普通物理虛擬仿真實驗教學實踐研究

胡遠青 徐曉玲

普通物理實驗是高等院校理工科大學生進行科學實驗訓練的一門啟蒙課程，也是大學生從事科學實驗工作的基礎。普通物理實驗課覆蓋面廣，具有豐富的實驗思想、實驗方法和實驗策略，并能提供綜合性很強的基本實驗技能訓練，在培養(yǎng)學生嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力、適應現(xiàn)代科技發(fā)展的綜合應用能力等方面，具有其他課程所不可替代的作用。由于受到實驗場地、時間、儀器設備及師資等教學資源的限制，加上實驗教學內(nèi)容陳舊，教學方法單一，考核方法過時，傳統(tǒng)的實驗教學難以調(diào)動學生的學習主動性，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。近幾年來，隨著教學信息化的普及與發(fā)展，虛擬仿真技術在高等院校普通物理實驗教學中的作用日益凸顯，公安院校普通物理虛擬仿真實驗教學值得廣大教師深入研究。

一、普通物理實驗教學現(xiàn)狀

江西警察學院屬地方性公安院校，普通物理實驗教學面向交管、網(wǎng)安監(jiān)察、刑事技術、安防工程等工科類專業(yè)，是學院公安類本科專業(yè)非常重要的一門基礎實驗課程。江西警察學院以教育部本科教學水平評估為契機，加強了普通物理實驗室的建設，實驗教學條件得到了很大程度的改善，但仍不能從根本上改變傳統(tǒng)物理實驗教學面臨的困境。

1.普通物理實驗設施投入不足

江西警察學院的普通物理實驗室既要承擔交通管理工程、信息網(wǎng)絡安全監(jiān)察、刑事科學技術、安全防范工程等工科類專業(yè)學生的普通物理實驗教學任務，又要完成其他公安類和普通類專業(yè)學生大學物理實驗選修課程的教學任務。由于學院實驗經(jīng)費有限，儀器設備數(shù)量總體偏少，學生經(jīng)常不能按時完成實驗任務，甚至有部分學生不能實際參與實驗操作。不僅如此，現(xiàn)代物理及大型先進儀器設備匱乏，導致學院無法開設部分教學大綱規(guī)定的實驗項目，嚴重制約了學院師生進行比較復雜的教學研究。

2.普通物理實驗課時偏少

地方高等院校普通物理教學課時一般有128學時，而江西警察學院普通物理的教學課時為51學時，由于課時總量偏少，實驗課僅占10學時，不到總課時的20%，開設的實驗項目無法涵蓋多學科內(nèi)容，也無法開展多層次的綜合性、設計性、研究性實驗教學。然而，物理實驗是一個復雜的、技術性很強的教學過程，沒有一定時間、空間的實驗技能積累，是無法提高學生的實踐創(chuàng)新能力，而且這也不符合科學實驗的規(guī)律。

3.普通物理實驗教學模式單一

當前，江西警察學院的物理實驗教學主要采用傳統(tǒng)的理論教學方法，即填鴨式、灌輸式，教師要用近一半的教學時間來講授實驗目的、設備、原理、方法、數(shù)據(jù)記錄與處理等。學生在沒有很好的實驗預習要求下，往往是被動地聽、匆忙地記教師講授的內(nèi)容，最后的實驗操作僅僅是為了完成實驗數(shù)據(jù)，撰寫實驗報告。這樣的實驗教學沒有充分發(fā)揮學生在實驗課中的主體作用，也使得學生沒有機會研究和思考實驗的目的和存在的問題。

二、普通物理虛擬仿真實驗教學平臺的構建

2017年，在中央財政支持地方高等院校專項資金資助下，江西警察學院與科技型企業(yè)合作，開發(fā)、引進了普通物理虛擬仿真實驗系統(tǒng)，并基于學院校園網(wǎng)和普通物理網(wǎng)絡課程構建了普通物理虛擬仿真實驗教學平臺。

1.普通物理虛擬仿真實驗系統(tǒng)

在普通物理虛擬仿真實驗系統(tǒng)的首頁，學生可以通過瀏覽器直接瀏覽實驗資源信息，它有豐富的指導信息和統(tǒng)一的操作流程，實驗界面易用性高;學生可以從Web上下載實驗大廳程序，20個仿真實驗項目的全部信息資料都在網(wǎng)上，供學生參考。運行實驗后，屏幕上會顯示實驗環(huán)境的實驗主場景，并顯示實驗數(shù)據(jù)表格、儀器欄、內(nèi)容欄、提示欄、工具箱、幫助、輔助欄。其中，仿真實驗項目可以根據(jù)本實驗中心的實際教學課程體系自由組織，滿足分層次、特色教學的需求，還可以自動統(tǒng)計各實驗項目的使用情況，展示仿真實驗在教學中起到的作用。

2.物理實驗預習與自動評判系統(tǒng)

