林海峰++熊飛兵++王逸平

摘 要：文章剖析廈門理工學院《大學物理實驗》課程教學的現(xiàn)狀及存在的問題，并在分析虛擬仿真實驗優(yōu)缺點的基礎上，探索如何將物理環(huán)境、數(shù)字化環(huán)境和虛擬環(huán)境三者有機地結合起來，建立虛實結合、相互補充的實驗教學資源和教學方法，促進大學物理實驗教學內容、教學方法與手段改革，從而提高大學物理實驗教學質量。

關鍵詞：虛擬仿真實驗；物理實驗教學；教學改革

中圖分類號：G482 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2017）22-0091-03

一、引言

《大學物理實驗》是理工科學生進入高等學校必修的第一門重要基礎實驗課程，具有多樣化的實驗方法和手段以及綜合性很強的基本實驗技能訓練，對于培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W思維、創(chuàng)新能力和實踐能力有著十分重要的意義[1]，所以各高校對大學物理實驗的教學非常重視。然而，隨著高校規(guī)模的不斷擴大，由于實驗空間、實驗儀器設備以及實驗隊伍等教學資源的限制，導致傳統(tǒng)的大學物理實驗教學內容落后，教學手段和方法過時，考核評價方法單一，這種實驗教學模式使學生常常處于被動接受狀態(tài)，實驗也變得枯燥無味，不僅影響了實驗教學效果，還不利于激發(fā)學生學習的主動性，不利于學生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。隨著計算機網絡技術的普及與發(fā)展，虛擬仿真技術被廣泛應用于實驗教學中，開創(chuàng)了一種全新的實驗教學模式，虛擬仿真實驗作為傳統(tǒng)實驗教學的重要補充，目前在全國很多高校得到廣泛的開展與應用，并取得了一些經驗和成果[2-4]。

本文從廈門理工學院大學物理虛擬仿真實驗教學示范中心建設出發(fā)，結合《大學物理實驗》課程教學的現(xiàn)狀及存在的問題，探索如何將物理虛擬仿真實驗融入到大學物理實驗教學中，實現(xiàn)大學物理實驗教學內容、教學模式和方法以及學生自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式的改革，從而提高大學物理實驗教學質量。

二、我?！洞髮W物理實驗》課程教學的現(xiàn)狀及存在問題

我校屬于地方性、應用型工科院校，根據(jù)《大學物理實驗》課程在我校人才培養(yǎng)過程中的地位、作用和任務，我校大學物理實驗教學中心在實驗課程體系建設、實驗教學模式探索、實驗教學隊伍建設、學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)和實驗室開放行動及管理機制等方面進行全面改革，取得了巨大進步，并初步具有輻射作用，2008年被評為福建省實驗教學示范中心。然而近年來學校發(fā)展迅速，招生規(guī)模不斷擴大，無論從儀器設備、實驗空間和實驗隊伍等資源的配置，還是實驗項目和實驗學時的設置上，都無法為實驗教學提供有效的支持，從而制約了物理實驗教學質量的提高，學生實驗能力的培養(yǎng)受到嚴重影響[5-6]，為此，學校根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》精神，積極開展網絡實驗室建設，2013年開始著手建設大學物理虛擬仿真實驗中心，并于2016年獲批福建省大學物理虛擬仿真實驗教學示范中心。

