信息化技术在大学物理实验中使用效果的研究与思考

王亚芳，蒋 芸，周惟公，董爱国，张自力，郑志远

（中国地质大学（北京）数理学院物理实验教学示范中心，北京 100083）

教学改革

信息化技术在大学物理实验中使用效果的研究与思考

王亚芳，蒋 芸，周惟公，董爱国，张自力，郑志远

（中国地质大学（北京）数理学院物理实验教学示范中心，北京 100083）

信息化技术已经在中国地质大学（北京）物理实验教学示范中心应用了近20年，为了了解这些技术手段在学生中的认同程度和给他们学习带来的效果，本文针对部分已经充分体验过所有信息化环节的学生进行了问卷调查.统计结果显示虽然学生在意识层面对信息化技术具有很高的认同点，认为对他们的学习有积极的作用，但是在实际行动层面，却存在很多问题，感觉有困难，不适应等，针对这些问题本文最后给出了建议.

信息技术；大学物理实验；调查问卷；教学环节

大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用，促进信息技术与学科课程的整合，充分发挥信息技术的优势，为学生的学习和发展提供优良的学习环境和有力的学习工具，这是教育研究和探索的热点［1，2］.英国的所有高等学校早在1989年就开始实施“计算机用于教学创新”（Computers in Teaching Initiative，简称CTI）的庞大计划.这个计划的目标就将信息技术与教育有机结合起来，实现对高等教育的全面变革，包括教学模式、教学方法、教学内容和教学结构.至今，已有24门学科不同程度地实现了这种变革，影响颇深［3］.1993年，美国政府提出以发展网络技术和计算机技术的应用为核心，推行基于信息技术的教育改革，改革现行的教育体系，他们认为这项改革应该成为21世纪政府的主要工作，属于“国家信息基础建设”［4］.目前，信息技术已经被逐步应用在高等教育中，包括多媒体辅助教学、网络选课、远程控制仪器、在线交流、MOOC等各个方面.

随着信息技术在教育领域应用的不断发展，物理实验教学也成为信息技术延伸的一部分.在这一领域，我们国家的教育工作者一直在做着不懈的努力，中国科技大学物理实验中心联合奥瑞公司［5］、长春大学［6］、上海交通大学物理实验中心、同济大学物理实验中心等几所学校的物理实验中心都在开发和使用仿真软件，最早的尝试是1995年已经开始应用于教学的仿真实验系统，现在已经贯穿整个教学链，包括预习、操作、复习和考核环节.

中国地质大学（北京）物理实验教学示范中心早在1995年就开始使用中国科技大学开发的物理实验仿真软件，根据我们中心开设的实验内容，主要使用的仿真实验题目有：动态法测杨氏模量、分光计调节、声速测量、迈克尔孙干涉仪等.在这20年间，我们中心做了很多的尝试和改革，试图将信息技术应用于物理实验教学的全过程.比如我们中心率先建立中心网站，实现物理实验课的全校网络选课，实验课件和预习资料的网络化，以及课堂仿真实验操作，课程考核和测试［7-9］.这些改革举措对于学生的自主学习和成绩提高有明显的促进作用［10］，我们实验中心多次召开“物理实验信息技术教学研讨会”，将我们的经验和成果向北京及周边各高校进行辐射，起到示范的作用.

为了更好的了解学生对仿真软件的接受程度和实际效果，仿真实验在大学物理课程各个教学环节的使用情况，我们对部分已经使用过仿真实验系统学习和考核的2013级理工科学生做了问卷调查.根据这些问卷的结果，本文对我们实验中心这些年来使用仿真系统的收获和目前存在的问题进行了分析和讨论.

1 调查问卷结果

这次调查针对大二已经经历过所有信息化环节的学生，问卷调查共发放了220份调查表，回收有效问卷为214，回收率为97.3%.调查问卷中涉及关于信息技术和仿真实验的题目有9个，部分题目是多项选择题，具体的题目和统计结果将在下文给出.

问题1 预习环节对于实验课的重要性.问卷给出的选项有：A.非常重要，充分的预习决定实验的成败；B.重要，预习能够让学生带着问题上课；C.不重要，抄份报告，上课听老师讲讲就行，得到的反馈结果如图1所示.

图1 预习重要性（问题1）的调查结果

问题2 实验预习采取哪种方式比较好？问卷给出的选项有：A.抄实验讲义的全部内容；B.理解原理和实验内容，什么都不写；C.简单写实验原理，草拟数据记录表格；D.到开放实验室，面对真实仪器，进行操作预习；E.使用计算机，进行仿真预习；F.其他方式.该题目的调查结果如图2所示.

