齊紅霞

摘 要：在社會(huì)信息化的大環(huán)境下，多媒體、網(wǎng)絡(luò)等信息化技術(shù)廣泛應(yīng)用于精品課程、課堂教學(xué)等教學(xué)環(huán)節(jié)，取得了良好的應(yīng)用效果。由于實(shí)驗(yàn)學(xué)科的實(shí)踐性要求，信息化網(wǎng)絡(luò)較少應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。傳統(tǒng)的教師演示、學(xué)生模仿的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，嚴(yán)重制約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，一成不變的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式增加了學(xué)生的思維惰性，不利于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。該文結(jié)合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際，探索將網(wǎng)絡(luò)、多媒體等信息化手段引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)等環(huán)節(jié)模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程。開發(fā)實(shí)驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)選課、作業(yè)提交等方面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)資源配置。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò) 大學(xué)物理 實(shí)驗(yàn) 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（a）-0130-02

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是理工科學(xué)生的必修課程，肩負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的重任，是學(xué)生認(rèn)識(shí)自然世界、探究物理奧秘的主要途徑。在科教興國(guó)和建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的戰(zhàn)略背景下，重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，特別是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，成為物理教學(xué)者的共識(shí)[1]。然而，由于長(zhǎng)期以來(lái)重理論輕實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)觀念影響，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室人員和經(jīng)費(fèi)投入不足，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教師工作量大，儀器更新?lián)Q代緩慢，維修服務(wù)跟不上，嚴(yán)重制約了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和發(fā)展。在國(guó)家宏觀戰(zhàn)略引導(dǎo)下，改革大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，探索適合新時(shí)代發(fā)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)和創(chuàng)新能力突出的合格大學(xué)生，顯得尤為重要[2-3]。

該文結(jié)合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)代網(wǎng)絡(luò)信息化社會(huì)發(fā)展的需求，研究基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，擬通過(guò)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)綜合系統(tǒng)開發(fā)，提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和管理水平，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，減少實(shí)驗(yàn)儀器維修率，降低實(shí)驗(yàn)教師工作量。

1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)室虛擬平臺(tái)，可以了解實(shí)驗(yàn)大體流程，并對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)所需儀器進(jìn)行有效預(yù)習(xí)，減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的出錯(cuò)率，降低儀器損毀率，另外，實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)室運(yùn)轉(zhuǎn)效率。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)依賴于計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、Flash、物理等多學(xué)科專業(yè)的交叉和綜合，需要不同專業(yè)教師共同研究開發(fā)，其中最重要的是虛擬儀器素材庫(kù)的建立和虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程的控制。

1.1 虛擬儀器素材庫(kù)建立

采用動(dòng)畫、三維軟件等手段，對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中用到的實(shí)驗(yàn)儀器和元器件進(jìn)行虛擬化，建立大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器素材庫(kù)，方便實(shí)驗(yàn)過(guò)程的模擬和動(dòng)畫制作。素材庫(kù)既要體現(xiàn)物理儀器的基本物理特征，還要新穎別致，容易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[4]。例如，在大學(xué)物理長(zhǎng)度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)中，游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器是學(xué)生必用的長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器，而在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于學(xué)生操作不當(dāng)，極易損壞儀器。若學(xué)生結(jié)合虛擬素材提前預(yù)習(xí)儀器使用規(guī)則，則可以增加學(xué)生對(duì)儀器的感性認(rèn)識(shí)，大大降低儀器的損壞率。

1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制

結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟，利用虛擬儀器模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可以使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前更深入地理解實(shí)驗(yàn)原理，在熟悉實(shí)驗(yàn)步驟的基礎(chǔ)上完成實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要在物理實(shí)驗(yàn)教師和計(jì)算機(jī)專業(yè)教師共同配合下制作，充分融合物理學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的特長(zhǎng)，利用軟件和儀器素材制作三維動(dòng)畫，并配以原理和步驟的解說(shuō)，讓學(xué)生猶如身臨其境，既感興趣又長(zhǎng)知識(shí)。特別是對(duì)于抽象的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光線傳輸?shù)炔荒苤庇^觀察到的物理實(shí)驗(yàn)，采用虛擬實(shí)驗(yàn)更具感官上的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)具有重放功能，對(duì)于較難理解的實(shí)驗(yàn)原理或者一閃而過(guò)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，利用重放功能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)再現(xiàn)，便于學(xué)生更好的理解和掌握實(shí)驗(yàn)。例如，在驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)設(shè)置不同參數(shù)，利用虛擬素材模擬三種不同碰撞狀態(tài)，可以使學(xué)生形象觀察到完全彈性、非完全彈性和完全非彈性碰撞的過(guò)程，加深對(duì)碰撞中動(dòng)量和動(dòng)能的理解，做到課本知識(shí)的簡(jiǎn)單化。