三、我校虛擬仿真實驗平臺建設

我校在引進中國科技大學開發(fā)的《大學物理仿真實驗系統(tǒng)》的基礎上，依托學校校園網和物理實驗教學中心網站，架構建成虛擬仿真物理實驗教學平臺。物理虛擬仿真實驗教學平臺包含實驗中心門戶網站、教學管理及選排課系統(tǒng)、實驗預習及報告評判系統(tǒng)、虛擬仿真實驗資源系統(tǒng)、實驗考試與自動判卷系統(tǒng)和實驗教學交互系統(tǒng)幾大部分，其中實驗中心門戶網站用來對外公布中心教學信息、中心簡介、實驗課程、教學資源、教學公告通知等，是教學平臺各系統(tǒng)功能的鏈接窗口；實驗預習、考試和自助評判系統(tǒng)內設包括選擇題、填空題、判斷題等理論知識、動手操作（虛擬仿真實驗操作）和系統(tǒng)內置預習和測試評判專家，保證實驗考核內容的多樣性、客觀性和公平性；虛擬仿真實驗教學資源系統(tǒng)是整個實驗教學平臺最重要、最核心的部分，現(xiàn)已建成了包括力學、熱學、光學、電學等基礎大學物理實驗課程項目50多個，近代物理、光電專業(yè)、微電子專業(yè)等學科專業(yè)實驗和開放性選修實驗項目30多個，學生和教師可通過實驗中心門戶網站身份認證進入仿真物理實驗平臺，根據(jù)實驗教學要求對實驗簡介、實驗原理、實驗內容、實驗儀器進行了解和學習，通過虛擬仿真實驗項目進行在線演示、互動操作、完成實驗。豐富的實驗操作內容和全新的實驗方式，激發(fā)了學生對大學物理實驗的興趣，提高了學生對大學物理實驗的重視度。

四、基于虛擬仿真的大學物理實驗教學改革

在物理實驗教學中，中心始終本著人才培養(yǎng)、創(chuàng)新實踐和社會服務三大目標來進行，為學生營造更多自主學習、多元化發(fā)展空間的實驗環(huán)境，把虛擬仿真實驗作為傳統(tǒng)物理實驗的一個重要補充，實現(xiàn)虛中有實，實中有虛的多元化實驗教學和學習效果，豐富了實驗教學手段，增加了實驗學習的內容和時間，形成了課程層次、專業(yè)分類、虛實結合、相互補充的多元化虛擬物理仿真實驗教學體系。

1.建立多層次的物理實驗課程體系

虛擬仿真實驗課程體系構建了以基礎物理實驗、學科專業(yè)物理實驗和開放選修物理實驗三個層次，服務學校7個學院、21個專業(yè)的物理實驗教學。在實驗課程設置上，前期構筑寬厚基礎，后期優(yōu)化專業(yè)教育，注重學科交叉培養(yǎng)，加強綜合性和設計性實驗訓練，培養(yǎng)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐能力。構建了基礎物理實驗、學科專業(yè)物理實驗和開放選修物理實驗三個層次的實驗課程體系，基礎物理實驗中有大學物理的力學、熱學、光學、電學實驗，演示物理實驗，近代物理實驗等課程；學科專業(yè)物理實驗中有光電信息類專業(yè)、微電子專業(yè)、電氣專業(yè)等專業(yè)實驗課程；開放選修物理實驗包括大學物理選修實驗、近代物理選修實驗、光電專業(yè)選修實驗、微電子選修實驗等課程，課程體系如圖1所示，體現(xiàn)由專業(yè)基礎訓練，到專業(yè)綜合技能提高，再到研究與創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

2.改進大學物理實驗教學模式和考核方式

（1）采用“以學生為主”的教學模式

虛擬仿真物理實驗突破了傳統(tǒng)物理實驗受到實驗空間和實驗學時的限制，學生通過仿真實驗教學平臺，可以在線了解相關的實驗內容，實驗演示和互動操作，促使以教師為中心的授課模式轉變?yōu)橐詫W生為中心的“個性化、合作化”教學模式；由“要我學”轉變?yōu)椤拔乙獙W”；由“被動聽講”轉變?yōu)椤爸鲃訉W習”；由傳統(tǒng)“教材控制”轉變?yōu)椤皩W習者控制”，學生通過主動參與、自我探究來構建知識結構。endprint

（2）引入翻轉課堂教學模式

學生通過虛擬仿真物理實驗平臺，可以對實驗項目課前預習，課堂教學采用問題討論法，實驗之前留出一定的時間，設置合理的問題情境，讓每個學生都參與問題的討論和探究，進一步明確實驗目的和內容。經過討論，學生的思維非常開闊，而且在做實驗的過程中胸有成竹，會發(fā)現(xiàn)很多問題，比如在做太陽能電池實驗中，為什么硅光電池光強一定時，負載不同電壓也不同？為什么反偏時輸出電流比較大？……雖然有些問題學生有時候不能講到點子上，但是通過認真思考和相互討論，使得實驗原理性的知識理解得很透徹，基本上沒有出現(xiàn)相互抄襲實驗數(shù)據(jù)和實驗報告的現(xiàn)象，這種教學模式有效地激發(fā)了學生對大學物理實驗的興趣，大大地提高了實驗教學質量。

