基于虚拟仿真的大学物理实验教学改革*

林海峰，熊飞兵，王逸平

（厦门理工学院 光电与通信工程学院，福建 厦门361024）

基于虚拟仿真的大学物理实验教学改革*

林海峰，熊飞兵，王逸平

（厦门理工学院 光电与通信工程学院，福建 厦门361024）

文章剖析厦门理工学院《大学物理实验》课程教学的现状及存在的问题，并在分析虚拟仿真实验优缺点的基础上，探索如何将物理环境、数字化环境和虚拟环境三者有机地结合起来，建立虚实结合、相互补充的实验教学资源和教学方法，促进大学物理实验教学内容、教学方法与手段改革，从而提高大学物理实验教学质量。

虚拟仿真实验；物理实验教学；教学改革

一、引言

《大学物理实验》是理工科学生进入高等学校必修的第一门重要基础实验课程，具有多样化的实验方法和手段以及综合性很强的基本实验技能训练，对于培养学生严谨的科学思维、创新能力和实践能力有着十分重要的意义[1]，所以各高校对大学物理实验的教学非常重视。然而，随着高校规模的不断扩大，由于实验空间、实验仪器设备以及实验队伍等教学资源的限制，导致传统的大学物理实验教学内容落后，教学手段和方法过时，考核评价方法单一，这种实验教学模式使学生常常处于被动接受状态，实验也变得枯燥无味，不仅影响了实验教学效果，还不利于激发学生学习的主动性，不利于学生自主创新能力的培养。随着计算机网络技术的普及与发展，虚拟仿真技术被广泛应用于实验教学中，开创了一种全新的实验教学模式，虚拟仿真实验作为传统实验教学的重要补充，目前在全国很多高校得到广泛的开展与应用，并取得了一些经验和成果[2-4]。

本文从厦门理工学院大学物理虚拟仿真实验教学示范中心建设出发，结合《大学物理实验》课程教学的现状及存在的问题，探索如何将物理虚拟仿真实验融入到大学物理实验教学中，实现大学物理实验教学内容、教学模式和方法以及学生自主创新能力培养模式的改革，从而提高大学物理实验教学质量。

二、我校《大学物理实验》课程教学的现状及存在问题

我校属于地方性、应用型工科院校，根据《大学物理实验》课程在我校人才培养过程中的地位、作用和任务，我校大学物理实验教学中心在实验课程体系建设、实验教学模式探索、实验教学队伍建设、学生创新能力培养和实验室开放行动及管理机制等方面进行全面改革，取得了巨大进步，并初步具有辐射作用，2008年被评为福建省实验教学示范中心。然而近年来学校发展迅速，招生规模不断扩大，无论从仪器设备、实验空间和实验队伍等资源的配置，还是实验项目和实验学时的设置上，都无法为实验教学提供有效的支持，从而制约了物理实验教学质量的提高，学生实验能力的培养受到严重影响[5-6]，为此，学校根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》精神，积极开展网络实验室建设，2013年开始着手建设大学物理虚拟仿真实验中心，并于2016年获批福建省大学物理虚拟仿真实验教学示范中心。

三、我校虚拟仿真实验平台建设

我校在引进中国科技大学开发的《大学物理仿真实验系统》的基础上，依托学校校园网和物理实验教学中心网站，架构建成虚拟仿真物理实验教学平台。物理虚拟仿真实验教学平台包含实验中心门户网站、教学管理及选排课系统、实验预习及报告评判系统、虚拟仿真实验资源系统、实验考试与自动判卷系统和实验教学交互系统几大部分，其中实验中心门户网站用来对外公布中心教学信息、中心简介、实验课程、教学资源、教学公告通知等，是教学平台各系统功能的链接窗口；实验预习、考试和自助评判系统内设包括选择题、填空题、判断题等理论知识、动手操作（虚拟仿真实验操作）和系统内置预习和测试评判专家，保证实验考核内容的多样性、客观性和公平性；虚拟仿真实验教学资源系统是整个实验教学平台最重要、最核心的部分，现已建成了包括力学、热学、光学、电学等基础大学物理实验课程项目50多个，近代物理、光电专业、微电子专业等学科专业实验和开放性选修实验项目30多个，学生和教师可通过实验中心门户网站身份认证进入仿真物理实验平台，根据实验教学要求对实验简介、实验原理、实验内容、实验仪器进行了解和学习，通过虚拟仿真实验项目进行在线演示、互动操作、完成实验。丰富的实验操作内容和全新的实验方式，激发了学生对大学物理实验的兴趣，提高了学生对大学物理实验的重视度。

