Python在虚拟大学物理实验中的应用研究

张婕妤 吕怿彤 孙碧莲 王琪 赵兴东

【摘   要】伴随着信息化技术和虚拟仿真实验教学的发展，虚拟大学物理实验逐渐成为了大学物理教学改革的重要组成部分，同时越来越多的计算机语言和技术被用于在线实验课程和虚拟仿真平台建设。与此同时，关于如何科学定量的评估它们的可行性的研究是比较匮乏的。本文通过建立模糊综合评价模型从不同的角度评估了Python在虚拟大学物理实验中的可行性，充分考虑了学生的学习成效、教师的教学评价和基于计算机语言的多媒体应用。结合问卷分析，模糊综合评价模型结果表明Python软件在虚拟大学物理实验中可以起到非常重要的作用，应用可行性很高。最后，我们还探讨了Python在虚拟大学物理实验中的教学过程实施。这里的结果将对虚拟仿真实验的开展和物理教学的定量评估有着指导性意义。

【关键词】Python;仿真模拟;大学物理实验;模糊综合评价;教学评估

引言

大学物理实验是学生进行科学实验训练的基础课程，对大部分专业而言是一门必修课程。面对教学对象的多样性，由于非物理专业的学生知识积累欠缺，组织课堂教学会产生困难。再者受疫情影响，线上教学成为了仅次于课堂教学的主要教学模式。作为一门以实验为主的课程，如何开展线上教学，已经成为了一个亟待探讨的问题。

计算机仿真实验平台为实验教学提供了软件资源共享、硬件完善、远程操作三者结合的数据资源库，将传统实验教学和虚拟仿真技术融合在一起，在资源信息共享的基础上提高了教学效果。Python是一种面向对象、易于扩展的解释型计算机语言，相比其他软件而言其语法简单易学，自由发挥空间比较大，自适应能力和可移植性比较强，免费开源，易于拓展，在数值计算和模拟仿真方面有着自己的优越之处。因此可以借助Python软件实现大学物理实验模拟仿真线上教学，加深学生对知识的理解，增强学生的学习兴趣。

本文将通过建立数学模型对python在虚拟大学物理实验中的可行性进行定量评价，由于其本身是一个多层次的评价问题，涉及的内容较多，在人们心中的界限是模糊的。为了保证评价的科学性和客观性，我们将利用模糊综合评价方法研究Python在虚拟大学物理实验中的应用，并从学习成效、教学评价、多媒体应用的角度建立了评价模型对其进行定量分析。

1.模糊综合评价模型的建立

在生产生活以及科学研究中，我们经常会遇到模糊的现象或概念，随着科学技术的发展，对于这些存在模糊概念的实际问题往往都需要给出定量的分析。而Python在虚拟仿真大学物理实验中的应用研究是个较复杂的过程，需要考虑学生的专业素养、学校的培养目标、教学效果、多媒体的应用推广、实验本身的难易程度等。由此我们利用模糊评价通过精确的数字手段处理模糊的评价对象，对Python在虚拟大学物理实验仿真的应用作出比较科学、合理、贴近实际的量化评价。

经校内专家评估，本文从学习成效、教学评价、多媒体应用三个方面对Python模拟仿真大学物理实验教学进行评价。

从学习成效方面而言，我们从学生对专业知识的理解程度、自主创新能力的开发和对时域的限制进行评价;从教学评价方面而言，我们从课程任务的完成度、教学效率和质量，对教学效果的反馈进行评价;从多媒体应用方面而言，需要便于实际的大学物理实验教学课堂使用，我们从软件的可移植性、程序设计、计算功能以及数据可视化进行评价。因此我们建立图1所示的python在虚拟大学物理实验中模拟仿真的模糊综合评价指标体系。

根据图1所示的评价指标体系，建立评价指标集合，一级指标集合为：

P= {学习成效，教学评价，多媒体应用}，

与一级指标对应的二级指标层集合为：

Q1={專业素养，创新能力，时域限制}，

Q2={课程达成度，课程质量，教学效果}，

Q3{可移植性，程序设计，计算功能，数据可视}.

为了对仿真实验的使用效果进行评价，设评语集：

V={优秀，良好，合格，不合格}。

结合评语集，针对评价准则学习成效、教学评价所对应的6个二级评价指标制作调查问卷。依次面向校内物理学院老师、光电信息科学与工程专业学生、功能材料专业学生发放调查问卷共计200份，剔除无效问卷18份后，对有效问卷进行统计分析，并做了微小估计。最后参考大量文献后，对python软件特性做出如下评价得到的统计结果见表1所示：

依据表1统计结果，得到模糊综合评价矩阵为：

基于以学生为主体，以课程体系为核心，以虚拟仿真实验平台为支柱的物理实验教学体系。我们设一级指标的权重为：

上述调查问卷中依次针对评价准则学习成效、教学评价中的三个二级指标的影响力进行了权重调查，并做了微小估计得到二级指标权重如下：

从多媒体应用方面而言，大多数教学课堂展示所用的电脑内存比较小，为方便实际的教学课堂使用，软件需具有强大的可移植性。其次需具有强大的数据可视化能力和数值计算能力用来模拟仿真。最后程序语法应具有简洁性、易读性，易于学生掌握。参考大量文献后，我们对二级指标进行如下权重分配：

