仿真實驗在大學物理實驗考核中應用的探討

仿真實驗在大學物理實驗考核中應用的探討

杜 寧

(唐山學院基礎教學部河北 唐山063000)

摘 要：介紹大學物理仿真實驗的特點，討論了我院大學物理實驗考核的現狀，探討了仿真實驗在物理實驗考核中應用的思路．

關鍵詞：仿真實驗大學物理實驗考核

作者簡介：杜寧(1980-),女，碩士，實驗師，主要從事物理實驗研究.

收稿日期：(2015-05-09)

物理實驗是物理學的基礎，大學物理實驗反映了理工科及各個學科科學實驗共性和普遍性的問題．通過實驗，不僅可以培養學生的動手實踐能力，嚴謹的科學思維、創新能力，還可以培養學生理論聯系實際，與科學技術發展相適應的綜合能力，在適應科技發展與社會進步對人才的需求等方面起著舉足輕重的作用．

隨著以數字化為核心的信息技術的高度發展，在全面實施以教師為主導，以學生為主體的實驗教學中，必須充分利用和發揮信息化技術，使物理實驗教學手段的信息化、網絡化成為大勢所趨．

為使傳統物理實驗向設計研究性、開放性創新實驗轉變并大面積地展開，同時也隨著實驗室信息化建設的迅猛發展，仿真實驗應運而生．

1仿真實驗

仿真技術是以相似原理、信息技術、系統技術及其應用領域有關的專業技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行實驗研究的一門綜合技術．它集成了計算機技術、網絡技術、圖形圖像技術、多媒體、軟件工程、信息技術、人工智能等多個高新領域的知識．在教學活動中，特別是實驗教學中引入仿真技術，將使教學方式發生根本性的變化，并能夠獲得顯著的教學效果[1]．

利用《大學物理仿真實驗》，作為真實物理實驗的補充，創新教學模式，具有以下特點[2]：

(1)計算機仿真實驗把實驗設備、實驗內容(包括理論教學)、教師指導和學生的思考、操作融為一體，形成一部可操作教學資源，活的教科書．滿足不同層次學生的求知需求，開拓視野，提高學生學習實驗的興趣．實驗前學生可選擇查看圖文并茂的實驗原理、實驗步驟、注意事項，對照儀器邊看邊預習，為學生提供了自主學習的環境．

(2)仿真實驗解決了實驗室師資與學生規模失調的問題，克服了實驗教學在時間上和空間上受限制的困擾．解決了對大面積學生開設設計性、研究性、開放性實驗教學資源不足的困擾．

(3)實驗用到的調節難度大的儀器、大型貴重儀器，比如分光計、STM隧道顯微鏡等，需要安排學生先做仿真實驗、熟悉儀器操作和實驗過程后再上真實儀器上操作．這樣可提高真實實驗的教學效果，縮短真實實驗的時間，提高設備利用率和安全性．與真實實驗相結合實現兩段式教學模式．

(4)很多儀器都是“黑匣子”，學生不明白儀器的內部結構和實驗過程中的變化，不利于學生對實驗儀器及其原理的理解，而仿真實驗可以讓學生了解更多地實驗儀器內部的變化，了解儀器內部運行過程．而且對很多現象有解釋，這樣可大大提高教學效果．

2當前我院大學物理實驗考試的現狀

我們實驗室考試學生實行“操作+書面”相結合的考試形式,參加考試的學生由抽簽確定考試內容(考試內容為所學實驗項目)，要求1人1題1套儀器，在2h的規定時間內完成考試的全過程．操作考試包括組裝與調節實驗儀器、實驗步驟的操作、實驗程序是否規范、數據記錄正確與否、是否有創新點等內容．在操作題中按照儀器連接、調試、測量，教師分步驟給分．最后，學生把自己的實驗數據在試卷上按要求處理完畢即可交卷．我們將每次實驗報告成績平均，折算為平時成績，再按平時實驗成績和考試成績分別占有的比例匯總為學生的總評成績．

