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仿真實驗在大學物理實驗教學的應用

 論文欄目:大學物理論文     更新時間:2020/8/5 11:55:19   

要:基于目前我校正在使用的大學物理仿真實驗教學系統,介紹了在物理實驗教學改革中仿真實驗的具體應用及取得的效果。

關鍵詞:物理實驗;教學改革;仿真實驗

物理實驗是高等學校理工科院校學生進行科學實驗基本訓練的一門必修基礎課程,是大學生接受系統的實驗方法和實驗技能訓練的開端[1],在培養學生科學思維和創新意識、提高科學素養方面也發揮著重要作用。但是,目前物理實驗課的普遍存在著課時不斷壓縮,專職實驗教師嚴重不足;傳統的以教師為主、單純的知識傳授教學模式桎梏了學生個性化學習需求;傳統的教學手段難以激發90后、00后學生的學習熱情;另外,對于一些復雜的、實驗條件要求高的、實際實驗有危險的實驗,學生的學習效率非常低,學習效果要么達不到,要么根本就沒有,這些都使得物理實驗課沒有充分發揮其在人才培養中應有的作用;谟嬎銠C虛擬技術的大學物理仿真實驗,可以對每個實驗做整體模擬,實現實驗環境、實驗儀器及操作過程的模擬。物理仿真實驗有助于減少儀器設備及實驗耗材的投入,還能使學生在計算機上對一些實驗設備昂貴、實驗過程危險的近現代物理實驗進行模擬實驗;此外,學生借助校園網或Internet網絡,隨時隨地就可以登錄系統進行學習[2-3];物理仿真實驗為學生營造了自主學習的環境,使大面積開設開放性、設計性、研究性實驗成為可能[4]。將大學物理仿真實驗應用于物理實驗教學是我校實驗教學改革的一項重要內容,經過幾年的探索與實踐,目前我校已逐步搭建起大學物理仿真實驗教學平臺。

1大學物理仿真實驗系統的應用

我們根據教學實際引進并開發的大學物理仿真實驗教學系統框架如下圖1。

1.1教學管理與選排課系統

系統管理員可以發布課程信息、設置教師課程、發布各類試卷、安排考試等;任課教師可以通過系統查看課程并導出學生成績等。

1.2實驗預習自動評判系統

課程負責人通過實驗題庫選題組織預習試卷并發布;學生通過預習系統,在線完成實驗原理、實驗內容的學習、并模擬實驗操作,完成預習試卷并提交,系統自動評判,即時給出分數。

1.3實驗報告自動評閱系統

實驗報告模板由教研室所有任課教師參與編寫,由軟件開發公司負責發布,學生在線完成報告并提交,評閱報告既可以系統自動評閱,又有教師手動評閱功能。

1.4實驗考試自動判卷系統

課程負責人通過實驗題庫選擇各實驗相關題目進行組卷,有理論題目及操作題目兩部分。理論題目分單選題、多選題、判斷題、填空題等多種形式,主要考核實驗方法、數據處理方法、讀數規則、有效數字等。操作題目主要針對實驗所測定的物理量進行設定。學生在線完成后提交,系統自動評閱。

1.5開放實驗室管理系統

由系統管理員對實驗室開放進行管理,可設置實驗室開放時間、門禁激活、設置預約等;學生通過開放系統預約實驗題目、實驗室及進入實驗室時間等,實現了實驗室的全天候開放。

1.6計算機仿真實驗大廳

除了上述幾個功能強大的子系統,我們還配有模擬實驗室操作環境的仿真實驗大廳,見圖2。大廳中包含34個普通物理實驗、6個近代物理實驗及6個虛擬現實(VR)實驗。涵蓋了基礎性、綜合性、應用性及設計性實驗。

2物理仿真實驗在教學中發揮的作用

2.1提高教學效率,激發學習熱情

先進的計算機虛擬技術使虛擬實驗環境界面逼真、實驗可操作性強[5],學生預習實驗不再是“紙上談兵”,而是在虛擬實驗室環境下,進行實驗的模擬操作,極大地調動了學生主動預習的積極性;另外,對于像密立根油滴實驗,油霧孔極易因噴油量過多而阻塞,學生越找不到油滴越拼命噴油,結果本來是測油滴帶電量的實驗,往往最后變成找油滴實驗。我們就把這個實驗設成仿真實驗,學生在有限的課程時間里就可以把精力更多地用在了解實驗設計思想、理解實驗原理以及對油滴電量的測量上,極大地提高了學習效率,增強了學習效果。

2.2豐富教學內容,拓寬學生視野

過去由于學時限制,只能開出為數不多的幾個實驗;對于一些儀器設備昂貴或實驗條件要求高的實驗,尤其是一些近現代物理實驗難以正常開設,學生通過實驗得到的訓練很少。改革之后,我們委托公司開發了康普頓散射、核磁共振成像等實驗,滿足了新形勢下物理實驗教與學的需求。學生也通過這些實驗豐富了知識,加深了理解,增強了運用知識解決實際問題的意識。

2.3突破時空限制,營造自主學習環境

只要有網絡,學生用自己的賬號和密碼登錄系統就能夠學習,而不必局限于實驗室和真實的儀器,使實驗教學在時間和空間上得到延伸,使我們開設開放性、設計性實驗成為可能。我們委托公司開發了力學、電學和光學的三類設計性實驗。每類實驗建物理仿真儀器庫,學生可以自主設計實驗方案、靈活選擇和組合儀器、采用不同的方法完成實驗,滿足了不同層次學生個性化學習的需求,同時也激發了學生的創造熱情、啟發了學生創新意識。

3結束語

虛擬仿真實驗教學作為“互聯網+教育”新形態的載體,它拓展了實驗教學內容的廣度與深度、延伸了實驗教學的時間與空間、彌補了資金與師資等方面的不足,對于提高我校物理實驗教學質量、培養具有創新能力的應用型人才方面發揮了重要作用。

參考文獻

[1]杜旭日.大學物理實驗教程[M].福建,廈門大學出版社,2016(2):7-8.

[2]霍劍青,王曉蒲.大學物理仿真實驗的研制和教學實踐[J].教育與現代化,1999,2:33.

[3]王曉蒲,霍劍青,楊旭.大學物理仿真實驗和教學實踐[J].物理實驗,2001,21(1):28-29.

[4]寧鋅,龐瑋,等.大學物理仿真實驗在教學實踐中的應用[J].大學物理實驗,2012,25(3):110-111.

[5]譚守標.計算機虛擬技術在大學物理仿真實驗教學系統中的應用[J].中國科學技術大學學報,2005,35(3):429-430.

作者:王雪梅

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