图2 预习方式（问题2）的调查结果

问题3什么形式的预习资料，对你进行实验最有帮助？具体的选项有：A.文字；B.图片；C.视频；D.实物；E.仿真实验；F.其他.该题目的结果如图3所示.

问题4 如果将预习资料放在网上，你会主动浏览吗？给出的选项有：A.会；B.偶尔会；C.不会.具体结果如图4所示.

问题5 进行仿真实验（与传统实物实验相比），在以下哪个方面要求更高？A.对原理的理解；

图3 预习资料（问题3）的调查结果

图4 上网预习意愿（问题4）调查结果

B.对仪器的了解程度；C.具体操作步骤；D数据处理；E.其他.具体的调查结果如图5所示.

图5 和传统实验相比要求（问题5）调查结果

问题6 进行仿真实验（与传统实物实验相比），是否有困难？具体的选项有：A.和实物实验一样，没有增加困难；B.有困难，流程不熟，不知道如何操作；C.有困难，对仿真实验没兴趣；D.有困难，感觉自己的知识储备不够；E.有其他困难，请写出；F.比实物实验简单，请具体写出.本题的结果如图6所示.

问题7 进行仿真实验（与传统实物实验相比），有那些创新？具体的选项有：A.人机交互的形式；B.涉及的知识面广；C.更有趣味性；D.侧重考察对理论知识的掌握；E.其他；学生对该问题的统计结果如图7所示.

图6 和传统实验相比是否困难（问题6）调查结果

图7 和传统相比创新点（问题7）调查结果

问题8 仿真实验后即可看到实验成绩和评判，是否对你的学习更有促进作用？具体的选项有：A.很有作用，明确操作中失分的原因，下次会改正；B.有一些作用，了解一下操作情况比较好；C.没有作用，看不看，效果都一样.具体数据如图8所示.

图8 考试系统的作用（问题8）调查结果

问题9 通过仿真实验提高了什么能力？具体的选项有：A.自主学习能力；B.动手能力；C.抽象思维能力；D.创新能力；E.其他能力，请写出.具体的数据如图9所示.

图9 仿真系统对学生能力提高（问题9）的调查结果

2 分析和讨论

通过上面的调查结果我们可以看到：总体来说，学生对信息化的仿真实验比较认同，但是有些方面是和我们的使用仿真实验的初衷不完全相同的.下面我们就针对这些问题一一进行分析和讨论.

2.1 重视预习环节，认同信息化的预习材料，但是

更习惯书面预习报告

首先，从调查的结果可以看到，学生认为预习环节是非常重要的，题目1表明93%的受访学生对这一点很认同，而且从预习的方式来看，学生对信息化的预习材料认可度也比较高，比如实验录像视频是43.46%、仿真实验是37.85%，和实物预习的38.32%相比很接近（图3）.同时，对网上给出的这些信息化的预习材料，学生提前观看学习的意愿也是很强烈的，题目4的结果表明约92%的学生都愿意学习这些预习材料.

然而，从题目2的调查结果我们看到，虽然在意愿上学生是认同信息化的预习材料的，但是在行动上，更多的学生习惯于原有的模式，包括书写预习报告（57.01%）和实物预习（34.11%），如图2所示.

这些看似矛盾的结果却真实的反映了目前在推广信息化在物理实验教学的一个问题，就是在意识上大家觉得是有益的，但是在具体行动的时候由于习惯原来的模式，往往愿意，甚至排斥改变.这样的情形可能不仅限于学生，在教师的层面可能存在着同样的问题.

既然学生对于信息化的预习资料是认同的，只是因为习惯而更愿意选择原有的模式，针对这种情况，我们认为可以通过对原有预习环节的改革来推动这一环节，例如要求学生在上实验课之前要浏览网上预习资料，进行预习考核通过后才可以选择该内容实验，或者需要有网上学习的记录，并学习够一定时间，通过考核，作为他们的预习成绩.相信这样的规定就可以很快改变学生对这一环节的的适应程度.

2.2 仿真实验对学生能力的培养是有积极效果的，但也存在一些问题

从调查的结果来看，做过仿真实验的学生对于仿真实验还是有很高的认可度的，具体来说，问题7的结果表明：相对于真实的实验，54.21%的受访者认为仿真实验更有趣味性，41.59%的学生喜欢人机交互的形式.另外，仿真考试结束后可以给出错的地方和具体原因这一特点也为学生所认同（如图8），51.07%的同学认为很有作用.而平常实验，通常需要较长时间才能得到上一次实验的反馈.在关于仿真实验在培养学生的能力方面，问题9表明有64.49%的学生认为仿真实验能够培养抽象思维能力.