（3）采用“虛實結合、相互補充”的教學模式

虛擬仿真實驗只能為學生提供虛擬的實驗環(huán)境，學生沒有對真實實驗儀器進行操作，缺乏真實感，缺少分析和評估復雜客觀環(huán)境對實驗結果影響的過程，實驗教師應盡可能創(chuàng)造實驗條件，加大實驗室開放力度，使學生有更多的機會進行實際的實驗操作，彌補仿真與虛擬實驗的不足，同時充分利用遠程控制演示實驗的方法，實現(xiàn)實驗硬件資源共享，創(chuàng)建“虛擬（模擬儀器面板）—實體（硬件設備）—真實（實驗場景）”新的教學模式，實現(xiàn)信息技術與教學模式和方法的深度融合。

（4）改進考核方式

傳統(tǒng)的實驗成績通常是教師根據(jù)學生的預習報告、課堂表現(xiàn)以及實驗報告的完成情況來評定，具有很大的主觀性，不能完全客觀地反映學生實驗能力的差異，這也是部分學生對物理實驗不感興趣的主要原因之一。在物理虛擬仿真實驗平臺中，引入了物理實驗預習與自動評判和物理實驗考試與自動評卷兩套系統(tǒng)，在物理實驗預習與自動評判系統(tǒng)中，有理論知識點（包括選擇題、填空題、判斷題）和動手操作（虛擬仿真操作）兩部分預習內容，其中，理論知識點包括實驗目的、實驗原理、實驗內容和儀器介紹等，而動手操作包括整個實驗操作過程的錄像和學生模擬操作兩部分。實驗教師可以通過錄入和編輯預習題庫，系統(tǒng)會自動生成預習試卷，并對學生的預習答題和操作情況做出自動評判。在物理實驗考試與自動評卷系統(tǒng)中，同樣包括理論知識考試和虛擬仿真操作考試兩部分，對于考試的監(jiān)督和評分，由系統(tǒng)內置的統(tǒng)一專家來評判，因此所有的學生評分標準都一致，而且相當于一個教師對一個學生進行監(jiān)考，保證評分的客觀性、公平性和即時性，解決了由于實驗設備不足、教師數(shù)量緊缺造成的學生實驗能力無法有效考核的問題。

3.以學科競賽和大學生創(chuàng)新項目為拓展，培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新能力

在課程體系之外，依托福建省光電器件與技術重點實驗室的優(yōu)勢資源，及時更新虛擬仿真實驗教學資源，保證教學內容的前沿性和科學性，支持和鼓勵那些學有余力、動手能力強的學生參加光電設計大賽、電子設計競賽、物理實驗競賽以及大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目等各級創(chuàng)新活動，虛擬仿真平臺開放一部分源碼資源，可供學生進行編程實現(xiàn)個性化的、創(chuàng)新實驗模擬仿真，從而更好地完成學科競賽和創(chuàng)新實驗項目，培養(yǎng)學生的分析、應用和創(chuàng)新能力。學生自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)取得了顯著效果，近三年來，學生參加全國大學生電子競賽、全國光電設計大賽等學科競賽，并獲得各類獎項49項，參與國家級、省級等各級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目50多項，這些活動的開展使得物理實驗教學的內涵得到深化，教學體系得以擴展，部分優(yōu)秀學生從中受益；同時，各類創(chuàng)新活動所取得的成果又會吸引和激勵更多有志于深入學習物理科學的同學加入，形成良性循環(huán)，擴大學生的受益面。

多元化的教學模式已成為教學的主流，虛擬仿真物理實驗教學結合我校應用型本科專業(yè)特色，發(fā)揮其多元化實驗教學模式的優(yōu)勢，激發(fā)學生自主實驗的積極性，更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、實踐能力和研究能力。

參考文獻：

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（編輯：魯利瑞）endprint