大學(xué)物理實驗室信息化建設(shè)探索

劉忠民　周琳　官盛果　劉正奇　閔秋應(yīng)　葉鵬輝

摘 要 大學(xué)物理實驗是各高校理工類專業(yè)開設(shè)的一門必修課，是高等學(xué)校理工科類專業(yè)對學(xué)生進行科學(xué)實驗基本訓(xùn)練的必修基礎(chǔ)課程，對培養(yǎng)學(xué)生操作、思考、協(xié)作等能力起著重要作用。重點介紹大學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)的作用和意義，以及實驗室和實驗室教學(xué)信息化管理對提高教學(xué)水平的貢獻。

關(guān)鍵詞 大學(xué)物理實驗；虛擬仿真實驗教學(xué)；實驗室；信息化管理

中圖分類號：G482 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）20-0014-03

Information Construction Exploration on University Physics Laboratory//LIU Zhongmin， ZHOU Lin， GUAN Shengguo， LIU Zhengqi， MIN Qiuyin， YE Penghui

Abstract University physics experiment is a required course for

science and engineering， it is a compulsory basic course for students

basic training of science and experiment to science and engineering， it is important in training students ability of operation， thinking and

cooperation and so on. This paper introduces the function， signifi-cance of virtual simulation experiment about University physics ex-periment teaching， and introduces contribution to laboratory and laboratory teaching information management how to improve the teaching level.

Key words college physics experiment； virtual simulation experi-ment teaching； lab； information management

1 引言

信息技術(shù)飛速發(fā)展惠及大學(xué)物理實驗室管理和實驗教學(xué)改革。目前，不少高校已完成或正在進行大學(xué)物理實驗室信息化平臺建設(shè)，其實質(zhì)是在傳統(tǒng)實驗室管理與實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上，利用電腦、信息采集、網(wǎng)絡(luò)通信及多媒體等技術(shù)，對實驗教學(xué)與管理進行信息采集、加工、處理與傳播，以實現(xiàn)實驗室的運行與管理數(shù)字化，實驗教學(xué)手段和方法的多樣化。其突出意義在于可拓展實驗教學(xué)與管理的時間和空間，給予學(xué)生更多自主學(xué)習(xí)、開放學(xué)習(xí)、高效學(xué)習(xí)和探索科學(xué)與真理的時空，也為師生交互教學(xué)提供更多更好的平臺。

2 建設(shè)大學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)中心

建設(shè)意義 由于大學(xué)物理實驗長期以分組教學(xué)為主，長期受教學(xué)環(huán)境和條件限制，普遍存在教學(xué)質(zhì)量低下和“走過場”現(xiàn)象。對江西師范大學(xué)300名理工科應(yīng)屆畢業(yè)生從理論課程與實驗課程兩方面進行問卷調(diào)查，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

按該屆學(xué)生實際做了12項大學(xué)物理實驗計算，記憶率只有12.5%。這說明大學(xué)物理實驗教學(xué)對理工類學(xué)生來說很多是走過場，與理論教學(xué)相比有巨大差距。經(jīng)教師交流討論，認為問題出在學(xué)生學(xué)習(xí)鏈上，如表2所示。

表2的實驗教學(xué)與理論教學(xué)比較得出：1）實驗教學(xué)少了復(fù)習(xí)和考試兩個環(huán)節(jié)；2）實驗教學(xué)單個實驗的學(xué)習(xí)時間太少；3）實驗教師憑印象打分，幾乎全及格，通過率99%；

4）實驗預(yù)習(xí)效果如何，實驗數(shù)據(jù)的處理等是否本人完成，等等，不可控因素太多；5）學(xué)生實驗報告中存在的問題不能及時反饋，師生溝通缺乏更多渠道。可見當下大學(xué)物理實驗教學(xué)存在不少問題。

建設(shè)目標 建設(shè)大學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)，須面向參與大學(xué)物理實驗的所有學(xué)生，以培養(yǎng)學(xué)生掌握理論聯(lián)系實際的思維方式和提高實踐能力為目標。通過建設(shè)優(yōu)質(zhì)的虛擬實驗教學(xué)資源，建設(shè)共享平臺，并將虛擬實驗和真實實驗相結(jié)合，創(chuàng)建一套有效的教學(xué)模式，打造一支高水平的虛實結(jié)合的實驗教學(xué)團隊[1]。通過購置或開發(fā)與本校真實儀器相似的仿真軟件，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

1）建設(shè)公共仿真教學(xué)管理平臺。將虛擬仿真實驗資源有效地應(yīng)用于預(yù)習(xí)、實驗、復(fù)習(xí)、考試等各個教學(xué)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)虛擬實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化、信息化，既實現(xiàn)教學(xué)效果，又可大大減小實驗教師的教學(xué)與管理強度。仿真實驗是實物實驗教學(xué)的演練，須具有測試功能并給出預(yù)習(xí)完成的分數(shù)，設(shè)置合格門檻，且只有合格的學(xué)生才可參與實物實驗教學(xué)。

