Python在虛擬大學物理實驗中的應用研究

張婕妤 呂懌彤 孫碧蓮 王琪 趙興東

【摘? ?要】伴隨著信息化技術和虛擬仿真實驗教學的發展，虛擬大學物理實驗逐漸成為了大學物理教學改革的重要組成部分，同時越來越多的計算機語言和技術被用于在線實驗課程和虛擬仿真平臺建設。與此同時，關于如何科學定量的評估它們的可行性的研究是比較匱乏的。本文通過建立模糊綜合評價模型從不同的角度評估了Python在虛擬大學物理實驗中的可行性，充分考慮了學生的學習成效、教師的教學評價和基于計算機語言的多媒體應用。結合問卷分析，模糊綜合評價模型結果表明Python軟件在虛擬大學物理實驗中可以起到非常重要的作用，應用可行性很高。最后，我們還探討了Python在虛擬大學物理實驗中的教學過程實施。這里的結果將對虛擬仿真實驗的開展和物理教學的定量評估有著指導性意義。

【關鍵詞】Python;仿真模擬;大學物理實驗;模糊綜合評價;教學評估

引言

大學物理實驗是學生進行科學實驗訓練的基礎課程，對大部分專業而言是一門必修課程。面對教學對象的多樣性，由于非物理專業的學生知識積累欠缺，組織課堂教學會產生困難。再者受疫情影響，線上教學成為了僅次于課堂教學的主要教學模式。作為一門以實驗為主的課程，如何開展線上教學，已經成為了一個亟待探討的問題。

計算機仿真實驗平臺為實驗教學提供了軟件資源共享、硬件完善、遠程操作三者結合的數據資源庫，將傳統實驗教學和虛擬仿真技術融合在一起，在資源信息共享的基礎上提高了教學效果。Python是一種面向對象、易于擴展的解釋型計算機語言，相比其他軟件而言其語法簡單易學，自由發揮空間比較大，自適應能力和可移植性比較強，免費開源，易于拓展，在數值計算和模擬仿真方面有著自己的優越之處。因此可以借助Python軟件實現大學物理實驗模擬仿真線上教學，加深學生對知識的理解，增強學生的學習興趣。

本文將通過建立數學模型對python在虛擬大學物理實驗中的可行性進行定量評價，由于其本身是一個多層次的評價問題，涉及的內容較多，在人們心中的界限是模糊的。為了保證評價的科學性和客觀性，我們將利用模糊綜合評價方法研究Python在虛擬大學物理實驗中的應用，并從學習成效、教學評價、多媒體應用的角度建立了評價模型對其進行定量分析。

1.模糊綜合評價模型的建立

在生產生活以及科學研究中，我們經常會遇到模糊的現象或概念，隨著科學技術的發展，對于這些存在模糊概念的實際問題往往都需要給出定量的分析。而Python在虛擬仿真大學物理實驗中的應用研究是個較復雜的過程，需要考慮學生的專業素養、學校的培養目標、教學效果、多媒體的應用推廣、實驗本身的難易程度等。由此我們利用模糊評價通過精確的數字手段處理模糊的評價對象，對Python在虛擬大學物理實驗仿真的應用作出比較科學、合理、貼近實際的量化評價。

經校內專家評估，本文從學習成效、教學評價、多媒體應用三個方面對Python模擬仿真大學物理實驗教學進行評價。

從學習成效方面而言，我們從學生對專業知識的理解程度、自主創新能力的開發和對時域的限制進行評價;從教學評價方面而言，我們從課程任務的完成度、教學效率和質量，對教學效果的反饋進行評價;從多媒體應用方面而言，需要便于實際的大學物理實驗教學課堂使用，我們從軟件的可移植性、程序設計、計算功能以及數據可視化進行評價。因此我們建立圖1所示的python在虛擬大學物理實驗中模擬仿真的模糊綜合評價指標體系。

根據圖1所示的評價指標體系，建立評價指標集合，一級指標集合為：

P= {學習成效，教學評價，多媒體應用}，

與一級指標對應的二級指標層集合為：

Q1={專業素養，創新能力，時域限制}，

Q2={課程達成度，課程質量，教學效果}，

Q3{可移植性，程序設計，計算功能，數據可視}.

為了對仿真實驗的使用效果進行評價，設評語集：

V={優秀，良好，合格，不合格}。

結合評語集，針對評價準則學習成效、教學評價所對應的6個二級評價指標制作調查問卷。依次面向校內物理學院老師、光電信息科學與工程專業學生、功能材料專業學生發放調查問卷共計200份，剔除無效問卷18份后，對有效問卷進行統計分析，并做了微小估計。最后參考大量文獻后，對python軟件特性做出如下評價得到的統計結果見表1所示：

依據表1統計結果，得到模糊綜合評價矩陣為：

基于以學生為主體，以課程體系為核心，以虛擬仿真實驗平臺為支柱的物理實驗教學體系。我們設一級指標的權重為：

上述調查問卷中依次針對評價準則學習成效、教學評價中的三個二級指標的影響力進行了權重調查，并做了微小估計得到二級指標權重如下：

從多媒體應用方面而言，大多數教學課堂展示所用的電腦內存比較小，為方便實際的教學課堂使用，軟件需具有強大的可移植性。其次需具有強大的數據可視化能力和數值計算能力用來模擬仿真。最后程序語法應具有簡潔性、易讀性，易于學生掌握。參考大量文獻后，我們對二級指標進行如下權重分配：