四、基于虚拟仿真的大学物理实验教学改革

在物理实验教学中，中心始终本着人才培养、创新实践和社会服务三大目标来进行，为学生营造更多自主学习、多元化发展空间的实验环境，把虚拟仿真实验作为传统物理实验的一个重要补充，实现虚中有实，实中有虚的多元化实验教学和学习效果，丰富了实验教学手段，增加了实验学习的内容和时间，形成了课程层次、专业分类、虚实结合、相互补充的多元化虚拟物理仿真实验教学体系。

1.建立多层次的物理实验课程体系

虚拟仿真实验课程体系构建了以基础物理实验、学科专业物理实验和开放选修物理实验三个层次，服务学校7个学院、21个专业的物理实验教学。在实验课程设置上，前期构筑宽厚基础，后期优化专业教育，注重学科交叉培养，加强综合性和设计性实验训练，培养学生创新创业实践能力。构建了基础物理实验、学科专业物理实验和开放选修物理实验三个层次的实验课程体系，基础物理实验中有大学物理的力学、热学、光学、电学实验，演示物理实验，近代物理实验等课程；学科专业物理实验中有光电信息类专业、微电子专业、电气专业等专业实验课程；开放选修物理实验包括大学物理选修实验、近代物理选修实验、光电专业选修实验、微电子选修实验等课程，课程体系如图1所示，体现由专业基础训练，到专业综合技能提高，再到研究与创新能力培养。

图1

2.改进大学物理实验教学模式和考核方式

（1）采用“以学生为主”的教学模式

虚拟仿真物理实验突破了传统物理实验受到实验空间和实验学时的限制，学生通过仿真实验教学平台，可以在线了解相关的实验内容，实验演示和互动操作，促使以教师为中心的授课模式转变为以学生为中心的“个性化、合作化”教学模式；由“要我学”转变为“我要学”；由“被动听讲”转变为“主动学习”；由传统“教材控制”转变为“学习者控制”，学生通过主动参与、自我探究来构建知识结构。

（2）引入翻转课堂教学模式

学生通过虚拟仿真物理实验平台，可以对实验项目课前预习，课堂教学采用问题讨论法，实验之前留出一定的时间，设置合理的问题情境，让每个学生都参与问题的讨论和探究，进一步明确实验目的和内容。经过讨论，学生的思维非常开阔，而且在做实验的过程中胸有成竹，会发现很多问题，比如在做太阳能电池实验中，为什么硅光电池光强一定时，负载不同电压也不同？为什么反偏时输出电流比较大？……虽然有些问题学生有时候不能讲到点子上，但是通过认真思考和相互讨论，使得实验原理性的知识理解得很透彻，基本上没有出现相互抄袭实验数据和实验报告的现象，这种教学模式有效地激发了学生对大学物理实验的兴趣，大大地提高了实验教学质量。

（3）采用“虚实结合、相互补充”的教学模式

虚拟仿真实验只能为学生提供虚拟的实验环境，学生没有对真实实验仪器进行操作，缺乏真实感，缺少分析和评估复杂客观环境对实验结果影响的过程，实验教师应尽可能创造实验条件，加大实验室开放力度，使学生有更多的机会进行实际的实验操作，弥补仿真与虚拟实验的不足，同时充分利用远程控制演示实验的方法，实现实验硬件资源共享，创建“虚拟（模拟仪器面板）—实体（硬件设备）—真实（实验场景）”新的教学模式，实现信息技术与教学模式和方法的深度融合。