通過這種形式的考試，雖然在一定程度上提高了學生的動手和創新能力，但是我們也發現了它的一些弊端．比如，由于實驗課受學時的限制，對于動手能力差的學生來說，操作過程不理想直接就影響到以后的計算，最終影響考試成績．另一方面，無形中大大增加了教師的工作量．按每學期1 200名學生計算，我們每次考試只能安排4個實驗項目，每個項目10臺儀器，即需30場考試，每次4位監考教師(一位教師負責一個項目)，共需120次監考，實驗室共有6位教師，平均下來每人監考20次．以現在的考試狀況來說，監考的工作量太大了．并且每個同學的數據不一樣，計算結果的多樣性，給我們的閱卷也帶來了很多麻煩．

3仿真實驗應用在大學物理實驗考核中實現無紙化

仿真實驗在教學中與傳統教學相結合，已取得了一定的成效．但是將其應用于考試，還都在一個初步試用階段[3]．針對目前大學物理實驗教學中普遍存在實驗設備和課時不足、教師工作量繁重等瓶頸，影響學生實驗能力無法考核的問題，我們可以采用B/S和C/S混合模式和全新的Sliverlight，WPF技術，讓學生在WEB上或系統的考試大廳中進行考試．

3.1仿真無紙化考試的特色

(1)考試時學生所做的每個操作實驗中都是隨機產生的初始物理量，這樣每個學生和每次實驗操作所測得的正確結果是不同的，從根本上避免了考場作弊的問題．

(2)教師在安排考試時每場考試可以同時使用多份試卷，并通過計算機設定不同學生對應不同試卷，試卷多樣化，也可以避免考場作弊的問題．

(3)教師可以選擇操作實驗項目，并調用試題庫中的題目進行組卷，同時擬定評分標準．并且系統可根據教師擬定的評分標準進行自動閱卷、統計成績．最后，教師可以很方便地查閱系統評閱結果(允許教師可以對試卷進行人工修改，調整自動評閱的結果)．

3.2考試流程

考試流程圖如圖1所示.

圖1　考試流程圖

(1)教師/管理員出題．

(2)教師指定操作實驗，并調用試題庫中的試題組卷、擬分，提交至試卷庫．

(3)教師安排考試欄，確定考試試卷(從試卷庫中調用)，設定使用本試卷的學生．

(4)學生登陸考試大廳在教師安排的時間內打開考卷進行考試．

(5)系統自動評閱，并得出成績統計表及統計分布圖．

(6)教師對成績進行查看、調整、導出．

(7)在查詢權限開放后，學生可查詢自己的成績．

仿真設計考試，可以解決我們實驗室目前所面臨的問題．但它的設計應用還要注重考慮系統的易于維護，并具備擴展性，保證運行的安全性和可靠性，設計的科學性等等[4]，這都需要一個不斷完善的過程．

4結束語

仿真實驗應用于大學物理實驗考核應該說是一種創新與探索，它優于紙質的試卷考試，但也存在不及實驗操作考試的不足，比如不能體現學生的真實動手能力水平等．應該說這是一種特定的專用考試系統，我們要在日常的實驗教學中，充分利用原有的仿真環境，結合具體的實驗項目，兩者相輔相成，不斷完善，以便更好地適應和體現實驗考試的要求．

仿真實驗教學系統的發展還處于初級階段，有很大的發展空間，它的發展是一個長期漸進、不斷完善的過程，我們應在實踐中認真教研、恰當使用、合理開發、豐富完善，形成一個靈活多樣、適應不同層次、不同專業要求的新型的實驗教學體系，來實現與真實實驗教學的最佳結合．仿真實驗考核系統的應用和推廣，將有效提升大學物理實驗教學效果，促進大學物理實驗教學改革和發展．

參 考 文 獻

1劉利娜,岳素榮,臧春和,張東梅.仿真實驗在大學物理實驗教學中的地位和作用.中國科技信息，2012(7):213

2王曉蒲,霍劍青,楊旭,袁泉,郭玉剛.大學物理仿真實驗和教學實踐.物理實驗， 2001，21(1)：28～29

3馬如遠，朱永安.計算機仿真在大學物理實驗教學中的應用探討.裝備制造技術，2013(8)：212～214

4王永喜.虛擬實驗室在遠程實驗教學中應用探討.中國教育技術裝備，2010(12):89～90