物理實驗預習與自動評判系統(tǒng)采用B/S和C/S混合模式和全新的WPF技術，包括試題庫管理、試卷庫管理、預習平臺管理、自動判卷管理、學生預習等功能，學生可以在系統(tǒng)的預習大廳中進行預習。第一，試題庫管理。系統(tǒng)內(nèi)置相應實驗的操作題，且含有豐富的實驗習題和答案，支持單選、多選、填空、判斷等傳統(tǒng)題型，教師可增刪試題庫中的題目。第二，試卷庫管理。教師可針對每個實驗自行定制預習試卷，系統(tǒng)還具有擬分功能。第三，預習平臺管理。教師可以安排預習或查詢已經(jīng)安排過的預習，每場預習中，教師可以使用試卷庫中的多份試卷，并通過程序設定不同的學生使用不同的試卷。第四，自動判卷管理。學生提交試卷后，系統(tǒng)會自動評閱，教師可以在系統(tǒng)中查看、導出試卷成績及成績分布圖表，并利用分布曲線調(diào)整成績分布。在教師安排預習后，學生可以在安排的時間內(nèi)打開試卷進行實驗預習，并直接查看預習結果。

3.物理實驗考試與自動判卷系統(tǒng)

學生可以在物理實驗考試與自動判卷系統(tǒng)考試大廳中進行考試，系統(tǒng)包括考試平臺管理、自動判卷管理、學生考試等功能。第一，考試平臺管理。教師可以安排考試或查詢已經(jīng)安排過的考試，每場考試中，教師可以使用試卷庫中的多份試卷，通過本程序設定不同的學生使用不同的試卷。第二，自動判卷管理。學生提交試卷后，系統(tǒng)會自動評閱，教師可以在本系統(tǒng)中查看、導出試卷成績及成績分布圖表、利用分布曲線調(diào)整成績分布，學生可直接查看考試結果。第三，學生考試。在教師安排考試后，學生可以在安排的時間內(nèi)打開試卷進行實驗考試。

三、普通物理虛擬仿真實驗教學初步實踐

1.構建虛擬仿真實驗教學體系

依據(jù)本科專業(yè)三段式人才培養(yǎng)模式，在物理實驗教學中，江西警察學院注重學生基礎理論、基本知識、基本技能的培養(yǎng)，并利用物理虛擬仿真實驗教學平臺，構建了基礎型、綜合型、設計型的實驗教學體系，其中涵蓋力學、熱學、電磁學、光學、近代物理等分支學科的20個實驗項目，優(yōu)化了物理實驗課程體系的結構。

2.創(chuàng)新虛實結合的教學模式

虛實結合、相互補充是物理實驗教學的理念，所以教師要處理好實體實驗與虛擬實驗之間的關系。受實驗條件、實驗資源限制的項目，如一些微觀、強磁、低溫、高壓危險等實驗，適合采用虛擬仿真實驗;而驗證性、操作性比較強的項目，如“碰撞研究”“楊氏模量的測定”等實驗，一般選擇實體實驗;在同一實驗項目中，如“密立根油滴實驗”，擬與實體實驗各有優(yōu)勢，也各有不足，在教學中宜相互融合，實驗原理、實驗方法與實驗步驟是該實驗的教學重點和難點，學生在反復虛擬仿真實驗過程中，能有效理解和掌握理論知識和技能，最后在實體教學設備上進行實際操作，處理實驗數(shù)據(jù)，有效提升學習效率。

3.加強物理虛擬實驗教學師資建設

為了進一步加強物理虛擬實驗教學，江西警察學院和基礎理論教研部非常重視教學團隊的建設，引進了信息化技術專業(yè)人員充實師資隊伍，加強了與省內(nèi)外兄弟院校、企業(yè)的物理虛擬仿真實驗教學專家的技術和學術交流，鼓勵教師多渠道申請各級物理虛擬仿真實驗教學改革研究項目，研究虛擬仿真實驗教學模式、教學方法，研發(fā)和改進實驗教學課件、軟件，在一定程度上提高了物理虛擬仿真實驗教學的質(zhì)量。

4.強化物理虛擬實驗教學管理模式

實驗教學管理模式由統(tǒng)管改為分管，根據(jù)江西警察學院實驗室管理體制改革的要求，基礎物理實驗室及虛擬仿真實驗教學平臺統(tǒng)一劃歸基礎理論教研部管理，學院層面宏觀負責人、財、物及政策保障等，系部具體負責實驗教學、軟件開發(fā)和實驗設備維護等，職責明確，便于管理和教學。另外，實驗教學實行開放式教學模式，在用戶管理權限上，實現(xiàn)管理員、教師、學生三種權限分級管理，學生可以在網(wǎng)上自主選課，實驗學習成績可以通過管理系統(tǒng)自動錄入。而學院可建立虛擬仿真實驗系統(tǒng)服務器，維護和使用管理制度，指定專人對虛擬仿真實驗資源、技術軟件、網(wǎng)頁進行日常維護和信息更新。

在物理虛擬仿真實驗教學中，教師能通過圖片、文字等多種形式，給學生提供了豐富的物理學科知識，提高了學生自主學習能力，加深了學生對實驗設計思想、實驗方法的理解，培養(yǎng)了學生科學實驗的能力。同時，物理虛擬仿真實驗能突破時間和空間的限制，學生可以通過交互界面模擬操作實驗儀器，掌握實驗儀器、設備的原理與使用方法，并模擬演示實驗操作重點。此外，物理虛擬仿真實驗能實現(xiàn)在線交流，學生發(fā)現(xiàn)問題時可以隨時提出，并得到教師的解答，學生之間也可以交流實驗心得，提出實驗教學改進意見和建議。

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（作者單位：江西警察學院）