大学物理实验数字化教学改革的探索

李　颖

(天津城建大学，天津　300384)



大学物理实验数字化教学改革的探索

李颖

(天津城建大学，天津300384)

将信息技术应用于物理实验教学，不仅可以丰富实验教学的内容，使一些教学内容变得直观、易懂，从而可以有效提高学生的学习兴趣、创新思维和创造能力，是改善物理实验教学的有效途径。通过数字化教学改革及课程建设，我校大学物理实验中心也于2015年被评为天津市示范实验中心。

数字化；物理实验；信息技术；教学改

信息技术的飞速发展、信息载体和传播技术的更新，使大学教学的研究手段、研究对象以及研究成果正在以难以想象的速度走向数字化，信息技术在物理实验研究和教学上的全面运用和渗透，正为新世纪大学物理实验教学开创一个全新的局面。探索如何运用信息技术、建立数字化时代的信息化教学模式已成为大学物理实验教学体系改革和建设的重点方向。

数字化技术通过数字模拟、数字动画、数字作图等形象化的表现,使学生对抽象的物理图像与概念有了较清晰的理解[1,2]。教育部于2007年内颁发了两个重要的质量工程建设文件，即教育部2007年1号文件——《教育部财政部关于实施高等学校本科教学质量与教学改革工程的意见》及教育部2007年2号文件——《教育部关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》。文件指出“把信息技术作为提高教学质量的重要手段。信息技术正在改变高等教育的人才培养模式。高等学校要在教学活动中广泛采用信息技术，不断推进教学资源的共建共享，逐步实现教学及管理的网络化和数字化。要进一步培养和提高教师制作和使用多媒体课件、运用信息技术开展教学活动的能力，培养和提高本科生通过计算机和多媒体课件学习的能力，以及利用网络资源进行学习的能力”。

我校大学物理教学中心在多年的教学实践基础上，确立了大学物理实验数字化教学改革的思路和特色，并对课程体系、教学内容、教学方法、考核方式等进行改革。不仅丰富了教学内容，而且新的教学模式更有利于营造素质教育和创新教育的学习环境。数字化教学改革，更有助于学生自主学习，能真正提高学生的科学素质，培养创新思维和处理问题的实际能力。

1　实验教学数字化建设的目标

当前，教师在教学工作中常遇到以下三个方面的矛盾。一是教学内容增加和课时数不足之间的矛盾；二是教师的科研压力增大，以至于他们不得不思考如何把教学与科研有机结合起来；三是学生的学习风格和习惯也发生了很大的变化，趋于更加自由和灵活，这与局限于书本和讲授的教学方式产生了矛盾。在原有以教材为中心的纸质教学资源及建设成果的基础上，进行数字化教学资源的建设和推广，把数字化教学与传统方式结合起来是解决以上矛盾，提高课程教学质量的根本途径[3]。我们建设数字化教学资源基于以下教学目标：

1.1实现开放学习与资源共享

开放的数字化资源体系是整个数字化教学的核心，学生可以在任何时间、任何地点以适合自己的方式学习课程；数字化资源不是封闭的、一成不变的，而是开放的、不断丰富的，这对构建学习型社会和构建终身学习体系是十分重要的。

1.2构建全新的数字化教学模式

数字化资源提供给教师的是现代化教学手段、丰富的教学资源，实现传统教学与数字化优势互补，形成科学的、多样的授课方式[4]。

随时调用资源体系中现成多媒体资源或者原始素材进行上课，或者在上课前将所需要的素材内容从相应资源中直接下载到移动硬盘上，上课时根据教学设计的过程随时调用。

1.3进行灵活的数字化备课

有了数字化资源，教师更方便根据教学内容和教学目标的需要，利用多媒体电脑进行备课。教师既可以单独备课，也可以采取同一课程的多名教师分工协作、集体备课[5]。

2　实验教学数字化建设的内容

数字化建设的指导思想是注重创新，考虑长远；综合发展，整体优化；突出基础，加强应用。通过课程教学内容的组织和表现形式多样化，保证教学质量。充分体现信息化、互动式教学的特点，以学生为中心，充分调动学生的主观能动性.

