國家信息基礎建設”［4］.目前，信息技術已經(jīng)被逐步應用在高等教育中，包括多媒體輔助教學、網(wǎng)絡選課、遠程控制儀器、在線交流、MOOC等各個方面.

隨著信息技術在教育領域應用的不斷發(fā)展，物理實驗教學也成為信息技術延伸的一部分.在這一領域，我們國家的教育工作者一直在做著不懈的努力，中國科技大學物理實驗中心聯(lián)合奧瑞公司［5］、長春大學［6］、上海交通大學物理實驗中心、同濟大學物理實驗中心等幾所學校的物理實驗中心都在開發(fā)和使用仿真軟件，最早的嘗試是1995年已經(jīng)開始應用于教學的仿真實驗系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)貫穿整個教學鏈，包括預習、操作、復習和考核環(huán)節(jié).

中國地質大學（北京）物理實驗教學示范中心早在1995年就開始使用中國科技大學開發(fā)的物理實驗仿真軟件，根據(jù)我們中心開設的實驗內容，主要使用的仿真實驗題目有：動態(tài)法測楊氏模量、分光計調節(jié)、聲速測量、邁克爾孫干涉儀等.在這20年間，我們中心做了很多的嘗試和改革，試圖將信息技術應用于物理實驗教學的全過程.比如我們中心率先建立中心網(wǎng)站，實現(xiàn)物理實驗課的全校網(wǎng)絡選課，實驗課件和預習資料的網(wǎng)絡化，以及課堂仿真實驗操作，課程考核和測試［7-9］.這些改革舉措對于學生的自主學習和成績提高有明顯的促進作用［10］，我們實驗中心多次召開“物理實驗信息技術教學研討會”，將我們的經(jīng)驗和成果向北京及周邊各高校進行輻射，起到示范的作用.

為了更好的了解學生對仿真軟件的接受程度和實際效果，仿真實驗在大學物理課程各個教學環(huán)節(jié)的使用情況，我們對部分已經(jīng)使用過仿真實驗系統(tǒng)學習和考核的2013級理工科學生做了問卷調查.根據(jù)這些問卷的結果，本文對我們實驗中心這些年來使用仿真系統(tǒng)的收獲和目前存在的問題進行了分析和討論.

1 調查問卷結果

這次調查針對大二已經(jīng)經(jīng)歷過所有信息化環(huán)節(jié)的學生，問卷調查共發(fā)放了220份調查表，回收有效問卷為214，回收率為97.3%.調查問卷中涉及關于信息技術和仿真實驗的題目有9個，部分題目是多項選擇題，具體的題目和統(tǒng)計結果將在下文給出.

問題1 預習環(huán)節(jié)對于實驗課的重要性.問卷給出的選項有：A.非常重要，充分的預習決定實驗的成敗；B.重要，預習能夠讓學生帶著問題上課；C.不重要，抄份報告，上課聽老師講講就行，得到的反饋結果如圖1所示.

圖1 預習重要性（問題1）的調查結果

問題2 實驗預習采取哪種方式比較好？問卷給出的選項有：A.抄實驗講義的全部內容；B.理解原理和實驗內容，什么都不寫；C.簡單寫實驗原理，草擬數(shù)據(jù)記錄表格；D.到開放實驗室，面對真實儀器，進行操作預習；E.使用計算機，進行仿真預習；F.其他方式.該題目的調查結果如圖2所示.

圖2 預習方式（問題2）的調查結果

問題3什么形式的預習資料，對你進行實驗最有幫助？具體的選項有：A.文字；B.圖片；C.視頻；D.實物；E.仿真實驗；F.其他.該題目的結果如圖3所示.

問題4 如果將預習資料放在網(wǎng)上，你會主動瀏覽嗎？給出的選項有：A.會；B.偶爾會；C.不會.具體結果如圖4所示.

問題5 進行仿真實驗（與傳統(tǒng)實物實驗相比），在以下哪個方面要求更高？A.對原理的理解；

圖3 預習資料（問題3）的調查結果

圖4 上網(wǎng)預習意愿（問題4）調查結果

B.對儀器的了解程度；C.具體操作步驟；D數(shù)據(jù)處理；E.其他.具體的調查結果如圖5所示.

