大學(xué)物理仿真實驗教學(xué)實踐與體會

張小真+陳海霞+馬成舉+白+亮

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

摘要：將計算機仿真技術(shù)運用于大學(xué)物理實驗教學(xué)是提高教學(xué)質(zhì)量促進物理實驗改革的重要舉措。仿真實驗完善了物理實驗的教學(xué)過程、豐富了教學(xué)模式，是新形勢下科技進步的產(chǎn)物。結(jié)合西安石油大學(xué)仿真實驗的教學(xué)實踐，總結(jié)分析了現(xiàn)階段仿真實驗的教學(xué)特點和教學(xué)現(xiàn)狀以及運行過程中出現(xiàn)的問題。通過闡述仿真實驗的積極意義和不足之處，說明其在實驗教學(xué)中的輔助地位，并給出完善仿真實驗的建議。

關(guān)鍵詞：仿真試驗；大學(xué)物理實驗；教學(xué)實踐

中圖分類號：O4-33；G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）49-0262-02

一、引言

物理學(xué)對于人們科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)有著重要的地位，其中物理實驗教學(xué)做為一門基礎(chǔ)實驗課程肩負(fù)提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力與創(chuàng)新能力的工作，成為大學(xué)教育階段人才培養(yǎng)必不可少的一部分[1]。傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)由于受教學(xué)資源、教學(xué)時間等各種因素的限制，滿足不了現(xiàn)階段不斷提高的教學(xué)要求。伴隨著仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，計算機仿真實驗系統(tǒng)在物理實驗教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。仿真實驗系統(tǒng)是以數(shù)學(xué)理論、相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其他相關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具創(chuàng)建的非實物形態(tài)的實驗體系。在仿真實驗中沒有以實物形態(tài)存在的實驗儀器，實驗者通過對虛擬的軟件進行操作得到類似于真實實驗的實驗結(jié)果，以這種方法去認(rèn)知真實的世界[2]，虛擬實驗環(huán)境下進行的計算機仿真實驗，讓物理實驗教學(xué)走出實驗室，在最大可能節(jié)約實驗室硬件資源的同時，克服了實驗教學(xué)長期受到場地、課時等等條件的制約 [3，4]，為大學(xué)物理實驗開辟了開放性、設(shè)計性甚至研究性實驗教學(xué)的新途徑[5，6]。為了適應(yīng)物理實驗教學(xué)的發(fā)展，提高學(xué)生綜合實驗技能以及培養(yǎng)廣大學(xué)生對物理實驗課程的興趣，西安石油大學(xué)于2013-2014學(xué)年第二學(xué)期開始將仿真實驗納入全校理工科物理實驗課程教學(xué)大綱，形成了在傳統(tǒng)物理實驗的基礎(chǔ)上結(jié)合開設(shè)仿真實驗的綜合教學(xué)模式，教學(xué)實踐完善了物理實驗教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，提高了物理實驗課程教學(xué)質(zhì)量，仿真實驗教學(xué)實踐收到了良好的教學(xué)效果，在實踐過程中出現(xiàn)的各種問題也值得我們思考和探索.

二、仿真實驗的特點

仿真實驗解決了實驗室?guī)熧Y與學(xué)生規(guī)模失調(diào)的問題，仿真實驗不受實驗課時的限制，只要仿真實驗服務(wù)器在運行，任何配有計算機設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的地方學(xué)生都可以進行操作，延長了實驗時間，具有可操作性強、重復(fù)性好的特點[7]。隨著計算機軟硬件及校園網(wǎng)的發(fā)展，大學(xué)物理仿真實驗在開發(fā)技術(shù)和功能各方面都在不斷提升，仿真實驗軟件利用組件的理念開發(fā)出物理仿真儀器庫，使仿真實驗實現(xiàn)了可自主設(shè)計實驗方案，自主選擇實驗儀器，不僅滿足了基礎(chǔ)實驗教學(xué)的開展，同時為設(shè)計性實驗、研究型實驗的開展提供了條件。仿真試驗采用學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教學(xué)方法。學(xué)生根據(jù)不同測量結(jié)果的要求，可自擬實驗方案，根據(jù)實驗方案靈活選擇實驗儀器，激發(fā)學(xué)生實驗興趣的同時引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新思維，創(chuàng)新能力的形成。仿真實驗軟件提供實驗數(shù)據(jù)接口，能夠得到實時實驗狀態(tài)，給出實驗結(jié)果評判，實驗靈活度高、針對性強，界面友好、實驗指導(dǎo)信息豐富，實驗提示欄在學(xué)生操作實驗時，實時提示相關(guān)儀器的名稱、功能、操作方法等信息，實驗幫助文檔融合了實驗簡介、實驗原理、實驗儀器、實驗內(nèi)容，實驗指導(dǎo)。學(xué)生可在提供的實驗提示信息及實驗幫助文檔的指導(dǎo)下順利完成實驗內(nèi)容。