可以看出，在学习成效方面，专业素养和时域限制的重要度要大于自主创新能力;在教学评价方面，课程达成度的影响力要略大于课程质量和教学效果;在多媒体应用方面，软件的可移植性和数据可视化对其影响力较大。

2.模型求解

由各二级因素的模糊评价矩阵及其权重可计算，得出各一级因素的模糊向量，

再结合各一级因素的权重可以计算得到Python在虚拟大学物理实验中的应用评价结果，模糊综合评价向量为：

根据最大隶属度原则，认为用Python模拟仿真大学物理实验进行教学的可行性很高。用Python软件的特性进行仿真模拟，可以不受时间和空间的限制，提高实验精度，很好地辅助了传统实验教学。

从学习成效方面而言，由公式（1）可见，模拟仿真教学有效的提高了学生的专业素养，极大地改善了传统实验教学存在时域限制的弊端，同时对培养学生的创新能力也有一定积极影响。

仿真教学为学生提供了教学科研平台，在讲解完实验原理之后带领学生进行实验的仿真模拟，使学生加深对抽象概念和规律的理解，有利于拓展学生的思维空间。通过仿真模拟实验，学生可以自行改变实验过程中的一些参数和数据，总结一些实验现象中的规律，提高了学生独立思考、解决问题的能力，对培养学生创新意识和创新能力发挥着重要作用。再者，由于仿真模拟较为灵活，可以突破时空的限制，能帮助学生更好的完成学习任务。

从教学评价方面而言，由公式（2）可见，模拟仿真实验平台极大的提高了课程完成度，增强了教学效果，提高了课程质量。

在传统的实验教学中，由于实验经费的匮乏，实验设备多年无法更新，很难做到一人一机，保证每一个学生都能实际操作实验仪器完成课程目标。而仿真模拟实验，可以通过线上操作精准高效地完成学习任务。通过设计虚拟仿真实验，将具体实验过程过渡到仿真模拟中，将抽象难懂的物理概念和规律直观展现在学生面前，对学生学习兴趣、学习效果等有着很好的促进作用，增强了教学效果，相应物理实验教学效率和质量也会得到极大提高。

从多媒体应用方面而言，由公式（3）可见，Python具有較简单的程序接口，其调用方便，可移植性强。其他仿真软件对电脑运行速度的要求比较高，大多数学校课堂展示所用的电脑内存比较小，达不到以上要求。而Python相对其他仿真软件来说所占空间较小，可直接在其官网免费下载，方便实际的教学课堂使用。再者，Python语言易于掌握，其程序语法具有简洁性、易读性，非常适合大学物理以及其他学科的学生使用。同时可以让学生自主设计编写可视化的物理实验仿真程序，辅助传统实验教学，能使学生更深入理解物理原理和实验现象。另外Python具有大量的第三方库，数据可视化和计算能力强大，非常适合用来做科学计算、数值模拟等工作，可以完成更多具有创新的实验仿真模拟，以便应用到教学中去。

3.模拟教学过程

我们将Python应用在虚拟大学物理实验中的教学过程划分为：准备教学平台—模拟仿真教学—进行师生评价—总结先进经验，完善教学体系4个阶段。其中模拟仿真教学阶段可进一步分为课前自主学习、课堂协作探究、课后拓展创新三个过程。

具体教学实验过程如图2所示，教师基于教学目标，在实验课开展之前筹备好教学平台，学生在实验课前则自主探究实验目的、步骤、原理以及可能出现的问题、实验的结果等要素，结合物理知识进行深度思考，随后在课堂上进行小组讨论，改变实验参数，协作完成实验，合作创新。课后学生进行对比思考，拓展知识结构。最后建立师生评价体系，对比传统教学进行反馈，总结先进经验，完善教学体系，实现有效的虚拟实验平台利用。

随着时代信息技术的飞速发展和教育改革的深化，陈旧的实验教学实验体系和教育教学观念已不适应当前发展，教具教学改革迫在眉睫，仿真模拟技术也受到了从未有过的重视。

4.结语

Python是一种面向对象的解释型计算机语言，语法简单明了，易操作，数据可视化和计算能力强大，非常适合用来做数值计算、模拟仿真等工作，在虚拟仿真学习平台驱动混合式教学上有着重要的意义与价值，在未来教学前景上有广阔的发展空间。

模拟仿真实验是传统实验的补充和发展，一方面可以弥补传统实验教学的不足，另一方面可以有效提高大学生的创新思维，培养其创新能力。用Python模拟仿真实验可以避免手算出现的失误，使学生把主要精力放在实验的操作和实验本身物理意义的理解上，进一步激发学生的学习兴趣，引导学生主动学习，提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，充分调动学生实验的积极性和主动性。基于python的仿真模拟实验在未来有巨大发展潜力，有待我们进一步去研究。

参考文献

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作者简介：张婕妤（2000.11-），女，汉族，河南许昌人，本科生。

1.河南师范大学物理学院    河南新乡    453007;

2. 河南师范大学国家级物理实验教学示范中心    河南新乡    453007