2.1教学仪器的数字化

我校大学物理实验中心的实验项目及购置的仪器设备在逐步向数字化发展，包括数字电表、数字示波器，及其它含有数据采集和处理系统的仪器设备。同时，我们也在尝试改进已有设备和实验装置，使之逐步实现数字化[6,7]。

2.2数字化教学资源的建设

目前，我校大学物理实验中心已经建立了大学物理实验教学网站，并建立了丰富的数字化教学资源数字化资源包括：开课要求、注意事项、实验指导书、电子教案、常用软件、仿真实验、动画、趣味物理、拓展延伸等[8]。

2.3实验教学中计算机的应用

在实验中引入计算机是很必要的,这包括电子教案的准备，实验过程的模拟、过程控制的实施，实验数据的采集、所采数据的分析处理等。数字化技术是实现教学现代化的有力支撑，能大大丰富基础物理内容，并把许多难教难学的内容变得简明易懂。

(1)用计算机模拟物理实验过程

用计算机模拟物理实验过程，即虚拟实验，也是实验中引入计算机的一项重要内容。近三年，我校业已开发设计的仿真实验有：游标卡尺的使用、螺旋测微器的使用、杨氏双缝干涉等二十多个，其中有的项目吸收学生参与，获得校级立项八项、市级课题三项，获得国家发明专利四项，2013年还获取全国高校第11届物理演示实验教学仪器评比一等奖一项。

以电位差计实验为例：在计算机上用LabVIEW建立电路模型，基本结构是滑动变阻器分压结构，电压、电流及电阻的变化随变阻器滑动端的变化产生相应的改变并以数字显示。其输出的模拟量可以用于灯光强度变化的调整模型演示。在此基础上，用场效应管替代滑动变阻器，用虚拟数字电位做控制，输出量化电位可作为电视频道切换的模拟演示，若将电压改为交流输入，则变化的输出交流量可以模拟音响设备的音量等。因此，虚拟实验不仅可以将实验的物理概念清楚地表现出来，更可以将这个实验的目的性，用完全不同的物理形态和实际应用清晰地展示给学生[9,10]。

(2)用计算机进行数据处理

使用计算机处理数据快捷而又准确，Excel、Matlab等软件在物理实验中广泛应用，常引导学生利用数字化教学资源自学，在之后的一些实验要求用该软件的图表功能、函数功能处理数据，如曲线拟合，用最小二乘法作线性或非线性参数估计，任意函数的间接测量标准偏差的计算等，这些用计算机很容易处理[11]。Matlab在数值计算、矩阵运算、符号运算、图形显示等方面非常出色，有丰富的库函数和各种专业工具箱，如果将它应用到物理实验中，可较好地解决物理实验中的各种数据处理问题，把学生从烦琐重复的手工计算中解放出来，把更多的时间用于物理概念和物理思想的思考、实验设计理念的感悟。在大学物理实验的数据处理时将Matlab引入，既可避免手工计算和作图的麻烦，又增加数据处理的准确性，提高学生的学习效率和兴趣，还可锻炼学生计算机操作和编程能力。

3　实验数字化教学改革的探索

3.1物理实验数字化资源的运用原则

在教学资源利用上我们注意处理好一下几个关系，处理好物理知识的继承性与现代信息技术的关系；注意处理好物理实验传授与素质培养的关系；注意处理好教师主导和学生主动的关系。在具体的教学活动中重视方法和思想；加强实践环节，注意发挥学生学习的主观能动性，鼓励创造性思维，也就是说在教学中要让学生动脑、动手、动口，使学生敢想、敢做、敢讲，鼓励奇思妙想。

3.2数字化的教学改革的效果

从而改变了教学过程中“教”与“学”的关系，单向的“教”与“学”变成了多向的“教学互动”；在资源的利用上我们注意引导学生主动学习，全方位强化应用知识和能力的训练，并为物理实验的学习增添了新的内容；注重启发式教学，注意不同层次的需求；注重学生个性的发展，融大学物理实验的教学活动于相关的资源中，加强了对学生物理思维方法和综合能力的训练。