1.3 虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)化

信息化和網(wǎng)絡(luò)化是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，影響著社會(huì)生活的各個(gè)方面，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域，信息化和網(wǎng)絡(luò)化也可以大有作為。如果將大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)虛擬化后，形成分離的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，學(xué)生下載實(shí)驗(yàn)?zāi)K到手機(jī)或電腦，實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)將變得更簡(jiǎn)單有趣，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享，學(xué)生進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，在網(wǎng)上了解實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)效率。另外，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室有效利用學(xué)生的手機(jī)、電腦等硬件資源，使得手機(jī)等電子產(chǎn)品不再僅是通話、娛樂(lè)的工具，減少學(xué)生對(duì)手機(jī)聊天、視頻、游戲等不良因素的依賴，使學(xué)生的精力專注于課程學(xué)習(xí)。網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)驗(yàn)室24h對(duì)學(xué)生開放，不再受到實(shí)體實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間的限制，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)鏈接實(shí)驗(yàn)原理、儀器使用說(shuō)明以及相關(guān)閱讀材料，沒(méi)有時(shí)空約束，更適合大學(xué)生隨時(shí)關(guān)注實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)，以便輕松愉快地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教師可以將實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)公布在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，供學(xué)生預(yù)習(xí)時(shí)參考，一方面提醒學(xué)生在將要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中需要注意的問(wèn)題；另一方面可以減少教師在實(shí)驗(yàn)中的工作量，提高實(shí)驗(yàn)室的利用效率。

2 實(shí)驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)開發(fā)

實(shí)驗(yàn)室管理是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，包括儀器設(shè)備、教學(xué)安排、實(shí)驗(yàn)教師和學(xué)生管理等多個(gè)方面，隨著高校管理變革的逐步推進(jìn)，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)進(jìn)一步規(guī)范化和復(fù)雜化，高校實(shí)驗(yàn)室管理工作也變得更加繁重，于是實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)越來(lái)越受到高校的重視。開發(fā)實(shí)驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)，可以有效管理儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)人員，最優(yōu)化利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)資源，在教師實(shí)驗(yàn)安排和學(xué)生選課、作用提交等方面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

2.1 實(shí)驗(yàn)資源管理系統(tǒng)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室包含了力、熱、聲、光、電等眾多實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)耗材繁多，并且實(shí)驗(yàn)室要向?qū)W校所有理工科學(xué)生開放，所以，需要及時(shí)掌握儀器運(yùn)行狀態(tài)，制定行之有效的儀器使用和管理制度。對(duì)儀器借用、損壞、維修等事項(xiàng)實(shí)行網(wǎng)上登記，實(shí)驗(yàn)教師可以實(shí)時(shí)跟蹤儀器情況，以便對(duì)課程安排做出調(diào)整。不同實(shí)驗(yàn)室的通用儀器，如示波器、萬(wàn)用表、穩(wěn)壓電源等，執(zhí)行嚴(yán)格的借用登記記錄，可以減少儀器的重復(fù)購(gòu)置，節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，教務(wù)人員通過(guò)信息系統(tǒng)設(shè)置實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所、實(shí)驗(yàn)時(shí)間和開課教師，實(shí)驗(yàn)教師登陸自己的賬號(hào)，可以方便地查詢上課時(shí)間、地點(diǎn)及學(xué)生人數(shù)，并可以在線提出實(shí)驗(yàn)中需要注意的問(wèn)題，供學(xué)生預(yù)習(xí)時(shí)回答。根據(jù)學(xué)生登陸虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的時(shí)間和回答問(wèn)題情況，大致了解學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)和熟悉程度，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師可以設(shè)置復(fù)習(xí)題，考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力。

2.2 學(xué)生網(wǎng)上選課系統(tǒng)

普通高等院校理工科學(xué)生眾多，需要進(jìn)行的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)也越來(lái)越豐富和接近科學(xué)前沿，在實(shí)驗(yàn)課程多元化和復(fù)雜化的情況下，建立一個(gè)方便快捷和符合學(xué)分管理制度的選課平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)就尤為重要。特別是學(xué)校規(guī)模的不斷擴(kuò)大，專業(yè)、班級(jí)、學(xué)生的數(shù)量急劇增加，有關(guān)學(xué)生選課的各種信息量也成倍增長(zhǎng)，而目前許多高校的學(xué)生選課管理仍停留在復(fù)雜的人工操作上，重復(fù)工作較多，工作量大，效率低，因此，迫切需要開發(fā)基于互聯(lián)網(wǎng)的選課信息管理系統(tǒng)來(lái)提高管理工作的效率。

