基于虛擬仿真的大學(xué)物理實驗教學(xué)改革*

林海峰，熊飛兵，王逸平

（廈門理工學(xué)院 光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門361024）

基于虛擬仿真的大學(xué)物理實驗教學(xué)改革*

林海峰，熊飛兵，王逸平

（廈門理工學(xué)院 光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門361024）

文章剖析廈門理工學(xué)院《大學(xué)物理實驗》課程教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問題，并在分析虛擬仿真實驗優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，探索如何將物理環(huán)境、數(shù)字化環(huán)境和虛擬環(huán)境三者有機(jī)地結(jié)合起來，建立虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充的實驗教學(xué)資源和教學(xué)方法，促進(jìn)大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段改革，從而提高大學(xué)物理實驗教學(xué)質(zhì)量。

虛擬仿真實驗；物理實驗教學(xué)；教學(xué)改革

一、引言

《大學(xué)物理實驗》是理工科學(xué)生進(jìn)入高等學(xué)校必修的第一門重要基礎(chǔ)實驗課程，具有多樣化的實驗方法和手段以及綜合性很強(qiáng)的基本實驗技能訓(xùn)練，對于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維、創(chuàng)新能力和實踐能力有著十分重要的意義[1]，所以各高校對大學(xué)物理實驗的教學(xué)非常重視。然而，隨著高校規(guī)模的不斷擴(kuò)大，由于實驗空間、實驗儀器設(shè)備以及實驗隊伍等教學(xué)資源的限制，導(dǎo)致傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容落后，教學(xué)手段和方法過時，考核評價方法單一，這種實驗教學(xué)模式使學(xué)生常常處于被動接受狀態(tài)，實驗也變得枯燥無味，不僅影響了實驗教學(xué)效果，還不利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，不利于學(xué)生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及與發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于實驗教學(xué)中，開創(chuàng)了一種全新的實驗教學(xué)模式，虛擬仿真實驗作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的重要補(bǔ)充，目前在全國很多高校得到廣泛的開展與應(yīng)用，并取得了一些經(jīng)驗和成果[2-4]。

本文從廈門理工學(xué)院大學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)示范中心建設(shè)出發(fā)，結(jié)合《大學(xué)物理實驗》課程教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問題，探索如何將物理虛擬仿真實驗融入到大學(xué)物理實驗教學(xué)中，實現(xiàn)大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和方法以及學(xué)生自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式的改革，從而提高大學(xué)物理實驗教學(xué)質(zhì)量。

二、我?！洞髮W(xué)物理實驗》課程教學(xué)的現(xiàn)狀及存在問題

我校屬于地方性、應(yīng)用型工科院校，根據(jù)《大學(xué)物理實驗》課程在我校人才培養(yǎng)過程中的地位、作用和任務(wù)，我校大學(xué)物理實驗教學(xué)中心在實驗課程體系建設(shè)、實驗教學(xué)模式探索、實驗教學(xué)隊伍建設(shè)、學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)和實驗室開放行動及管理機(jī)制等方面進(jìn)行全面改革，取得了巨大進(jìn)步，并初步具有輻射作用，2008年被評為福建省實驗教學(xué)示范中心。然而近年來學(xué)校發(fā)展迅速，招生規(guī)模不斷擴(kuò)大，無論從儀器設(shè)備、實驗空間和實驗隊伍等資源的配置，還是實驗項目和實驗學(xué)時的設(shè)置上，都無法為實驗教學(xué)提供有效的支持，從而制約了物理實驗教學(xué)質(zhì)量的提高，學(xué)生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)受到嚴(yán)重影響[5-6]，為此，學(xué)校根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》精神，積極開展網(wǎng)絡(luò)實驗室建設(shè)，2013年開始著手建設(shè)大學(xué)物理虛擬仿真實驗中心，并于2016年獲批福建省大學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)示范中心。

三、我校虛擬仿真實驗平臺建設(shè)

