物理仿真實驗在大學(xué)物理實驗教學(xué)改革中的應(yīng)用

王雪梅

0 引言

物理實驗是高等學(xué)校理工科院校學(xué)生進行科學(xué)實驗基本訓(xùn)練的一門必修基礎(chǔ)課程，是大學(xué)生接受系統(tǒng)的實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的開端[1]，在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和創(chuàng)新意識、提高科學(xué)素養(yǎng)方面也發(fā)揮著重要作用。但是，目前物理實驗課的普遍存在著課時不斷壓縮，專職實驗教師嚴(yán)重不足；傳統(tǒng)的以教師為主、單純的知識傳授教學(xué)模式桎梏了學(xué)生個性化學(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，對于一些復(fù)雜的、實驗條件要求高的、實際實驗有危險的實驗，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率非常低，學(xué)習(xí)效果要么達不到，要么根本就沒有，這些都使得物理實驗課沒有充分發(fā)揮其在人才培養(yǎng)中應(yīng)有的作用。

基于計算機虛擬技術(shù)的大學(xué)物理仿真實驗, 可以對每個實驗做整體模擬，實現(xiàn)實驗環(huán)境、實驗儀器及操作過程的模擬。物理仿真實驗有助于減少儀器設(shè)備及實驗耗材的投入，還能使學(xué)生在計算機上對一些實驗設(shè)備昂貴、實驗過程危險的近現(xiàn)代物理實驗進行模擬實驗；此外，學(xué)生借助校園網(wǎng)或Internet 網(wǎng)絡(luò)，隨時隨地就可以登錄系統(tǒng)進行學(xué)習(xí)[2-3]；物理仿真實驗為學(xué)生營造了自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，使大面積開設(shè)開放性、設(shè)計性、研究性實驗成為可能[4]。將大學(xué)物理仿真實驗應(yīng)用于物理實驗教學(xué)是我校實驗教學(xué)改革的一項重要內(nèi)容，經(jīng)過幾年的探索與實踐，目前我校已逐步搭建起大學(xué)物理仿真實驗教學(xué)平臺。

1 大學(xué)物理仿真實驗系統(tǒng)的應(yīng)用

我們根據(jù)教學(xué)實際引進并開發(fā)的大學(xué)物理仿真實驗教學(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)布各類試卷、安排考試等；任課教師可以通過系統(tǒng)查看課程并導(dǎo)出學(xué)生成績等。

圖1 仿真實驗教學(xué)管理系統(tǒng)

1.2 實驗預(yù)習(xí)自動評判系統(tǒng)

課程負(fù)責(zé)人通過實驗題庫選題組織預(yù)習(xí)試卷并發(fā)布；學(xué)生通過預(yù)習(xí)系統(tǒng)，在線完成實驗原理、實驗內(nèi)容的學(xué)習(xí)、并模擬實驗操作，完成預(yù)習(xí)試卷并提交，系統(tǒng)自動評判，即時給出分?jǐn)?shù)。

1.3 實驗報告自動評閱系統(tǒng)

實驗報告模板由教研室所有任課教師參與編寫，由軟件開發(fā)公司負(fù)責(zé)發(fā)布，學(xué)生在線完成報告并提交，評閱報告既可以系統(tǒng)自動評閱，又有教師手動評閱功能。

1.4 實驗考試自動判卷系統(tǒng)

課程負(fù)責(zé)人通過實驗題庫選擇各實驗相關(guān)題目進行組卷，有理論題目及操作題目兩部分。理論題目分單選題、多選題、判斷題、填空題等多種形式，主要考核實驗方法、數(shù)據(jù)處理方法、讀數(shù)規(guī)則、有效數(shù)字等。操作題目主要針對實驗所測定的物理量進行設(shè)定。學(xué)生在線完成后提交，系統(tǒng)自動評閱。

1.5 開放實驗室管理系統(tǒng)

由系統(tǒng)管理員對實驗室開放進行管理，可設(shè)置實驗室開放時間、門禁激活、設(shè)置預(yù)約等；學(xué)生通過開放系統(tǒng)預(yù)約實驗題目、實驗室及進入實驗室時間等，實現(xiàn)了實驗室的全天候開放。

1.6 計算機仿真實驗大廳

除了上述幾個功能強大的子系統(tǒng)，我們還配有模擬實驗室操作環(huán)境的仿真實驗大廳，見圖2。大廳中包含34 個普通物理實驗、6 個近代物理實驗及6 個虛擬現(xiàn)實（VR）實驗。涵蓋了基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性及設(shè)計性實驗。

圖2 仿真實驗大廳主頁面

2 物理仿真實驗在教學(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

先進的計算機虛擬技術(shù)使虛擬實驗環(huán)境界面逼真、實驗可操作性強[5]，學(xué)生預(yù)習(xí)實驗不再是“紙上談兵”，而是在虛擬實驗室環(huán)境下，進行實驗的模擬操作，極大地調(diào)動了學(xué)生主動預(yù)習(xí)的積極性；另外，對于像密立根油滴實驗，油霧孔極易因噴油量過多而阻塞，學(xué)生越找不到油滴越拼命噴油，結(jié)果本來是測油滴帶電量的實驗，往往最后變成找油滴實驗。我們就把這個實驗設(shè)成仿真實驗，學(xué)生在有限的課程時間里就可以把精力更多地用在了解實驗設(shè)計思想、理解實驗原理以及對油滴電量的測量上，極大地提高了學(xué)習(xí)效率，增強了學(xué)習(xí)效果。

2.2 豐富教學(xué)內(nèi)容，拓寬學(xué)生視野

過去由于學(xué)時限制，只能開出為數(shù)不多的幾個實驗；對于一些儀器設(shè)備昂貴或?qū)嶒灄l件要求高的實驗，尤其是一些近現(xiàn)代物理實驗難以正常開設(shè)，學(xué)生通過實驗得到的訓(xùn)練很少。改革之后，我們委托公司開發(fā)了康普頓散射、核磁共振成像等實驗，滿足了新形勢下物理實驗教與學(xué)的需求。學(xué)生也通過這些實驗豐富了知識，加深了理解，增強了運用知識解決實際問題的意識。

2.3 突破時空限制，營造自主學(xué)習(xí)環(huán)境

只要有網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生用自己的賬號和密碼登錄系統(tǒng)就能夠?qū)W習(xí)，而不必局限于實驗室和真實的儀器，使實驗教學(xué)在時間和空間上得到延伸，使我們開設(shè)開放性、設(shè)計性實驗成為可能。我們委托公司開發(fā)了力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)的三類設(shè)計性實驗。每類實驗建物理仿真儀器庫，學(xué)生可以自主設(shè)計實驗方案、靈活選擇和組合儀器、采用不同的方法完成實驗，滿足了不同層次學(xué)生個性化學(xué)習(xí)的需求，同時也激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造熱情、啟發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新意識。

3 結(jié)束語

虛擬仿真實驗教學(xué)作為“互聯(lián)網(wǎng)+教育”新形態(tài)的載體，它拓展了實驗教學(xué)內(nèi)容的廣度與深度、延伸了實驗教學(xué)的時間與空間、彌補了資金與師資等方面的不足，對于提高我校物理實驗教學(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。