圖5 和傳統(tǒng)實驗相比要求（問題5）調查結果

問題6 進行仿真實驗（與傳統(tǒng)實物實驗相比），是否有困難？具體的選項有：A.和實物實驗一樣，沒有增加困難；B.有困難，流程不熟，不知道如何操作；C.有困難，對仿真實驗沒興趣；D.有困難，感覺自己的知識儲備不夠；E.有其他困難，請寫出；F.比實物實驗簡單，請具體寫出.本題的結果如圖6所示.

問題7 進行仿真實驗（與傳統(tǒng)實物實驗相比），有那些創(chuàng)新？具體的選項有：A.人機交互的形式；B.涉及的知識面廣；C.更有趣味性；D.側重考察對理論知識的掌握；E.其他；學生對該問題的統(tǒng)計結果如圖7所示.

圖6 和傳統(tǒng)實驗相比是否困難（問題6）調查結果

圖7 和傳統(tǒng)相比創(chuàng)新點（問題7）調查結果

問題8 仿真實驗后即可看到實驗成績和評判，是否對你的學習更有促進作用？具體的選項有：A.很有作用，明確操作中失分的原因，下次會改正；B.有一些作用，了解一下操作情況比較好；C.沒有作用，看不看，效果都一樣.具體數(shù)據(jù)如圖8所示.

圖8 考試系統(tǒng)的作用（問題8）調查結果

問題9 通過仿真實驗提高了什么能力？具體的選項有：A.自主學習能力；B.動手能力；C.抽象思維能力；D.創(chuàng)新能力；E.其他能力，請寫出.具體的數(shù)據(jù)如圖9所示.

圖9 仿真系統(tǒng)對學生能力提高（問題9）的調查結果

2 分析和討論

通過上面的調查結果我們可以看到：總體來說，學生對信息化的仿真實驗比較認同，但是有些方面是和我們的使用仿真實驗的初衷不完全相同的.下面我們就針對這些問題一一進行分析和討論.

2.1 重視預習環(huán)節(jié)，認同信息化的預習材料，但是

更習慣書面預習報告

首先，從調查的結果可以看到，學生認為預習環(huán)節(jié)是非常重要的，題目1表明93%的受訪學生對這一點很認同，而且從預習的方式來看，學生對信息化的預習材料認可度也比較高，比如實驗錄像視頻是43.46%、仿真實驗是37.85%，和實物預習的38.32%相比很接近（圖3）.同時，對網(wǎng)上給出的這些信息化的預習材料，學生提前觀看學習的意愿也是很強烈的，題目4的結果表明約92%的學生都愿意學習這些預習材料.

然而，從題目2的調查結果我們看到，雖然在意愿上學生是認同信息化的預習材料的，但是在行動上，更多的學生習慣于原有的模式，包括書寫預習報告（57.01%）和實物預習（34.11%），如圖2所示.

這些看似矛盾的結果卻真實的反映了目前在推廣信息化在物理實驗教學的一個問題，就是在意識上大家覺得是有益的，但是在具體行動的時候由于習慣原來的模式，往往愿意，甚至排斥改變.這樣的情形可能不僅限于學生，在教師的層面可能存在著同樣的問題.

既然學生對于信息化的預習資料是認同的，只是因為習慣而更愿意選擇原有的模式，針對這種情況，我們認為可以通過對原有預習環(huán)節(jié)的改革來推動這一環(huán)節(jié)，例如要求學生在上實驗課之前要瀏覽網(wǎng)上預習資料，進行預習考核通過后才可以選擇該內容實驗，或者需要有網(wǎng)上學習的記錄，并學習夠一定時間，通過考核，作為他們的預習成績.相信這樣的規(guī)定就可以很快改變學生對這一環(huán)節(jié)的的適應程度.

2.2 仿真實驗對學生能力的培養(yǎng)是有積極效果的，但也存在一些問題

從調查的結果來看，做過仿真實驗的學生對于仿真實驗還是有很高的認可度的，具體來說，問題7的結果表明：相對于真實的實驗，54.21%的受訪者認為仿真實驗更有趣味性，41.59%的學生喜歡人機交互的形式.另外，仿真考試結束后可以給出錯的地方和具體原因這一特點也為學生所認同（如圖8），51.07%的同學認為很有作用.而平常實驗，通常需要較長時間才能得到上一次實驗的反饋.在關于仿真實驗在培養(yǎng)學生的能力方面，問題9表明有64.49%的學生認為仿真實驗能夠培養(yǎng)抽象思維能力.