但是，在问卷调查的过程中，也反映出了很多仿真实验系统目前存在的一些问题，比如很多同学都觉得对仿真实验的不适应，感觉有难度，40.65%的同学觉得很困难，流程不熟，不知道如何操作，而只有26.64%同学觉得和实物实验一样，没有困难，如图6所示；而且问题5表明，和实物实验相比较，学生认为仿真实验在很多方面对自己的要求更高，47.20%的学生认为对原理的理解更高，45.79%的学生认为对仪器的了解程度要求更高，40.65%的学生认为对具体操作步骤的要求高.这其实和问题5的结果是一致的，他们认为要求高通常意味着在这方面接触起来是有困难的.

问卷显示，虽然仿真实验确实可以起到非常积极的作用，但是目前也存在一定的困难.仿真实验系统已经历时20年的发展，有了长足的进步，但是离实现和实物的无缝连接还远远不够.首先，和实物相比仿真度不够，只能提供和实验相关的功能；另外，由于不能实现模块化，不能根据学校使用的仪器型号进行组装，和真实实验相比有很大差距；此外，不能像真实实验一样允许错误操作.所以，学生在操作过程中难免会有不适应和感觉困难的问题.针对这一问题，我们学校已经在研发和具体开设实验相配套的高仿真实验系统，虽然仍然不能解决允许错误操作等功能，但是由于和真实的实验具有非常高的仿真度，能够在很大程度上帮助学生解决预习不见实物，操作不熟练的问题.另外，我们也必须承认，仿真实验的存在并不是要替代真实实验，而是作为一种辅助手段，是以方便和加深学生对物理实验的学习为目的.

3 结论

信息化的教学系统（网上选课、课件视频预习、仿真实验）已经在中国地质大学（北京）使用了近20年，本文通过调查问卷的形式，对信息化系统的教学效果进行了研究，并对问卷所反映出的问题进行了讨论.调查问卷的结果表明，虽然在意识层面，学生对信息化的预习手段有很高的认同度，但是在行动层面，学生还是更习惯于原有的模式.另外，对于仿真实验系统对学生学习的促进作用是肯定的，但是由于它开发的难点，让学生在操作的时候觉得是有困难的.这些结果对我们正确认识仿真实验的教学效果是非常有意义的，针对这些问题，我们也提出了一些建议和以后改革尝试的方向.

［1］John Case F.Information technology，the change process，and customer service in higher education administrative services［M］.Philadelphia：TheUniversityof Pennsylvania，2003：1-14.

［2］Snarski，Rebecca D.Teaching self-directed learning theory to enhance online course satisfaction：Preparing graduate level information technology students［M］.Minneapolis：Capella University，2008：18-31.

［3］Browne E.Conversations in cyberspace：A study of online learning［J］.Open Learning，2003，18（3）：245-259.

［4］吴启迪.落实科学发展观加强教学研究切实提高教育教学质量［J］.中国大学教育，2007，（7）：4-7.

［5］王晓蒲，霍剑青.大学物理仿真实验2.0 For Windows［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［6］杨强，金贞姬.构建我校大学物理虚拟实验网络教学平台的研究［J］.长春大学学报（自然科学版），2007，17（08）：87-88.

［7］王亚芳，蒋芸，刘永刚，等.强化大面积学生实践能力考核的探索和实践［J］.物理与工程，2010，20（4）：9-11.

［8］王亚芳，蒋芸，李永刚，等.实验物理考核方式的改革和创新［J］.高等理科教育，2010，专刊：217-218.

［9］王亚芳，周惟公，蒋芸，等.仿真实验在实验物理教学中的广泛应用［J］.物理与工程，2012，22（2）：48-50.

［10］蒋芸，周惟公，王亚芳.实验物理考试与自动判卷系统的应用［J］.实验室研究与探索，2010，29（10）：282-284.

Application of Feedback in simulation system of experimental physics teaching

WANG Ya-fang，JIANG Yun，ZHOU Wei-gong，DONG Ai-guo，ZHANG Zi-li，ZHENG Zhi-yuan
（The Teaching Center of Experimental Physics，School of Science，China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

Simulation technique has been widely used in the teaching center of experimental physics，China U-niversity of Geosciences，Beijing for almost 20 years.In order to figure out how the students think about this technique and how much it has positive effect on their learning，we have handed out the questionnaires to the students who have gone through the whole line of the simulation system.The result shows that the students are not really used to the system although they are aware and agree that the simulation system is good for them.In the last part of the paper，the useful suggestions are proposed.

information technology；experimental physics；questionnaire；teaching chains

O 4-39

A

1000-0712（2016）05-0037-04

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中国地质大学（北京）教学研究和改革项目（JGYB201322）资助

王亚芳（1980—），女，宁夏隆德人，中国地质大学副教授，博士，主要从事大学物理实验教学工作，研究方向为固体热释光分析.