2）建立虛實結(jié)合的教學(xué)機制。實物分組大學(xué)物理實驗需大量儀器與師資，因教學(xué)時間短，學(xué)生思考與操作時間有限，后期又缺乏復(fù)習(xí)，效果不太好。在原物理實驗基礎(chǔ)上，開發(fā)虛擬實驗，并力爭虛擬實驗儀器與實際實驗儀器完全吻合，鼓勵教師探索和研究實驗教學(xué)新方法與模式，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗在教學(xué)中的作用，利于提高教學(xué)質(zhì)量，這也是將來實驗教學(xué)的新方向。

3）建立虛擬仿真實驗教學(xué)中心信息化管理系統(tǒng)。虛擬仿真實驗教學(xué)也需監(jiān)控和管理，建立信息化管理中心，有利于保障虛擬仿真實驗在教學(xué)環(huán)節(jié)發(fā)揮應(yīng)有作用和穩(wěn)定運行。

4）仿真實驗平臺的每個實驗盡量與實物實驗教學(xué)相吻合。軟件公司制作的軟件，一般根據(jù)市場最通用儀器來模擬仿真，若軟件可實現(xiàn)根據(jù)自身儀器進行修改，將是一款非常優(yōu)秀的軟件。軟件公司除教會學(xué)校教師使用外，更要教會教師根據(jù)各學(xué)校的具體儀器來編寫仿真實驗。endprint

3 建設(shè)大學(xué)物理實驗室信息化管理中心

建設(shè)意義 目前，高校大學(xué)物理實驗室做到真正信息化管理的還是少數(shù)，從實驗室管理到實驗教學(xué)，幾乎還是人工管理與現(xiàn)場教學(xué)的老模式。有些高校建設(shè)了開放實驗室，實際自覺來做實驗的學(xué)生很少，也沒真正發(fā)揮開放教學(xué)的作用；有些高校買了仿真軟件，但軟件還沒有完全用起來。如何調(diào)動學(xué)生自我學(xué)習(xí)的能動性？如何建立更好的師生教學(xué)交流平臺？如何讓學(xué)生獲得更好更多的教學(xué)資源？如何給愛學(xué)、善學(xué)學(xué)子創(chuàng)造良好時空平臺？這些是目前明確大學(xué)物理實驗教學(xué)改革方向需要考慮的問題。

建設(shè)目標 建設(shè)信息化管理中心，須以學(xué)生為中心，以提高教學(xué)質(zhì)量為中心，以優(yōu)化師資、減輕教師工作強度為中心；以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自我管理、獨立思考與實踐能力為目標，以較少師資和管理人員而能實現(xiàn)優(yōu)良教學(xué)效果為目標。

通過建設(shè)智能化實驗室管理系統(tǒng)，實現(xiàn)學(xué)生自主預(yù)約實驗，實驗室智能化管理，實驗過程智能記錄，實驗報告網(wǎng)上提交、批改、查重等，從而給學(xué)生提供真正自主實驗、自主探索的時空。若能實現(xiàn)大學(xué)城校際師生共享教學(xué)課件、共享實驗設(shè)備，相互承認實驗成績，必將大大促進和提高大學(xué)物理實驗之教學(xué)水平。

1）建設(shè)教學(xué)管理與學(xué)生自主選排課系統(tǒng)。以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教學(xué)是激發(fā)學(xué)生興趣、確保教學(xué)質(zhì)量、實現(xiàn)教學(xué)目標的基本保證[2]。信息化實驗教學(xué)是實施以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教學(xué)理念和教學(xué)方法的有效途徑。信息化教學(xué)側(cè)重開放性實驗教學(xué)，是指實驗的內(nèi)容、實驗教學(xué)的時間和空間對學(xué)生開放。學(xué)生可根據(jù)各自的實驗基礎(chǔ)、感興趣的領(lǐng)域，自主安排時間到開放實驗室完成實驗。開放性實驗教學(xué)在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)時間和空間上給予學(xué)生充分自主性，充分滿足學(xué)生個性化教學(xué)的需要。

2）建設(shè)課件等教學(xué)資源庫共享系統(tǒng)。教學(xué)資源建設(shè)是實施教育信息化的基礎(chǔ)，需要長期建設(shè)和維護。由于教學(xué)資源的內(nèi)容豐富多彩，形式多種多樣，因此，一個高效的教學(xué)資源管理應(yīng)用系統(tǒng)，是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息化教育系統(tǒng)中一個重要的、必不可少的基礎(chǔ)系統(tǒng)。實驗教師的教學(xué)課件、教學(xué)視頻等，學(xué)生優(yōu)秀的實驗報告等，均可作為教學(xué)資源予以共享。