我校在引進(jìn)中國科技大學(xué)開發(fā)的《大學(xué)物理仿真實驗系統(tǒng)》的基礎(chǔ)上，依托學(xué)校校園網(wǎng)和物理實驗教學(xué)中心網(wǎng)站，架構(gòu)建成虛擬仿真物理實驗教學(xué)平臺。物理虛擬仿真實驗教學(xué)平臺包含實驗中心門戶網(wǎng)站、教學(xué)管理及選排課系統(tǒng)、實驗預(yù)習(xí)及報告評判系統(tǒng)、虛擬仿真實驗資源系統(tǒng)、實驗考試與自動判卷系統(tǒng)和實驗教學(xué)交互系統(tǒng)幾大部分，其中實驗中心門戶網(wǎng)站用來對外公布中心教學(xué)信息、中心簡介、實驗課程、教學(xué)資源、教學(xué)公告通知等，是教學(xué)平臺各系統(tǒng)功能的鏈接窗口；實驗預(yù)習(xí)、考試和自助評判系統(tǒng)內(nèi)設(shè)包括選擇題、填空題、判斷題等理論知識、動手操作（虛擬仿真實驗操作）和系統(tǒng)內(nèi)置預(yù)習(xí)和測試評判專家，保證實驗考核內(nèi)容的多樣性、客觀性和公平性；虛擬仿真實驗教學(xué)資源系統(tǒng)是整個實驗教學(xué)平臺最重要、最核心的部分，現(xiàn)已建成了包括力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等基礎(chǔ)大學(xué)物理實驗課程項目50多個，近代物理、光電專業(yè)、微電子專業(yè)等學(xué)科專業(yè)實驗和開放性選修實驗項目30多個，學(xué)生和教師可通過實驗中心門戶網(wǎng)站身份認(rèn)證進(jìn)入仿真物理實驗平臺，根據(jù)實驗教學(xué)要求對實驗簡介、實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗儀器進(jìn)行了解和學(xué)習(xí)，通過虛擬仿真實驗項目進(jìn)行在線演示、互動操作、完成實驗。豐富的實驗操作內(nèi)容和全新的實驗方式，激發(fā)了學(xué)生對大學(xué)物理實驗的興趣，提高了學(xué)生對大學(xué)物理實驗的重視度。

四、基于虛擬仿真的大學(xué)物理實驗教學(xué)改革

在物理實驗教學(xué)中，中心始終本著人才培養(yǎng)、創(chuàng)新實踐和社會服務(wù)三大目標(biāo)來進(jìn)行，為學(xué)生營造更多自主學(xué)習(xí)、多元化發(fā)展空間的實驗環(huán)境，把虛擬仿真實驗作為傳統(tǒng)物理實驗的一個重要補(bǔ)充，實現(xiàn)虛中有實，實中有虛的多元化實驗教學(xué)和學(xué)習(xí)效果，豐富了實驗教學(xué)手段，增加了實驗學(xué)習(xí)的內(nèi)容和時間，形成了課程層次、專業(yè)分類、虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充的多元化虛擬物理仿真實驗教學(xué)體系。

1.建立多層次的物理實驗課程體系

虛擬仿真實驗課程體系構(gòu)建了以基礎(chǔ)物理實驗、學(xué)科專業(yè)物理實驗和開放選修物理實驗三個層次，服務(wù)學(xué)校7個學(xué)院、21個專業(yè)的物理實驗教學(xué)。在實驗課程設(shè)置上，前期構(gòu)筑寬厚基礎(chǔ)，后期優(yōu)化專業(yè)教育，注重學(xué)科交叉培養(yǎng)，加強(qiáng)綜合性和設(shè)計性實驗訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐能力。構(gòu)建了基礎(chǔ)物理實驗、學(xué)科專業(yè)物理實驗和開放選修物理實驗三個層次的實驗課程體系，基礎(chǔ)物理實驗中有大學(xué)物理的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)實驗，演示物理實驗，近代物理實驗等課程；學(xué)科專業(yè)物理實驗中有光電信息類專業(yè)、微電子專業(yè)、電氣專業(yè)等專業(yè)實驗課程；開放選修物理實驗包括大學(xué)物理選修實驗、近代物理選修實驗、光電專業(yè)選修實驗、微電子選修實驗等課程，課程體系如圖1所示，體現(xiàn)由專業(yè)基礎(chǔ)訓(xùn)練，到專業(yè)綜合技能提高，再到研究與創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