三、仿真實驗教學(xué)現(xiàn)狀

1.仿真實驗教學(xué)內(nèi)容。西安石油大學(xué)物理實驗課程中要求學(xué)生在一學(xué)期的時間內(nèi)除了完成實驗室的八個必做實驗項目外還需要在網(wǎng)上選作兩項與本學(xué)期實驗室實驗內(nèi)容不相同的仿真實驗項目。仿真實驗采用大學(xué)物理實驗中心仿真實驗室和遠(yuǎn)程服務(wù)器終端對學(xué)生開放的方法完成。依照逐步提升的層次化、模塊化的教學(xué)體系，遵循基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗的發(fā)展順序，依次對學(xué)生開放的仿真實驗項目共計31項，界面主要包括：力學(xué)實驗的5個項目、熱學(xué)實驗的3個項目、光學(xué)實驗的6個項目、電學(xué)實驗的10個項目、電磁學(xué)實驗的3個項目、近代物理實驗的4個項目。

2.仿真實驗教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題。首先是服務(wù)器穩(wěn)定性的問題，西安石油大學(xué)物理仿真實驗開設(shè)在大學(xué)一年級的第二學(xué)期，此階段學(xué)生課程任務(wù)繁重，社團活動多，很多同學(xué)總是把兩項仿真實驗拖到最后的時間集中進行完成，造成仿真系統(tǒng)服務(wù)器經(jīng)常癱瘓的現(xiàn)象，實驗室就此現(xiàn)象升級服務(wù)器，并要求學(xué)生合理利用時間盡早完成仿真實驗，不要出現(xiàn)學(xué)期末扎堆的現(xiàn)象，同時建議學(xué)生按照院系進行分時段登錄操作，完善仿真實驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

其次是軟件的安全問題，部分學(xué)生反映在使用軟件時出現(xiàn)登陸不了仿真系統(tǒng)大廳的現(xiàn)象，老師們和廠家溝通發(fā)現(xiàn)是人為更改了登陸密碼，由于仿真系統(tǒng)使用的是同一個登陸用戶名和密碼，所以更改后出現(xiàn)原有密碼失效的現(xiàn)象，后面經(jīng)過對密碼進行復(fù)位操作以及在數(shù)據(jù)庫中新增一百個用戶，暫時解決了登錄失敗的問題。為了維護軟件的自身安全防止黑客的攻擊，需要軟件開發(fā)人員對軟件進行不斷修補和升級，維護正常的教學(xué)秩序，提高軟件的安全性。

3.虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)。為進一步完善實驗教學(xué)過程，提高實驗教學(xué)水平，物理實驗中心在原有的大學(xué)物理仿真實驗基礎(chǔ)上增添了物理實驗預(yù)習(xí)評判系統(tǒng)和物理實驗考試系統(tǒng)兩項教學(xué)軟件。物理實驗預(yù)習(xí)評判系統(tǒng)是在大學(xué)物理仿真實驗基礎(chǔ)上，進一步加強虛擬實驗的模型設(shè)計，建設(shè)在線實驗預(yù)習(xí)環(huán)境。學(xué)生在課前通過預(yù)習(xí)系統(tǒng)操作仿真實驗，了解實驗原理、內(nèi)容及實驗儀器的操作方法，建立起對實驗的直觀認(rèn)識和完成實驗的思路。自動評判的預(yù)習(xí)成績幫助學(xué)生及時了解學(xué)習(xí)效果，也有助于教師掌握學(xué)生預(yù)習(xí)情況，針對性的調(diào)整教學(xué)重點。

四、仿真實驗教學(xué)展望

仿真實驗以自身強大的功能特點在實驗教學(xué)中得到了良好的教學(xué)效果，被越來越多的學(xué)科領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，成為實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中必不可少的一部分。仿真實驗帶給實驗教學(xué)最大的便利就是節(jié)約了實驗儀器，靈活了實驗時間、實驗空間，給廣大師生教學(xué)帶來了實實在在的方便。但是仿真實驗主要是對實驗所需要的儀器和操作方法的模擬，不能充分體現(xiàn)真實的實驗環(huán)境下的實驗結(jié)果，大學(xué)物理實驗課注重培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，學(xué)習(xí)規(guī)范操作各種實驗儀器以及應(yīng)對實驗過程中的實際突發(fā)問題。

在現(xiàn)階段的仿真實驗的建設(shè)實踐中，應(yīng)該注重將科研成果與教學(xué)相結(jié)合，將科學(xué)發(fā)展的成果融入到基礎(chǔ)教學(xué)中來，我校物理實驗中心實驗教材中已經(jīng)引入光纖光柵傳感技術(shù)的部分研究成果，下一步在仿真實驗項目中增加相應(yīng)的研究型實驗對于豐富和擴展學(xué)生的知識面，提高綜合實驗技能，加強學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)尤為重要。

參考文獻：

[1]高宏，郭文閣，賈振安.“綜合設(shè)計型物理實驗”公選課的實踐與體會[J].大學(xué)物理實驗，2010，23（2）：97-99.

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[3]王曉蒲，霍煎青，楊旭.大學(xué)物理仿真實驗和教學(xué)實踐[J].物理實驗，2001，21（1）：28-29.