3）建設(shè)實驗預(yù)習(xí)自動評判系統(tǒng)。實驗講義對實驗原理、實驗內(nèi)容、儀器操作等均有詳細介紹，但不少學(xué)校實際實驗儀器與講義介紹儀器不一致。各高校因師資力量、教學(xué)儀器等的限制，很難供給學(xué)生大面積實驗預(yù)習(xí)的環(huán)境，使學(xué)生無法對實驗環(huán)境建立直觀認識。由于教學(xué)時間和教學(xué)模式限制，教師也無法有效對學(xué)生的預(yù)習(xí)情況進行有效檢查，因此導(dǎo)致不少學(xué)生的大學(xué)物理實驗不過是“走過場”，純粹為攢學(xué)分而來，嚴重影響了實驗教學(xué)質(zhì)量。

若將實驗原理、實驗內(nèi)容、操作概念、數(shù)據(jù)記錄、關(guān)鍵公式及思考題等以填空與選擇題形式放入實驗預(yù)習(xí)系統(tǒng)，給出門檻分數(shù)，并結(jié)合仿真實驗教學(xué)，達標后才能進入下一步教學(xué)，顯然對實驗預(yù)習(xí)能起到很好的督促與指導(dǎo)作用。

4）建設(shè)實驗過程智能記錄系統(tǒng)。實驗過程智能記錄如能實施，將對實驗過程、結(jié)果等數(shù)據(jù)的真?zhèn)尾樽C起到重要作用，也對實驗數(shù)據(jù)丟失后再次查找非常有幫助。但真正要實施，涉及信號采集、轉(zhuǎn)換、計算及軟件處理等多個環(huán)節(jié)，成本將會很大。若能開發(fā)大學(xué)物理實驗APP，學(xué)生智能手機安裝APP，作為數(shù)據(jù)采集、記錄、上傳的平臺，顯然能節(jié)約大量資金，也是實施創(chuàng)新教學(xué)的新思路。

5）建設(shè)實驗報告自動查重與評閱系統(tǒng)。學(xué)生完成實驗報告和教師評閱實驗報告是實驗教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。實驗報告體現(xiàn)出學(xué)生的數(shù)據(jù)處理、分析、綜合思考和創(chuàng)新能力。教師通過評閱實驗報告，可掌握學(xué)生對該實驗的實驗原理、操作及數(shù)據(jù)處理等是否正確，學(xué)生是否真正領(lǐng)悟整個實驗。實驗報告對總結(jié)教學(xué)中存在的問題、針對性調(diào)整教學(xué)思路非常關(guān)鍵。在上千學(xué)生的大學(xué)物理實驗教學(xué)中，因教師人數(shù)有限、實驗報告評閱量大，實驗報告評閱的質(zhì)量難以保證，影響了實驗教學(xué)的質(zhì)量和評分公平公正度。若學(xué)生在網(wǎng)上提交實驗報告，電腦可自動根據(jù)關(guān)鍵點評判，能自動查找出抄襲內(nèi)容，將大大減小實驗教師的工作強度，又可提高評閱質(zhì)量和評分公正度。

6）建設(shè)實驗室智能管理系統(tǒng)。實驗室智能管理涉及門禁、電源開關(guān)、監(jiān)控、預(yù)習(xí)是否合格等一系列聯(lián)動動作。學(xué)生在網(wǎng)上預(yù)習(xí)合格后，方可用學(xué)生證打開實驗室門禁進入實驗室做實驗；進入實驗室，啟動電源開關(guān)，實驗室電源通電，實驗過程監(jiān)控同時開始工作，監(jiān)控對學(xué)生在實驗室的整個實驗過程進行記錄；實驗完成，刷卡后門關(guān)閉，五分鐘后實驗室自動切斷電源與監(jiān)控。

7）建設(shè)師生教學(xué)交流管理平臺。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)以教師的主動講授和學(xué)生的被動接受為特征，教師注重通過語言的講述和行為的灌輸來實現(xiàn)知識傳授。課堂教學(xué)往往過于單一，教師占據(jù)教學(xué)的主體地位，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性得不到充分的體現(xiàn)和發(fā)揮，嚴重束縛了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、主動性和創(chuàng)造性。建設(shè)師生互動教學(xué)交流平臺，方便學(xué)生提問、教師答疑解疑，師生共同解決問題的同時，也無形中提高了教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)束語

當前，不少高校已建設(shè)大學(xué)物理實驗室信息共享平臺，但因軟件、管理或教師原因，花了幾十萬建設(shè)的管理與教學(xué)平臺并未發(fā)揮應(yīng)有作用。如何建設(shè)并利用信息化平臺，真正做到物盡其用？但愿本文能起到些許啟發(fā)和指導(dǎo)作用。

參考文獻

[1]張建.大學(xué)物理虛擬仿真實驗室的研究與開發(fā)[D].長春：吉林大學(xué)，2007.

[2]周志堅，向裕民，向必純，等.“以學(xué)生為主體 教材為載體 教師為主導(dǎo)”的教學(xué)模式探討：以大學(xué)物理為例[J].四川理工學(xué)院學(xué)報：社會科學(xué)版，2007（10）：1-2.endprint