圖1

2.改進(jìn)大學(xué)物理實驗教學(xué)模式和考核方式

（1）采用“以學(xué)生為主”的教學(xué)模式

虛擬仿真物理實驗突破了傳統(tǒng)物理實驗受到實驗空間和實驗學(xué)時的限制，學(xué)生通過仿真實驗教學(xué)平臺，可以在線了解相關(guān)的實驗內(nèi)容，實驗演示和互動操作，促使以教師為中心的授課模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心的“個性化、合作化”教學(xué)模式；由“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”；由“被動聽講”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃訉W(xué)習(xí)”；由傳統(tǒng)“教材控制”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)習(xí)者控制”，學(xué)生通過主動參與、自我探究來構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)。

（2）引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

學(xué)生通過虛擬仿真物理實驗平臺，可以對實驗項目課前預(yù)習(xí)，課堂教學(xué)采用問題討論法，實驗之前留出一定的時間，設(shè)置合理的問題情境，讓每個學(xué)生都參與問題的討論和探究，進(jìn)一步明確實驗?zāi)康暮蛢?nèi)容。經(jīng)過討論，學(xué)生的思維非常開闊，而且在做實驗的過程中胸有成竹，會發(fā)現(xiàn)很多問題，比如在做太陽能電池實驗中，為什么硅光電池光強(qiáng)一定時，負(fù)載不同電壓也不同？為什么反偏時輸出電流比較大？……雖然有些問題學(xué)生有時候不能講到點子上，但是通過認(rèn)真思考和相互討論，使得實驗原理性的知識理解得很透徹，基本上沒有出現(xiàn)相互抄襲實驗數(shù)據(jù)和實驗報告的現(xiàn)象，這種教學(xué)模式有效地激發(fā)了學(xué)生對大學(xué)物理實驗的興趣，大大地提高了實驗教學(xué)質(zhì)量。

（3）采用“虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充”的教學(xué)模式

虛擬仿真實驗只能為學(xué)生提供虛擬的實驗環(huán)境，學(xué)生沒有對真實實驗儀器進(jìn)行操作，缺乏真實感，缺少分析和評估復(fù)雜客觀環(huán)境對實驗結(jié)果影響的過程，實驗教師應(yīng)盡可能創(chuàng)造實驗條件，加大實驗室開放力度，使學(xué)生有更多的機(jī)會進(jìn)行實際的實驗操作，彌補(bǔ)仿真與虛擬實驗的不足，同時充分利用遠(yuǎn)程控制演示實驗的方法，實現(xiàn)實驗硬件資源共享，創(chuàng)建“虛擬（模擬儀器面板）—實體（硬件設(shè)備）—真實（實驗場景）”新的教學(xué)模式，實現(xiàn)信息技術(shù)與教學(xué)模式和方法的深度融合。