但是，在問卷調查的過程中，也反映出了很多仿真實驗系統(tǒng)目前存在的一些問題，比如很多同學都覺得對仿真實驗的不適應，感覺有難度，40.65%的同學覺得很困難，流程不熟，不知道如何操作，而只有26.64%同學覺得和實物實驗一樣，沒有困難，如圖6所示；而且問題5表明，和實物實驗相比較，學生認為仿真實驗在很多方面對自己的要求更高，47.20%的學生認為對原理的理解更高，45.79%的學生認為對儀器的了解程度要求更高，40.65%的學生認為對具體操作步驟的要求高.這其實和問題5的結果是一致的，他們認為要求高通常意味著在這方面接觸起來是有困難的.

問卷顯示，雖然仿真實驗確實可以起到非常積極的作用，但是目前也存在一定的困難.仿真實驗系統(tǒng)已經(jīng)歷時20年的發(fā)展，有了長足的進步，但是離實現(xiàn)和實物的無縫連接還遠遠不夠.首先，和實物相比仿真度不夠，只能提供和實驗相關的功能；另外，由于不能實現(xiàn)模塊化，不能根據(jù)學校使用的儀器型號進行組裝，和真實實驗相比有很大差距；此外，不能像真實實驗一樣允許錯誤操作.所以，學生在操作過程中難免會有不適應和感覺困難的問題.針對這一問題，我們學校已經(jīng)在研發(fā)和具體開設實驗相配套的高仿真實驗系統(tǒng)，雖然仍然不能解決允許錯誤操作等功能，但是由于和真實的實驗具有非常高的仿真度，能夠在很大程度上幫助學生解決預習不見實物，操作不熟練的問題.另外，我們也必須承認，仿真實驗的存在并不是要替代真實實驗，而是作為一種輔助手段，是以方便和加深學生對物理實驗的學習為目的.

3 結論

信息化的教學系統(tǒng)（網(wǎng)上選課、課件視頻預習、仿真實驗）已經(jīng)在中國地質大學（北京）使用了近20年，本文通過調查問卷的形式，對信息化系統(tǒng)的教學效果進行了研究，并對問卷所反映出的問題進行了討論.調查問卷的結果表明，雖然在意識層面，學生對信息化的預習手段有很高的認同度，但是在行動層面，學生還是更習慣于原有的模式.另外，對于仿真實驗系統(tǒng)對學生學習的促進作用是肯定的，但是由于它開發(fā)的難點，讓學生在操作的時候覺得是有困難的.這些結果對我們正確認識仿真實驗的教學效果是非常有意義的，針對這些問題，我們也提出了一些建議和以后改革嘗試的方向.

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［3］Browne E.Conversations in cyberspace：A study of online learning［J］.Open Learning，2003，18（3）：245-259.

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［7］王亞芳，蔣蕓，劉永剛，等.強化大面積學生實踐能力考核的探索和實踐［J］.物理與工程，2010，20（4）：9-11.

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Application of Feedback in simulation system of experimental physics teaching

WANG Ya-fang，JIANG Yun，ZHOU Wei-gong，DONG Ai-guo，ZHANG Zi-li，ZHENG Zhi-yuan
（The Teaching Center of Experimental Physics，School of Science，China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

Simulation technique has been widely used in the teaching center of experimental physics，China U-niversity of Geosciences，Beijing for almost 20 years.In order to figure out how the students think about this technique and how much it has positive effect on their learning，we have handed out the questionnaires to the students who have gone through the whole line of the simulation system.The result shows that the students are not really used to the system although they are aware and agree that the simulation system is good for them.In the last part of the paper，the useful suggestions are proposed.

information technology；experimental physics；questionnaire；teaching chains

O 4-39

A

1000-0712（2016）05-0037-04

“全國高等學校電磁學研討會第四屆常務理事會教學研討暨工作會議”推薦文章

2015-11-18；

2015-12-17

中國地質大學（北京）教學研究和改革項目（JGYB201322）資助

王亞芳（1980—），女，寧夏隆德人，中國地質大學副教授，博士，主要從事大學物理實驗教學工作，研究方向為固體熱釋光分析.