(1)拉近了师生空间距离，可以远程互动

大学物理和大学物理实验由于受益面非常广，所以与学生交流是个难题。有了网络教学平台，可以发通知，答疑，与学生进行主动或被动的交流。

(2)为学生提供了充足的预习和复习以及教学辅助资源，拓展了教学开放空间

对于物理实验，仅凭一本教材是难以在实验前对实验有所了解的，而课前不了解实验对学生来说在三学时内做好实验也是很困难的，因此各学校想尽办法开放实验教学空间，让学生在课前能够充分地预习；大学物理实验网络教学平台的开通，极大地拓展了实验教学的开放空间；学生可以通过电脑、手机浏览网上资源，尤其是PPT和仿真实验，能够让学生在课前对仪器和操作过程有充分的了解。仿真实验是大学物理实验教师自己开发的系列教学课件，可以在网上直接播放，研制中把学生引入到开发团队，培养学生的应用和创新能力。

3.3建设创新实验室，培养学生的实践与创新能力

为了重点培养基础好，有特长的学生，大学物理实验中心建立了创新实验室，组建了创新实验团队，学生自愿报名，无偿参与，自愿退出。根据学生的能力和兴趣引导学生协助老师准备实验，与教师同步示范实验操作过程；协助教师检查实验操作过程；仪器故障的报修、记录，简单的维修；实验配套教学辅助资源的建设(实验仪器的研制以及软件开发等)；实验项目的相关教学研究工作；教师的科研工作；实验室条件允许情况下自己开展实验研究。

3.4物理实验教学内容的模块化实施

物理实验从教学内容到组织形式树立“强化应用、压缩经典、重视现代”的指导思想，在实施方式方面，贯彻因材施教，按不同专业，不同要求，分模块教学。按照不同专业进行分类，分模块组织教学。不同的模块中理论和实验的内容、组织形式和教学模式以及教材均有所不同。构建以虚拟实验室、演示实验和仿真实验为主，且包含虚拟课堂、网上辅导、网上测试、网上答疑、物理论坛等栏目的网络教学平台，补充和延伸应用教学和实践系统。

在开设经典实验的基础上，建立以培养应用能力为主体的实验教学基地。该基地以教师开发用于学生感性认识，或者亲历其境体验的侧重生活实际和工程训练的综合性实验,动手制作适合学生动手能力以及应用能力培养的教学仪器，加大学生动手能力培养的力度。同时适时组织学生参与部分仪器的制作、调试和操作以及物理实验技能竞赛、物理实验兴趣小组等。

也把实验内容划分成不同的模块，如探索类研究实验模块，探索类实验是指那些能为学生提供广大思考空间的实验。这些实验内容灵活多变，实验手段不一，实验方法众多。它能吸引学生的目光，让学生在学习过程中产生无限的想象，吸引学生去探索物理现象。比如：“YAG激光光谱分析与研究”、“多介质法超声波干涉”、“迈克尔逊干涉仪测钠光波长实验方法改进”、“测量结果的不确定度评定等等题目”[12]。通过这些探索类实验内容不断拓宽学生的视野，激励学生的创新意识。设计类研究实验模块，设计类实验是一个开放的工作平台，主要培养学生的动手能力和开发能力。设计类实验的内容很广泛，学生接触的同类仪器比较全面，便以学生学到更全面的相关知识。而且试验方法很灵活，试验过程很有趣，大大提高了学生的实验兴趣。比如：“传感器应用实验设计”、“太阳能电池板性能比较实验设计”、“低温系列设计实验”等，这些实验内容中大多是一个实验中包含了许多相关的其它实验内容。设计类实验最大的特点是同一个实验内容由多台实验仪器完成。这些仪器既有进口仪器，又有国产仪器，还有自制仪器。所以大大拓展了学生的视眼，增加了学生用多种方法测量同一物理量的能力。设计类实验主要提高了学生的仪器开发和应用能力，增强了学生的实验趣味。

3.5物理实验考核方式的改革

(1)口试

要求学生在规定的时间内对教师提出的问题进行回答，口试试题既包括对实验理论的理解、实验公式的阐述、实验现象和数据的分析，也包括对实验操作步骤的讲授和实际操作。例如示波器的调整既有考察学生对电压和周期计算公式表述的试题，也有要求学生根据提供的各种波形口头回答调整步骤的试题[13]。这种面试形式试题丰富，能够涵盖学生所做实验的各个方面，而且相对于笔试更能够让学生通过考试了解自身在实验操作中存在的缺失和不规范。例如千分尺的使用，要求学生在测量漆包线直径时规范各项操作步骤，包括棘齿轮的使用、初始读数的读取、多次测量、使用后千分尺的放置等。