（4）改進(jìn)考核方式

傳統(tǒng)的實驗成績通常是教師根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)報告、課堂表現(xiàn)以及實驗報告的完成情況來評定，具有很大的主觀性，不能完全客觀地反映學(xué)生實驗?zāi)芰Φ牟町?，這也是部分學(xué)生對物理實驗不感興趣的主要原因之一。在物理虛擬仿真實驗平臺中，引入了物理實驗預(yù)習(xí)與自動評判和物理實驗考試與自動評卷兩套系統(tǒng)，在物理實驗預(yù)習(xí)與自動評判系統(tǒng)中，有理論知識點（包括選擇題、填空題、判斷題）和動手操作（虛擬仿真操作）兩部分預(yù)習(xí)內(nèi)容，其中，理論知識點包括實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗?nèi)容和儀器介紹等，而動手操作包括整個實驗操作過程的錄像和學(xué)生模擬操作兩部分。實驗教師可以通過錄入和編輯預(yù)習(xí)題庫，系統(tǒng)會自動生成預(yù)習(xí)試卷，并對學(xué)生的預(yù)習(xí)答題和操作情況做出自動評判。在物理實驗考試與自動評卷系統(tǒng)中，同樣包括理論知識考試和虛擬仿真操作考試兩部分，對于考試的監(jiān)督和評分，由系統(tǒng)內(nèi)置的統(tǒng)一專家來評判，因此所有的學(xué)生評分標(biāo)準(zhǔn)都一致，而且相當(dāng)于一個教師對一個學(xué)生進(jìn)行監(jiān)考，保證評分的客觀性、公平性和即時性，解決了由于實驗設(shè)備不足、教師數(shù)量緊缺造成的學(xué)生實驗?zāi)芰o法有效考核的問題。

3.以學(xué)科競賽和大學(xué)生創(chuàng)新項目為拓展，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力

在課程體系之外，依托福建省光電器件與技術(shù)重點實驗室的優(yōu)勢資源，及時更新虛擬仿真實驗教學(xué)資源，保證教學(xué)內(nèi)容的前沿性和科學(xué)性，支持和鼓勵那些學(xué)有余力、動手能力強(qiáng)的學(xué)生參加光電設(shè)計大賽、電子設(shè)計競賽、物理實驗競賽以及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目等各級創(chuàng)新活動，虛擬仿真平臺開放一部分源碼資源，可供學(xué)生進(jìn)行編程實現(xiàn)個性化的、創(chuàng)新實驗?zāi)M仿真，從而更好地完成學(xué)科競賽和創(chuàng)新實驗項目，培養(yǎng)學(xué)生的分析、應(yīng)用和創(chuàng)新能力。學(xué)生自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)取得了顯著效果，近三年來，學(xué)生參加全國大學(xué)生電子競賽、全國光電設(shè)計大賽等學(xué)科競賽，并獲得各類獎項49項，參與國家級、省級等各級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目50多項，這些活動的開展使得物理實驗教學(xué)的內(nèi)涵得到深化，教學(xué)體系得以擴(kuò)展，部分優(yōu)秀學(xué)生從中受益；同時，各類創(chuàng)新活動所取得的成果又會吸引和激勵更多有志于深入學(xué)習(xí)物理科學(xué)的同學(xué)加入，形成良性循環(huán)，擴(kuò)大學(xué)生的受益面。

多元化的教學(xué)模式已成為教學(xué)的主流，虛擬仿真物理實驗教學(xué)結(jié)合我校應(yīng)用型本科專業(yè)特色，發(fā)揮其多元化實驗教學(xué)模式的優(yōu)勢，激發(fā)學(xué)生自主實驗的積極性，更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐能力和研究能力。

[1]王曉蒲,霍劍青,楊旭等.大學(xué)物理仿真實驗和教學(xué)[J].物理實驗,2002(11):45-48.

[2]寧鋅,龐瑋,陳峻等.大學(xué)物理實驗在教學(xué)實踐中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理實驗,2012,25(3):110-111.

[3]郭迅,習(xí)友寶.淺析現(xiàn)代電子技術(shù)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗技術(shù)與管理,2010,27(2):100-104.

[4]王月明,劉官元,董大明.網(wǎng)絡(luò)背景下大學(xué)物理實驗教學(xué)模式探討[J].大學(xué)物理實驗,2010(3):85-87.

[5]蔡青.仿真實驗的應(yīng)用與大學(xué)物理實驗的教學(xué)改革[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報,2006,21(1):113-115．

[6]辛旭平.仿真與物理實驗[J].大學(xué)物理實驗,2005,18(3):106-108．

G482

A

1673-8454（2017）22-0091-03

*基金來源：廈門理工學(xué)院教改重點項目（編號：JGZ201603）。

（編輯：魯利瑞）