在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下，學(xué)生不再有固定的實(shí)驗(yàn)課程表，可以根據(jù)自己的興趣和時(shí)間，提前一周在網(wǎng)上選定想做的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)達(dá)到一定程度即可得到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程學(xué)分。選課系統(tǒng)摒棄一刀切式的實(shí)驗(yàn)安排，充分考慮到學(xué)生的特長(zhǎng)和愛好，定制個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)菜單。學(xué)生可用選課系統(tǒng)及時(shí)、準(zhǔn)確地查詢和修改選課情況，使選課工作規(guī)范化、程序化，避免選課管理的隨意性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上提交預(yù)習(xí)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在線與教師交流實(shí)驗(yàn)感受，或?qū)?shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提出改進(jìn)意見。

2.3 開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)除了驗(yàn)證物理定律和培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力之外，還擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重任。實(shí)驗(yàn)室信息化管理使得師資和儀器等資源合理配置、高效利用，在此基礎(chǔ)上，可以建立開放式大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，支持學(xué)生充分利用課余時(shí)間積極參加科研創(chuàng)新實(shí)踐[5-6]。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室實(shí)行全天候開放，主要以學(xué)生自我管理為主，實(shí)驗(yàn)教師輔助監(jiān)管，使大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室成為鍛煉學(xué)生實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新技能的最佳場(chǎng)所。開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室利用信息化手段進(jìn)行管理，可以充分發(fā)揮大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室的作用。

3 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)指標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，是為了更好的服務(wù)于大學(xué)物理實(shí)體實(shí)驗(yàn)室，使大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)效能最大化，簡(jiǎn)化教師和學(xué)生的預(yù)習(xí)和作業(yè)過(guò)程，優(yōu)化學(xué)生動(dòng)手操作流程，保證學(xué)生的實(shí)踐能力在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中大幅提高[7-8]。然而，虛擬實(shí)驗(yàn)室不可能完全替代實(shí)體實(shí)驗(yàn)室，需要建立評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)指標(biāo)。

3.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室的可靠性和實(shí)用性

虛擬實(shí)驗(yàn)室依賴于計(jì)算機(jī)軟、硬件的協(xié)同運(yùn)行，對(duì)服務(wù)器等設(shè)備的定期維護(hù)和更新是至關(guān)重要的，它是虛擬實(shí)驗(yàn)室可靠工作的硬件保障。在軟件方面，必須專人負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制軟件的開發(fā)和升級(jí)。另外，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，要充分考慮服務(wù)器的穩(wěn)定性和訪問(wèn)速度等問(wèn)題，只有軟硬件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)工作，才能實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。

虛擬實(shí)驗(yàn)室不應(yīng)成為虛無(wú)縹緲的概念，實(shí)用性是其重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立需要解決儀器配置、師資緊張等實(shí)體實(shí)驗(yàn)室存在的問(wèn)題，所以，虛擬實(shí)驗(yàn)室必須具備實(shí)用性，彌補(bǔ)實(shí)體實(shí)驗(yàn)室的不足，更好的服務(wù)于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教授之間搭建橋梁，方便大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的師生交互程度

虛擬實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和作業(yè)提交環(huán)節(jié)，主要依靠網(wǎng)絡(luò)和電腦終端完成，在方便實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同時(shí)，也在某種程度上減少了師生面對(duì)面的交流和互動(dòng)，不利于師生感情的培養(yǎng)。為了彌補(bǔ)這一不足，設(shè)計(jì)友好的師生交流界面，增加師生互動(dòng)環(huán)節(jié)，在方便師生交流的同時(shí)，也能提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的興趣，使學(xué)生不再簡(jiǎn)單地面對(duì)電腦，猶如與教師面對(duì)面交流，隨時(shí)可以得到教師的指導(dǎo)和幫助。

教師通過(guò)交互界面可以隨時(shí)了解學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，找準(zhǔn)學(xué)生對(duì)儀器和實(shí)驗(yàn)原理掌握情況的薄弱環(huán)節(jié)，使隨后的實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)更具針對(duì)性，不僅可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)占用時(shí)間，而且根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)遇到的問(wèn)題，有的放矢，大大提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)室在儀器和師資資源利用方面的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

將先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和信息化管理手段引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的有效途徑。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)充分利用現(xiàn)有儀器設(shè)備和師資力量，實(shí)現(xiàn)資源的有效配置，緩解了實(shí)驗(yàn)資源和經(jīng)費(fèi)緊張的壓力。虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)的建立，在方便教師和學(xué)生的同時(shí)，降低了儀器的損壞維修率，提高了實(shí)驗(yàn)室的利用效率。規(guī)范化的實(shí)驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)和學(xué)生網(wǎng)上選課系統(tǒng)，提高了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和管理水平，有效實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源共享，為今后建設(shè)高水平開放實(shí)驗(yàn)室提供了技術(shù)保障。

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