工科物理虚拟仿真实验教学平台的建设实践

刘维慧，孟丽华，于　阳，李　婧，张　晓，王学水，张鲁殷

(山东科技大学，山东 青岛　266590)

*通讯联系人

工科物理虚拟仿真实验教学平台的建设实践

刘维慧，孟丽华，于阳，李婧，张晓，王学水，张鲁殷*

(山东科技大学，山东 青岛266590)

摘 要：本文介绍了山东科技大学工科物理虚拟仿真实验教学中心建设历程。虚拟方正实验教学中心以山东省实验教学示范中心为依托，以创建国家级虚拟仿真实验教学中心为契机，通过围绕大学物理虚拟仿真平台的建设，从普通物理实验、近代物理实验和专业物理实验等几个方面展开系列工作，并提出虚实结合，有实有虚，实缺虚补的方针，对本校虚拟仿真实验教学方面建设所存在的问题及取得的成绩做了详细的叙述。

关键词：大学物理实验；虚拟仿真实验；实验平台建设

山东科技大学2001年开始在青岛建设新校区，2002年大学物理实验教学中心由泰安校区搬迁到青岛校区，实验室面积由原来的1000平方米扩大到5800平方米，并建立了工程物理实验室，同年底学校对原有的实验室整合为一体，正式成立了工科物理实验教学中心。原大学物理实验室于1999年被山东省教委评为“山东省一类实验室”。中心于2004年1月被山东省教育厅批准为“山东省高等学校基础课实验教学示范中心”

长期以来，中心坚持“以学生为本、以能力培养为核心，树立融知识、能力、素质协调发展”的教学理念，以“夯实基础、重视应用、激励创新、提高素质”为教学方针，在实验教学体系和教学内容方面进行了一系列改革，加强了与工科专业密切相关的工程物理实验教学。中心根据各专业特点，建立了“地矿与测绘模块”、“机械与材料模块”、“电气信息模块”等等7大模块的实验教学体系，不同的模块开设了不同的工程类实验项目。中心承担着资环学院、地科学院、土建学院、信电学院、信息学院、机电学院、化工学院、材料学院和交通学院等19个学院70多个本科专业5000多名学生的物理实验教学。

1物理虚拟仿真实验教学平台建设的必要性

大学物理实验是本科生进入大学校门后接触的第一门实验课，也是第一门比较完善、系统的实验课，更是一门公共基础实验课。这门实验课对于培养学生科学的实验知识、系统的实验技能、严谨的科研态度、积极的创新精神以及分析问题、解决问题的能力至关重要[1]。同时，大学物理实验也为本科生以后的专业实验打下良好的实验基础，所以各高校对大学物理实验室的建设也相当重视。但是，在实际教学中，许多重要的实验都受到环境(比如污染严重不能接触操作)、成本(大型精密实验仪器无法购买)、空间(采矿专业实验无法无法真实反应实际环境及核物理实验不可进入原子内部进行操作)等的限制，导致理论与实际无法结合，这就需要大力加强物理虚拟仿真实验项目的建设。特别是三维虚拟仿真实验项目的开放，不但突破了时间空间的限制，解决了资金的不足，还可以逼真的展现实际实验的全过程，受到越来越多的实验教师及学生的肯定[2-5]。

教育部在2013年提出的《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》中，启动了在全国高校开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设任务。为贯彻落实《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》(教高〔2012〕4号)精神，本文提出虚实结合，有实有虚，实缺虚补的原则，应继续加强我校物理虚拟仿真实验室的建设。

2我校物理虚拟仿真实验目前建设成效及不足

2009年，我校工科物理实验教学中心被山东省评为省级示范实验教学中心，深度融合学科专业与信息技术的虚拟仿真实验教学，也作为实验教学示范中心建设的重要内容开始投入建设。在全国高校大力发展虚拟仿真实验的今天，我校物理实验教学在虚拟仿真实验教学平台的建设上不断加强：

2.1物理虚拟仿真实验项目特色鲜明

虽然经典大学物理实验项目全国各高校基本相同，但是各高校的专业或课程情况不同，即特色专业不同，物理虚拟仿真实验教学应体现本校特色。针对这种情况，根据我校专业设置，特别是特色专业对学生实验能力的要求，我实验中心在虚拟仿真实验项目的建设方面，以常规大学物理实验教学项目为基础，补充了相关知识的扩展虚拟仿真实验。比如，固体热膨胀系数的测量是常规大学物理实验，也是我校几个特色专业的学生必修的实验，在此基础上，我们扩展该实验内容，增加了钢与铁的拉伸与压缩虚拟仿真实验，弯曲正应力电测虚拟仿真实验及弯扭组合正应力电测虚拟仿真实验等项目，作为网上选修内容，供几个特色专业的学生选修，提高他们的专业实验能力。典型的基础物理虚拟仿真实验与特色专业扩展实验项目列表如表1所示，更多的体现与我校特色专业联系紧密的虚拟仿真实验项目。

表1　特色专业扩展实验与基础物理实验对照表

我校前身是矿业学院，特色专业是采矿工程、资源环境及地球物理等。根据这些专业对学生基础知识的要求，我物理虚拟仿真实验教学中心相应地设置矿下气体浓度测量、光纤传感等虚拟仿真实验项目，每个项目的仿真过程都详细介绍实验目的、实验方法、仪器操作及应用领域，帮助这些专业的学生提前打好相关基础知识。