在口试答辩考核中通过质疑和提问，教师可以比较真实地了解学生的实验知识和实验技能水平。提问的内容可以是针对实验课堂的问题，如考查学生对基本概念性知识的理解、对实验过程中可能出现的问题和现象的分析等，也可以是扩展性、延伸性的问题，如考查学生对实验方法、实验设备或实验结论等进一步综合应用的能力。

(2)讨论式

有时也让学生根据实验题目进行讲解，讲解的内容既可以是自己的实验结论或实验心得，也可以提出在实验中遇到的难点或疑问，其他学生可以加入交流讨论，教师则在必要时加以点拨或总结。这一考核方式要求学生在实验结束后整理自己的实验结果、得出实验结论，必要时可以查阅相关的文献资料，然后将自己的实验心得、实验结论等用简明扼要的语言加以组织整理并加以口头阐述。交流讨论不仅促进了学生自主学习的能动性，使学生通过小组互相交流讨论从不同的角度理解实验，并且锻炼了学生的思辨和语言表达能力。

(3)创新能力考核

不仅对常用软件进行数据处理纳入考核指标，而且对于设计性实验考核，允许学生自主选题、自主设计、独立实验并最终写出实验的总结报告；另一方面学生利用网上选课系统[14]，学生可以选择自己感兴趣的实验，借助网络教案，独立完成实验内容，不仅减轻实验教师的教学工作量，而且能提高学生做物理实验的积极性、主动性、创造性以及现代科学思维方法的形成。

(4)科技论文写作

近代物理实验改革了成绩考核方式，由传统的笔试，改革为笔试和科技小论文相结合的方式。学生在完成了基本实验题目之后，进行小论文研究。论文选题主要来源于以往学生做过的实验中发现的问题，比如在核磁共振实验中发现共振峰高度不一致；微波波导传输与检测实验中晶体检波率测量误差过大[15]；以及对实验仪器和实验方法的改进等等。指导教师根据实验室现有的设备条件提出了一些与自己的科研课题相关的，比较简单的实验，是小论文选题的另一个来源。学习方式按照科研课题的方式进行，从选题、查阅文献、实验设计、进行、论文撰写完全由学生自主进行。

多样化的考核方式首先针对不同专业的学生提出了不同层次的要求和培养模式，符合学生的专业需求和今后的发展方向。其次对学生的能力和素质培养提出了更高的要求，既要求学生能够熟练掌握实验的理论原理，更要求学生深入理解掌握各项实验技能，避免了学生为了应付笔试而对实验理论死记硬背，使学生各方面的能力得到较为全面的展示和提高。

4　结　　语

对大学物理实验教学进行数字化教学改革，建设科学合理的教学体系，不仅是传统教学的补充，而且是一种新的学习方式，是信息技术、网络计算机和多媒体发展到一定程度的必然产物[16]。信息化教学是未来教学发展的方向，我校物理实验教学中心通过多年的尝试和改革，基本上将信息技术应用到了实验物理教学的各个环节，取得了显著效果，我校大学物理实验中心也于2015年被评为天津市实验教学示范中心，取得可喜成绩。

教学内容信息化是高校提升教学质量的重要体现，同时也是一种责任，是教学育人的责任。信息化实验物理教学是一个任重而道远的过程，需要进一步完善课程建设，使大学物理实验这门课在持久保持时代魅力。

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Exploration on the Reform of Digital TeachinginCollegePhysicsExperiment

LI Ying

(Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384)

Applyinginformationtechnologytophysicsexperimentteaching,notonlycanenrichthecontentofexperimentteaching,theteachingcontentbecomeintuitiveandeasytounderstand,whichcaneffectivelyimprovethestudents'interestinlearning,innovativethinkingandcreativeability,itisaneffectivewaytoimprovethephysicsexperimentteaching.Throughthedigitalteachingreformandcurriculumconstruction,ouruniversityphysicsexperimentcenterin2015wasnamedTianjinexperimentaldemonstrationcenter.

digitization；physicsexperiment；informationtechnology；teachingreform

2016-02-01

天津城建大学教育教育改革研究项目(JG-1344 )

1007-2934(2016)04-0104-05

G642.0

ADOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.032