物理仿真實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用

王雪梅

0 引言

物理實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校理工科院校學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本訓(xùn)練的一門(mén)必修基礎(chǔ)課程，是大學(xué)生接受系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開(kāi)端[1]，在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和創(chuàng)新意識(shí)、提高科學(xué)素養(yǎng)方面也發(fā)揮著重要作用。但是，目前物理實(shí)驗(yàn)課的普遍存在著課時(shí)不斷壓縮，專(zhuān)職實(shí)驗(yàn)教師嚴(yán)重不足；傳統(tǒng)的以教師為主、單純的知識(shí)傳授教學(xué)模式桎梏了學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)需求；傳統(tǒng)的教學(xué)手段難以激發(fā)90 后、00 后學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；另外，對(duì)于一些復(fù)雜的、實(shí)驗(yàn)條件要求高的、實(shí)際實(shí)驗(yàn)有危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率非常低，學(xué)習(xí)效果要么達(dá)不到，要么根本就沒(méi)有，這些都使得物理實(shí)驗(yàn)課沒(méi)有充分發(fā)揮其在人才培養(yǎng)中應(yīng)有的作用。

基于計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn), 可以對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)做整體模擬，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)儀器及操作過(guò)程的模擬。物理仿真實(shí)驗(yàn)有助于減少儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)耗材的投入，還能使學(xué)生在計(jì)算機(jī)上對(duì)一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴、實(shí)驗(yàn)過(guò)程危險(xiǎn)的近現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)；此外，學(xué)生借助校園網(wǎng)或Internet 網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)隨地就可以登錄系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)[2-3]；物理仿真實(shí)驗(yàn)為學(xué)生營(yíng)造了自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，使大面積開(kāi)設(shè)開(kāi)放性、設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)成為可能[4]。將大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一項(xiàng)重要內(nèi)容，經(jīng)過(guò)幾年的探索與實(shí)踐，目前我校已逐步搭建起大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

1 大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

我們根據(jù)教學(xué)實(shí)際引進(jìn)并開(kāi)發(fā)的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)框架如下圖1。

1.1 教學(xué)管理與選排課系統(tǒng)

系統(tǒng)管理員可以發(fā)布課程信息、設(shè)置教師課程、發(fā)布各類(lèi)試卷、安排考試等；任課教師可以通過(guò)系統(tǒng)查看課程并導(dǎo)出學(xué)生成績(jī)等。

圖1 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)自動(dòng)評(píng)判系統(tǒng)

課程負(fù)責(zé)人通過(guò)實(shí)驗(yàn)題庫(kù)選題組織預(yù)習(xí)試卷并發(fā)布；學(xué)生通過(guò)預(yù)習(xí)系統(tǒng)，在線(xiàn)完成實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的學(xué)習(xí)、并模擬實(shí)驗(yàn)操作，完成預(yù)習(xí)試卷并提交，系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)判，即時(shí)給出分?jǐn)?shù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)報(bào)告自動(dòng)評(píng)閱系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板由教研室所有任課教師參與編寫(xiě)，由軟件開(kāi)發(fā)公司負(fù)責(zé)發(fā)布，學(xué)生在線(xiàn)完成報(bào)告并提交，評(píng)閱報(bào)告既可以系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)閱，又有教師手動(dòng)評(píng)閱功能。

1.4 實(shí)驗(yàn)考試自動(dòng)判卷系統(tǒng)

課程負(fù)責(zé)人通過(guò)實(shí)驗(yàn)題庫(kù)選擇各實(shí)驗(yàn)相關(guān)題目進(jìn)行組卷，有理論題目及操作題目?jī)刹糠帧＠碚擃}目分單選題、多選題、判斷題、填空題等多種形式，主要考核實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理方法、讀數(shù)規(guī)則、有效數(shù)字等。操作題目主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)所測(cè)定的物理量進(jìn)行設(shè)定。學(xué)生在線(xiàn)完成后提交，系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)閱。

1.5 開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)

由系統(tǒng)管理員對(duì)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放進(jìn)行管理，可設(shè)置實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間、門(mén)禁激活、設(shè)置預(yù)約等；學(xué)生通過(guò)開(kāi)放系統(tǒng)預(yù)約實(shí)驗(yàn)題目、實(shí)驗(yàn)室及進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)間等，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室的全天候開(kāi)放。

1.6 計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)大廳

除了上述幾個(gè)功能強(qiáng)大的子系統(tǒng)，我們還配有模擬實(shí)驗(yàn)室操作環(huán)境的仿真實(shí)驗(yàn)大廳，見(jiàn)圖2。大廳中包含34 個(gè)普通物理實(shí)驗(yàn)、6 個(gè)近代物理實(shí)驗(yàn)及6 個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）實(shí)驗(yàn)。涵蓋了基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

圖2 仿真實(shí)驗(yàn)大廳主頁(yè)面

2 物理仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中發(fā)揮的作用

2.1 提高教學(xué)效率，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情

先進(jìn)的計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)使虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境界面逼真、實(shí)驗(yàn)可操作性強(qiáng)[5]，學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)不再是“紙上談兵”，而是在虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的模擬操作，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生主動(dòng)預(yù)習(xí)的積極性；另外，對(duì)于像密立根油滴實(shí)驗(yàn)，油霧孔極易因噴油量過(guò)多而阻塞，學(xué)生越找不到油滴越拼命噴油，結(jié)果本來(lái)是測(cè)油滴帶電量的實(shí)驗(yàn)，往往最后變成找油滴實(shí)驗(yàn)。我們就把這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)成仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在有限的課程時(shí)間里就可以把精力更多地用在了解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想、理解實(shí)驗(yàn)原理以及對(duì)油滴電量的測(cè)量上，極大地提高了學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)效果。

2.2 豐富教學(xué)內(nèi)容，拓寬學(xué)生視野

過(guò)去由于學(xué)時(shí)限制，只能開(kāi)出為數(shù)不多的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)；對(duì)于一些儀器設(shè)備昂貴或?qū)嶒?yàn)條件要求高的實(shí)驗(yàn)，尤其是一些近現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)難以正常開(kāi)設(shè)，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的訓(xùn)練很少。改革之后，我們委托公司開(kāi)發(fā)了康普頓散射、核磁共振成像等實(shí)驗(yàn)，滿(mǎn)足了新形勢(shì)下物理實(shí)驗(yàn)教與學(xué)的需求。學(xué)生也通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)豐富了知識(shí)，加深了理解，增強(qiáng)了運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的意識(shí)。

2.3 突破時(shí)空限制，營(yíng)造自主學(xué)習(xí)環(huán)境

只要有網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生用自己的賬號(hào)和密碼登錄系統(tǒng)就能夠?qū)W習(xí)，而不必局限于實(shí)驗(yàn)室和真實(shí)的儀器，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間和空間上得到延伸，使我們開(kāi)設(shè)開(kāi)放性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)成為可能。我們委托公司開(kāi)發(fā)了力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)的三類(lèi)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。每類(lèi)實(shí)驗(yàn)建物理仿真儀器庫(kù)，學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、靈活選擇和組合儀器、采用不同的方法完成實(shí)驗(yàn)，滿(mǎn)足了不同層次學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的需求，同時(shí)也激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造熱情、啟發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為“互聯(lián)網(wǎng)+教育”新形態(tài)的載體，它拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度與深度、延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間與空間、彌補(bǔ)了資金與師資等方面的不足，對(duì)于提高我校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才方面發(fā)揮了重要作用。