基于虛擬仿真的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

林海峰++熊飛兵++王逸平

摘 要：文章剖析廈門理工學(xué)院《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，并在分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)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(lái)，建立虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和教學(xué)方法，促進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G482 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2017）22-0091-03

一、引言

《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》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(shí)驗(yàn)課程，具有多樣化的實(shí)驗(yàn)方法和手段以及綜合性很強(qiáng)的基本實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，對(duì)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(shí)踐能力有著十分重要的意義[1]，所以各高校對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)空間、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍等教學(xué)資源的限制，導(dǎo)致傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容落后，教學(xué)手段和方法過(guò)時(shí)，考核評(píng)價(jià)方法單一，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式使學(xué)生常常處于被動(dòng)接受狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)也變得枯燥無(wú)味，不僅影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，還不利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，不利于學(xué)生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。隨著計(jì)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中，開(kāi)創(chuàng)了一種全新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充，目前在全國(guó)很多高校得到廣泛的開(kāi)展與應(yīng)用，并取得了一些經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)出發(fā)，結(jié)合《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，探索如何將物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

二、我?！洞髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)的現(xiàn)狀及存在問(wèn)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(shí)驗(yàn)》課程在我校人才培養(yǎng)過(guò)程中的地位、作用和任務(wù)，我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在實(shí)驗(yàn)課程體系建設(shè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索、實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)、學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放行動(dòng)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(píng)為福建省實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。然而近年來(lái)學(xué)校發(fā)展迅速，招生規(guī)模不斷擴(kuò)大，無(wú)論從儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)空間和實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍等資源的配置，還是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的設(shè)置上，都無(wú)法為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有效的支持，從而制約了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高，學(xué)生實(shí)驗(yàn)?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(kāi)展網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，2013年開(kāi)始著手建設(shè)大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，并于2016年獲批福建省大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。

三、我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

我校在引進(jìn)中國(guó)科技大學(xué)開(kāi)發(fā)的《大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)》的基礎(chǔ)上，依托學(xué)校校園網(wǎng)和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)站，架構(gòu)建成虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)包含實(shí)驗(yàn)中心門戶網(wǎng)站、教學(xué)管理及選排課系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)及報(bào)告評(píng)判系統(tǒng)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)考試與自動(dòng)判卷系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)交互系統(tǒng)幾大部分，其中實(shí)驗(yàn)中心門戶網(wǎng)站用來(lái)對(duì)外公布中心教學(xué)信息、中心簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)課程、教學(xué)資源、教學(xué)公告通知等，是教學(xué)平臺(tái)各系統(tǒng)功能的鏈接窗口；實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、考試和自助評(píng)判系統(tǒng)內(nèi)設(shè)包括選擇題、填空題、判斷題等理論知識(shí)、動(dòng)手操作（虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作）和系統(tǒng)內(nèi)置預(yù)習(xí)和測(cè)試評(píng)判專家，保證實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容的多樣性、客觀性和公平性；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源系統(tǒng)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目50多個(gè)，近代物理、光電專業(yè)、微電子專業(yè)等學(xué)科專業(yè)實(shí)驗(yàn)和開(kāi)放性選修實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目30多個(gè)，學(xué)生和教師可通過(guò)實(shí)驗(yàn)中心門戶網(wǎng)站身份認(rèn)證進(jìn)入仿真物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求對(duì)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了解和學(xué)習(xí)，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行在線演示、互動(dòng)操作、完成實(shí)驗(yàn)。豐富的實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容和全新的實(shí)驗(yàn)方式，激發(fā)了學(xué)生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，提高了學(xué)生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重視度。

四、基于虛擬仿真的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，中心始終本著人才培養(yǎng)、創(chuàng)新實(shí)踐和社會(huì)服務(wù)三大目標(biāo)來(lái)進(jìn)行，為學(xué)生營(yíng)造更多自主學(xué)習(xí)、多元化發(fā)展空間的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)虛中有實(shí)，實(shí)中有虛的多元化實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)習(xí)效果，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，增加了實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的內(nèi)容和時(shí)間，形成了課程層次、專業(yè)分類、虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充的多元化虛擬物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

1.建立多層次的物理實(shí)驗(yàn)課程體系

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程體系構(gòu)建了以基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)、學(xué)科專業(yè)物理實(shí)驗(yàn)和開(kāi)放選修物理實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次，服務(wù)學(xué)校7個(gè)學(xué)院、21個(gè)專業(yè)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在實(shí)驗(yàn)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(jì)性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力。構(gòu)建了基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)、學(xué)科專業(yè)物理實(shí)驗(yàn)和開(kāi)放選修物理實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)課程體系，基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中有大學(xué)物理的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)實(shí)驗(yàn)，演示物理實(shí)驗(yàn)，近代物理實(shí)驗(yàn)等課程；學(xué)科專業(yè)物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課程；開(kāi)放選修物理實(shí)驗(yàn)包括大學(xué)物理選修實(shí)驗(yàn)、近代物理選修實(shí)驗(yàn)、光電專業(yè)選修實(shí)驗(yàn)、微電子選修實(shí)驗(yàn)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)。