可以看出，在學習成效方面，專業素養和時域限制的重要度要大于自主創新能力;在教學評價方面，課程達成度的影響力要略大于課程質量和教學效果;在多媒體應用方面，軟件的可移植性和數據可視化對其影響力較大。

2.模型求解

由各二級因素的模糊評價矩陣及其權重可計算，得出各一級因素的模糊向量，

再結合各一級因素的權重可以計算得到Python在虛擬大學物理實驗中的應用評價結果，模糊綜合評價向量為：

根據最大隸屬度原則，認為用Python模擬仿真大學物理實驗進行教學的可行性很高。用Python軟件的特性進行仿真模擬，可以不受時間和空間的限制，提高實驗精度，很好地輔助了傳統實驗教學。

從學習成效方面而言，由公式（1）可見，模擬仿真教學有效的提高了學生的專業素養，極大地改善了傳統實驗教學存在時域限制的弊端，同時對培養學生的創新能力也有一定積極影響。

仿真教學為學生提供了教學科研平臺，在講解完實驗原理之后帶領學生進行實驗的仿真模擬，使學生加深對抽象概念和規律的理解，有利于拓展學生的思維空間。通過仿真模擬實驗，學生可以自行改變實驗過程中的一些參數和數據，總結一些實驗現象中的規律，提高了學生獨立思考、解決問題的能力，對培養學生創新意識和創新能力發揮著重要作用。再者，由于仿真模擬較為靈活，可以突破時空的限制，能幫助學生更好的完成學習任務。

從教學評價方面而言，由公式（2）可見，模擬仿真實驗平臺極大的提高了課程完成度，增強了教學效果，提高了課程質量。

在傳統的實驗教學中，由于實驗經費的匱乏，實驗設備多年無法更新，很難做到一人一機，保證每一個學生都能實際操作實驗儀器完成課程目標。而仿真模擬實驗，可以通過線上操作精準高效地完成學習任務。通過設計虛擬仿真實驗，將具體實驗過程過渡到仿真模擬中，將抽象難懂的物理概念和規律直觀展現在學生面前，對學生學習興趣、學習效果等有著很好的促進作用，增強了教學效果，相應物理實驗教學效率和質量也會得到極大提高。

從多媒體應用方面而言，由公式（3）可見，Python具有較簡單的程序接口，其調用方便，可移植性強。其他仿真軟件對電腦運行速度的要求比較高，大多數學校課堂展示所用的電腦內存比較小，達不到以上要求。而Python相對其他仿真軟件來說所占空間較小，可直接在其官網免費下載，方便實際的教學課堂使用。再者，Python語言易于掌握，其程序語法具有簡潔性、易讀性，非常適合大學物理以及其他學科的學生使用。同時可以讓學生自主設計編寫可視化的物理實驗仿真程序，輔助傳統實驗教學，能使學生更深入理解物理原理和實驗現象。另外Python具有大量的第三方庫，數據可視化和計算能力強大，非常適合用來做科學計算、數值模擬等工作，可以完成更多具有創新的實驗仿真模擬，以便應用到教學中去。

3.模擬教學過程

我們將Python應用在虛擬大學物理實驗中的教學過程劃分為：準備教學平臺—模擬仿真教學—進行師生評價—總結先進經驗，完善教學體系4個階段。其中模擬仿真教學階段可進一步分為課前自主學習、課堂協作探究、課后拓展創新三個過程。

具體教學實驗過程如圖2所示，教師基于教學目標，在實驗課開展之前籌備好教學平臺，學生在實驗課前則自主探究實驗目的、步驟、原理以及可能出現的問題、實驗的結果等要素，結合物理知識進行深度思考，隨后在課堂上進行小組討論，改變實驗參數，協作完成實驗，合作創新。課后學生進行對比思考，拓展知識結構。最后建立師生評價體系，對比傳統教學進行反饋，總結先進經驗，完善教學體系，實現有效的虛擬實驗平臺利用。

隨著時代信息技術的飛速發展和教育改革的深化，陳舊的實驗教學實驗體系和教育教學觀念已不適應當前發展，教具教學改革迫在眉睫，仿真模擬技術也受到了從未有過的重視。

4.結語

Python是一種面向對象的解釋型計算機語言，語法簡單明了，易操作，數據可視化和計算能力強大，非常適合用來做數值計算、模擬仿真等工作，在虛擬仿真學習平臺驅動混合式教學上有著重要的意義與價值，在未來教學前景上有廣闊的發展空間。

模擬仿真實驗是傳統實驗的補充和發展，一方面可以彌補傳統實驗教學的不足，另一方面可以有效提高大學生的創新思維，培養其創新能力。用Python模擬仿真實驗可以避免手算出現的失誤，使學生把主要精力放在實驗的操作和實驗本身物理意義的理解上，進一步激發學生的學習興趣，引導學生主動學習，提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，充分調動學生實驗的積極性和主動性。基于python的仿真模擬實驗在未來有巨大發展潛力，有待我們進一步去研究。

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作者簡介：張婕妤（2000.11-），女，漢族，河南許昌人，本科生。

1.河南師范大學物理學院? ? 河南新鄉? ? 453007;

2. 河南師范大學國家級物理實驗教學示范中心? ? 河南新鄉? ? 453007