大学物理仿真实验教学实践与体会

张小真+陈海霞+马成举+白+亮

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

摘要：将计算机仿真技术运用于大学物理实验教学是提高教学质量促进物理实验改革的重要举措。仿真实验完善了物理实验的教学过程、丰富了教学模式，是新形势下科技进步的产物。结合西安石油大学仿真实验的教学实践，总结分析了现阶段仿真实验的教学特点和教学现状以及运行过程中出现的问题。通过阐述仿真实验的积极意义和不足之处，说明其在实验教学中的辅助地位，并给出完善仿真实验的建议。

关键词：仿真试验；大学物理实验；教学实践

中图分类号：O4-33；G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）49-0262-02

一、引言

物理学对于人们科学素质的培养有着重要的地位，其中物理实验教学做为一门基础实验课程肩负提高学生的综合素质、培养学生的实践能力与创新能力的工作，成为大学教育阶段人才培养必不可少的一部分[1]。传统物理实验教学由于受教学资源、教学时间等各种因素的限制，满足不了现阶段不断提高的教学要求。伴随着仿真技术的迅速发展，计算机仿真实验系统在物理实验教学中得到了广泛的应用。仿真实验系统是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其他相关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具创建的非实物形态的实验体系。在仿真实验中没有以实物形态存在的实验仪器，实验者通过对虚拟的软件进行操作得到类似于真实实验的实验结果，以这种方法去认知真实的世界[2]，虚拟实验环境下进行的计算机仿真实验，让物理实验教学走出实验室，在最大可能节约实验室硬件资源的同时，克服了实验教学长期受到场地、课时等等条件的制约 [3，4]，为大学物理实验开辟了开放性、设计性甚至研究性实验教学的新途径[5，6]。为了适应物理实验教学的发展，提高学生综合实验技能以及培养广大学生对物理实验课程的兴趣，西安石油大学于2013-2014学年第二学期开始将仿真实验纳入全校理工科物理实验课程教学大纲，形成了在传统物理实验的基础上结合开设仿真实验的综合教学模式，教学实践完善了物理实验教学方法和教学内容，提高了物理实验课程教学质量，仿真实验教学实践收到了良好的教学效果，在实践过程中出现的各种问题也值得我们思考和探索.

二、仿真实验的特点

仿真实验解决了实验室师资与学生规模失调的问题，仿真实验不受实验课时的限制，只要仿真实验服务器在运行，任何配有计算机设备和网络的地方学生都可以进行操作，延长了实验时间，具有可操作性强、重复性好的特点[7]。随着计算机软硬件及校园网的发展，大学物理仿真实验在开发技术和功能各方面都在不断提升，仿真实验软件利用组件的理念开发出物理仿真仪器库，使仿真实验实现了可自主设计实验方案，自主选择实验仪器，不仅满足了基础实验教学的开展，同时为设计性实验、研究型实验的开展提供了条件。仿真试验采用学生为主体、教师为主导的教学方法。学生根据不同测量结果的要求，可自拟实验方案，根据实验方案灵活选择实验仪器，激发学生实验兴趣的同时引导学生创新思维，创新能力的形成。仿真实验软件提供实验数据接口，能够得到实时实验状态，给出实验结果评判，实验灵活度高、针对性强，界面友好、实验指导信息丰富，实验提示栏在学生操作实验时，实时提示相关仪器的名称、功能、操作方法等信息，实验帮助文档融合了实验简介、实验原理、实验仪器、实验内容，实验指导。学生可在提供的实验提示信息及实验帮助文档的指导下顺利完成实验内容。

三、仿真实验教学现状

1.仿真实验教学内容。西安石油大学物理实验课程中要求学生在一学期的时间内除了完成实验室的八个必做实验项目外还需要在网上选作两项与本学期实验室实验内容不相同的仿真实验项目。仿真实验采用大学物理实验中心仿真实验室和远程服务器终端对学生开放的方法完成。依照逐步提升的层次化、模块化的教学体系，遵循基础性实验、综合性实验、设计性实验的发展顺序，依次对学生开放的仿真实验项目共计31项，界面主要包括：力学实验的5个项目、热学实验的3个项目、光学实验的6个项目、电学实验的10个项目、电磁学实验的3个项目、近代物理实验的4个项目。

2.仿真实验教学过程中出现的问题。首先是服务器稳定性的问题，西安石油大学物理仿真实验开设在大学一年级的第二學期，此阶段学生课程任务繁重，社团活动多，很多同学总是把两项仿真实验拖到最后的时间集中进行完成，造成仿真系统服务器经常瘫痪的现象，实验室就此现象升级服务器，并要求学生合理利用时间尽早完成仿真实验，不要出现学期末扎堆的现象，同时建议学生按照院系进行分时段登录操作，完善仿真实验系统的稳定性。

其次是软件的安全问题，部分学生反映在使用软件时出现登陆不了仿真系统大厅的现象，老师们和厂家沟通发现是人为更改了登陆密码，由于仿真系统使用的是同一个登陆用户名和密码，所以更改后出现原有密码失效的现象，后面经过对密码进行复位操作以及在数据库中新增一百个用户，暂时解决了登录失败的问题。为了维护软件的自身安全防止黑客的攻击，需要软件开发人员对软件进行不断修补和升级，维护正常的教学秩序，提高软件的安全性。

3.虚拟仿真实验教学平台建设。为进一步完善实验教学过程，提高实验教学水平，物理实验中心在原有的大学物理仿真实验基础上增添了物理实验预习评判系统和物理实验考试系统两项教学软件。物理实验预习评判系统是在大学物理仿真实验基础上，进一步加强虚拟实验的模型设计，建设在线实验预习环境。学生在课前通过预习系统操作仿真实验，了解实验原理、内容及实验仪器的操作方法，建立起对实验的直观认识和完成实验的思路。自动评判的预习成绩帮助学生及时了解学习效果，也有助于教师掌握学生预习情况，针对性的调整教学重点。

四、仿真实验教学展望

仿真实验以自身强大的功能特点在实验教学中得到了良好的教学效果，被越来越多的学科领域广泛应用，成为实验教学环节中必不可少的一部分。仿真实验带给实验教学最大的便利就是节约了实验仪器，灵活了实验时间、实验空间，给广大师生教学带来了实实在在的方便。但是仿真实验主要是对实验所需要的仪器和操作方法的模拟，不能充分体现真实的实验环境下的实验结果，大学物理实验课注重培养学生的动手能力，学习规范操作各种实验仪器以及应对实验过程中的实际突发问题。

在现阶段的仿真实验的建设实践中，应该注重将科研成果与教学相结合，将科学发展的成果融入到基础教学中来，我校物理实验中心实验教材中已经引入光纤光栅传感技术的部分研究成果，下一步在仿真实验项目中增加相应的研究型实验对于丰富和扩展学生的知识面，提高综合实验技能，加强学生的科学素质和创新意识的培养尤为重要。

参考文献：

[1]高宏，郭文阁，贾振安.“综合设计型物理实验”公选课的实践与体会[J].大学物理实验，2010，23（2）：97-99.

[2]陈守川，杜金潮，沈剑峰.新编大学物理实验教程[M].第二版 杭州：浙江大学出版，2008：321.

[3]王晓蒲，霍煎青，杨旭.大学物理仿真实验和教学实践[J].物理实验，2001，21（1）：28-29.