2.改進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)突破了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)受到實(shí)驗(yàn)空間和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的限制，學(xué)生通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可以在線了解相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)演示和互動(dòng)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(gè)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(dòng)聽(tīng)講”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃?dòng)學(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(guò)主動(dòng)參與、自我探究來(lái)構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu)。endprint

（2）引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

學(xué)生通過(guò)虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目課前預(yù)習(xí)，課堂教學(xué)采用問(wèn)題討論法，實(shí)驗(yàn)之前留出一定的時(shí)間，設(shè)置合理的問(wèn)題情境，讓每個(gè)學(xué)生都參與問(wèn)題的討論和探究，進(jìn)一步明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容。經(jīng)過(guò)討論，學(xué)生的思維非常開(kāi)闊，而且在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中胸有成竹，會(huì)發(fā)現(xiàn)很多問(wèn)題，比如在做太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)中，為什么硅光電池光強(qiáng)一定時(shí)，負(fù)載不同電壓也不同？為什么反偏時(shí)輸出電流比較大？……雖然有些問(wèn)題學(xué)生有時(shí)候不能講到點(diǎn)子上，但是通過(guò)認(rèn)真思考和相互討論，使得實(shí)驗(yàn)原理性的知識(shí)理解得很透徹，基本上沒(méi)有出現(xiàn)相互抄襲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的現(xiàn)象，這種教學(xué)模式有效地激發(fā)了學(xué)生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，大大地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

（3）采用“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”的教學(xué)模式

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)只能為學(xué)生提供虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生沒(méi)有對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行操作，缺乏真實(shí)感，缺少分析和評(píng)估復(fù)雜客觀環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的過(guò)程，實(shí)驗(yàn)教師應(yīng)盡可能創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)條件，加大實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放力度，使學(xué)生有更多的機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作，彌補(bǔ)仿真與虛擬實(shí)驗(yàn)的不足，同時(shí)充分利用遠(yuǎn)程控制演示實(shí)驗(yàn)的方法，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)硬件資源共享，創(chuàng)建“虛擬（模擬儀器面板）—實(shí)體（硬件設(shè)備）—真實(shí)（實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景）”新的教學(xué)模式，實(shí)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(shí)驗(yàn)成績(jī)通常是教師根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)報(bào)告、課堂表現(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成情況來(lái)評(píng)定，具有很大的主觀性，不能完全客觀地反映學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ牟町?，這也是部分學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)不感興趣的主要原因之一。在物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，引入了物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)與自動(dòng)評(píng)判和物理實(shí)驗(yàn)考試與自動(dòng)評(píng)卷兩套系統(tǒng)，在物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)與自動(dòng)評(píng)判系統(tǒng)中，有理論知識(shí)點(diǎn)（包括選擇題、填空題、判斷題）和動(dòng)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(shí)點(diǎn)包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和儀器介紹等，而動(dòng)手操作包括整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的錄像和學(xué)生模擬操作兩部分。實(shí)驗(yàn)教師可以通過(guò)錄入和編輯預(yù)習(xí)題庫(kù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成預(yù)習(xí)試卷，并對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)答題和操作情況做出自動(dòng)評(píng)判。在物理實(shí)驗(yàn)考試與自動(dòng)評(píng)卷系統(tǒng)中，同樣包括理論知識(shí)考試和虛擬仿真操作考試兩部分，對(duì)于考試的監(jiān)督和評(píng)分，由系統(tǒng)內(nèi)置的統(tǒng)一專家來(lái)評(píng)判，因此所有的學(xué)生評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)都一致，而且相當(dāng)于一個(gè)教師對(duì)一個(gè)學(xué)生進(jìn)行監(jiān)考，保證評(píng)分的客觀性、公平性和即時(shí)性，解決了由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、教師數(shù)量緊缺造成的學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰o(wú)法有效考核的問(wèn)題。

3.以學(xué)科競(jìng)賽和大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)資源，及時(shí)更新虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(lì)那些學(xué)有余力、動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生參加光電設(shè)計(jì)大賽、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽以及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目等各級(jí)創(chuàng)新活動(dòng)，虛擬仿真平臺(tái)開(kāi)放一部分源碼資源，可供學(xué)生進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真，從而更好地完成學(xué)科競(jìng)賽和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(lái)，學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽、全國(guó)光電設(shè)計(jì)大賽等學(xué)科競(jìng)賽，并獲得各類獎(jiǎng)項(xiàng)49項(xiàng)，參與國(guó)家級(jí)、省級(jí)等各級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目50多項(xiàng)，這些活動(dòng)的開(kāi)展使得物理實(shí)驗(yàn)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(shí)，各類創(chuàng)新活動(dòng)所取得的成果又會(huì)吸引和激勵(lì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)，激發(fā)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的積極性，更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和研究能力。

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