2.2物理虚拟仿真实验平台不断加强

实验平台的建设包括软件平台和硬件平台建设，软件平台的建设又包括虚拟仿真网站的建设和虚拟仿真实验软件的开发。我校自2007年本科教学水平评估以来，虚拟仿真中心网站不断得到完善。学生可以在实验前通过网络完成实验预习、实验后及时巩固以及实验兴趣的扩展等工作。目前虚拟仿真实验网站内容建设较为丰富，包括实验的开课管理、典型实验库的维护、实验教学安排、实验过程的智能指导、实验结果的自动批改、实验成绩统计查询、数字化资源管理、师生互动交流和系统管理等子系统。网站首页如图1所示，网址为http://gkwlxnfz.sdust.edu.cn。在虚拟仿真实验软件的开发方面，以扩展性、兼容性和共享为原则，在与企业合作开发的基础上，鼓励教师开发与自己科研相关的特色虚拟仿真实验，使科研成果得以向教学成果转化。网站首页如图1所示。

a) 网站首页；b)选课界面；c)在线虚拟实验列表图1　我校工科物理虚拟仿真实验教学中心网站

2.3物理虚拟仿真实验教学队伍不断壮大

为加强虚拟仿真实验教学队伍，我校从政策及人才引入上给予大力支持。学校设立新光工程学术带头人岗位，公开招聘有实验教学经验及创新能力的中心主任主管实验中心。制定了人才引进政策，引进有物理背景的教授、博士、硕士进行虚拟仿真实验项目的开发与教学；经过10年左右的建设，我实验中心物理虚拟仿真教学人员从无到有，而且逐步形成了教学、科研、技术人员紧密结合，核心骨干人员相对稳定，结构合理的虚拟仿真实验教学团队，而且也形成了一支教育理念先进，学术水平高，教学科研能力强，实践经验丰富，勇于创新的虚拟仿真实验教学和管理队伍。

2.4物理虚拟仿真实验管理体系不断完善

物理虚拟仿真实验管理体系包括：网络平台的管理与维护和师生对虚拟仿真实验教与学。我中心实行校、院两级管理，中心主任负责制。以虚拟仿真实验教学资源的开放共享和充分使用为目标，系统制定并有效实施保障虚拟仿真实验教学的教师工作绩效考核、经费使用管理、实验教学中心维护与可持续发展等政策措施，建立有利于激励学生学习和提高学生创新能力的教学效果考核、评价和反馈机制。内容详见中心网址http://gkwlxnfz.sdust.edu.cn。

2.5虚拟仿真实验平台建设发展中所存在的问题

在虚拟仿真实验项目的开发方面，缺少精通自主开发虚拟软件的教师，造成自主开发力度不足。更能体现我应用物理特色专业的实验项目，如太阳能发电实验、原子物理实验、全息照相实验及金属镀膜实验等在虚拟仿真实验中体现较少。当前，全国高校对虚拟仿真实验的建设正处于一种亢奋状态，建立虚拟仿真实验教学中心是大势所趋，如何在全国诸多高校的虚拟仿真实验中心建设中脱颖而出，就需要与我校特色专业建设相结合，所以特色专业的优秀科研成果向虚拟仿真实验的转换应继续加强，否则会成为我校虚拟仿真实验项目发展的死角。在虚拟仿真实验平台的建设方面，我校与企业的联系较少，应大力发展校企共建共管的合作模式，保障资金与技术的投入。

3结束语

我校工科物理虚拟仿真实验教学平台的建设和发展仍是一项长期的工作，需要管理者及专职实验教师不断自我创新实践，及时总结并学习其它高校的建设经验。本着虚实结合，有虚有实，实缺虚补的原则，根据我校专业特色建设的内容，以培养和提高学生的实验创新能力和严格的科学实验态度为目标，使我校工科物理虚拟仿真实验平台的建设不断完善。

参考文献：

[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]霍剑青，王晓蒲，杨旭,等.发展教育技术营造多元化教学模式的研究与时间[J].物理与工程，2001(42)：102-104.

[3]辛旭平.仿真与物理实验[J].大学物理实验，2005(9):30-34.

[4]庄娟，李守春，刘丽,等.大学物理实验多媒体CAI课件的研制 [J].物理通报，1999(5):77-80.

[5]胡长虹， 李玉，李守春,等.光源在光学实验中的应用[J].大学物理实验，2014.

The Construction and Practice on Engineering Physics Virtual Simulation Platform of Experiments Teaching

LIU Wei-hui,MENG Li-hua,YU Yang,LI Jing,ZHANG Xiao,WANG Xue-shui,ZHANG Lu-yin

(Shandong University of Science and Technology,Shandong Qingdao 266590)

Abstract：It introduced the construction course of Shandong University of Science and Technology experiment center for virtual simulation teaching.On the base of experimental model center of Shandong Province,constructing a national virtual simulation experiment center as an opportunity to promote the development of college physics virtual simulation.By modern physics,general physics and professional physics,we start our work and put forward the following strategy：virtual-actual combination,having both virtual and actual experiments,virtual experiments making up the lack of actual experiment.We also elaborate the shortage of our development.

Key words：college physics experiment；virtual simulation experiment；experimental platform construction

收稿日期：2015-09-28

基金项目：山东科技大学“群星计划”(qx2013355，GJ201304)

文章编号：1007-2934(2016)02-0138-04

中图分类号：G 420

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.037