（4）改进考核方式

传统的实验成绩通常是教师根据学生的预习报告、课堂表现以及实验报告的完成情况来评定，具有很大的主观性，不能完全客观地反映学生实验能力的差异，这也是部分学生对物理实验不感兴趣的主要原因之一。在物理虚拟仿真实验平台中，引入了物理实验预习与自动评判和物理实验考试与自动评卷两套系统，在物理实验预习与自动评判系统中，有理论知识点（包括选择题、填空题、判断题）和动手操作（虚拟仿真操作）两部分预习内容，其中，理论知识点包括实验目的、实验原理、实验内容和仪器介绍等，而动手操作包括整个实验操作过程的录像和学生模拟操作两部分。实验教师可以通过录入和编辑预习题库，系统会自动生成预习试卷，并对学生的预习答题和操作情况做出自动评判。在物理实验考试与自动评卷系统中，同样包括理论知识考试和虚拟仿真操作考试两部分，对于考试的监督和评分，由系统内置的统一专家来评判，因此所有的学生评分标准都一致，而且相当于一个教师对一个学生进行监考，保证评分的客观性、公平性和即时性，解决了由于实验设备不足、教师数量紧缺造成的学生实验能力无法有效考核的问题。

3.以学科竞赛和大学生创新项目为拓展，培养学生自主创新能力

在课程体系之外，依托福建省光电器件与技术重点实验室的优势资源，及时更新虚拟仿真实验教学资源，保证教学内容的前沿性和科学性，支持和鼓励那些学有余力、动手能力强的学生参加光电设计大赛、电子设计竞赛、物理实验竞赛以及大学生创新创业计划项目等各级创新活动，虚拟仿真平台开放一部分源码资源，可供学生进行编程实现个性化的、创新实验模拟仿真，从而更好地完成学科竞赛和创新实验项目，培养学生的分析、应用和创新能力。学生自主创新能力培养取得了显著效果，近三年来，学生参加全国大学生电子竞赛、全国光电设计大赛等学科竞赛，并获得各类奖项49项，参与国家级、省级等各级创新创业项目50多项，这些活动的开展使得物理实验教学的内涵得到深化，教学体系得以扩展，部分优秀学生从中受益；同时，各类创新活动所取得的成果又会吸引和激励更多有志于深入学习物理科学的同学加入，形成良性循环，扩大学生的受益面。

多元化的教学模式已成为教学的主流，虚拟仿真物理实验教学结合我校应用型本科专业特色，发挥其多元化实验教学模式的优势，激发学生自主实验的积极性，更好地培养学生的创新能力、实践能力和研究能力。

[1]王晓蒲,霍剑青,杨旭等.大学物理仿真实验和教学[J].物理实验,2002(11):45-48.

[2]宁锌,庞玮,陈峻等.大学物理实验在教学实践中的应用[J].大学物理实验,2012,25(3):110-111.

[3]郭迅,习友宝.浅析现代电子技术实验网络教学平台设计与实现[J].实验技术与管理,2010,27(2):100-104.

[4]王月明,刘官元,董大明.网络背景下大学物理实验教学模式探讨[J].大学物理实验,2010(3):85-87.

[5]蔡青.仿真实验的应用与大学物理实验的教学改革[J].成都信息工程学院学报,2006,21(1):113-115．

[6]辛旭平.仿真与物理实验[J].大学物理实验,2005,18(3):106-108．

G482

A

1673-8454（2017）22-0091-03

*基金来源：厦门理工学院教改重点项目（编号：JGZ201603）。

（编辑：鲁利瑞）