物理仿真实验在大学物理实验教学改革中的应用

王雪梅

0 引言

物理实验是高等学校理工科院校学生进行科学实验基本训练的一门必修基础课程，是大学生接受系统的实验方法和实验技能训练的开端[1]，在培养学生科学思维和创新意识、提高科学素养方面也发挥着重要作用。但是，目前物理实验课的普遍存在着课时不断压缩，专职实验教师严重不足；传统的以教师为主、单纯的知识传授教学模式桎梏了学生个性化学习需求；传统的教学手段难以激发90 后、00 后学生的学习热情；另外，对于一些复杂的、实验条件要求高的、实际实验有危险的实验，学生的学习效率非常低，学习效果要么达不到，要么根本就没有，这些都使得物理实验课没有充分发挥其在人才培养中应有的作用。

基于计算机虚拟技术的大学物理仿真实验, 可以对每个实验做整体模拟，实现实验环境、实验仪器及操作过程的模拟。物理仿真实验有助于减少仪器设备及实验耗材的投入，还能使学生在计算机上对一些实验设备昂贵、实验过程危险的近现代物理实验进行模拟实验；此外，学生借助校园网或Internet 网络，随时随地就可以登录系统进行学习[2-3]；物理仿真实验为学生营造了自主学习的环境，使大面积开设开放性、设计性、研究性实验成为可能[4]。将大学物理仿真实验应用于物理实验教学是我校实验教学改革的一项重要内容，经过几年的探索与实践，目前我校已逐步搭建起大学物理仿真实验教学平台。

1 大学物理仿真实验系统的应用

我们根据教学实际引进并开发的大学物理仿真实验教学系统框架如下图1。

1.1 教学管理与选排课系统

系统管理员可以发布课程信息、设置教师课程、发布各类试卷、安排考试等；任课教师可以通过系统查看课程并导出学生成绩等。

图1 仿真实验教学管理系统

1.2 实验预习自动评判系统

课程负责人通过实验题库选题组织预习试卷并发布；学生通过预习系统，在线完成实验原理、实验内容的学习、并模拟实验操作，完成预习试卷并提交，系统自动评判，即时给出分数。

1.3 实验报告自动评阅系统

实验报告模板由教研室所有任课教师参与编写，由软件开发公司负责发布，学生在线完成报告并提交，评阅报告既可以系统自动评阅，又有教师手动评阅功能。

1.4 实验考试自动判卷系统

课程负责人通过实验题库选择各实验相关题目进行组卷，有理论题目及操作题目两部分。理论题目分单选题、多选题、判断题、填空题等多种形式，主要考核实验方法、数据处理方法、读数规则、有效数字等。操作题目主要针对实验所测定的物理量进行设定。学生在线完成后提交，系统自动评阅。

1.5 开放实验室管理系统

由系统管理员对实验室开放进行管理，可设置实验室开放时间、门禁激活、设置预约等；学生通过开放系统预约实验题目、实验室及进入实验室时间等，实现了实验室的全天候开放。

1.6 计算机仿真实验大厅

除了上述几个功能强大的子系统，我们还配有模拟实验室操作环境的仿真实验大厅，见图2。大厅中包含34 个普通物理实验、6 个近代物理实验及6 个虚拟现实（VR）实验。涵盖了基础性、综合性、应用性及设计性实验。

图2 仿真实验大厅主页面

2 物理仿真实验在教学中发挥的作用

2.1 提高教学效率，激发学习热情

先进的计算机虚拟技术使虚拟实验环境界面逼真、实验可操作性强[5]，学生预习实验不再是“纸上谈兵”，而是在虚拟实验室环境下，进行实验的模拟操作，极大地调动了学生主动预习的积极性；另外，对于像密立根油滴实验，油雾孔极易因喷油量过多而阻塞，学生越找不到油滴越拼命喷油，结果本来是测油滴带电量的实验，往往最后变成找油滴实验。我们就把这个实验设成仿真实验，学生在有限的课程时间里就可以把精力更多地用在了解实验设计思想、理解实验原理以及对油滴电量的测量上，极大地提高了学习效率，增强了学习效果。

2.2 丰富教学内容，拓宽学生视野

过去由于学时限制，只能开出为数不多的几个实验；对于一些仪器设备昂贵或实验条件要求高的实验，尤其是一些近现代物理实验难以正常开设，学生通过实验得到的训练很少。改革之后，我们委托公司开发了康普顿散射、核磁共振成像等实验，满足了新形势下物理实验教与学的需求。学生也通过这些实验丰富了知识，加深了理解，增强了运用知识解决实际问题的意识。

2.3 突破时空限制，营造自主学习环境

只要有网络，学生用自己的账号和密码登录系统就能够学习，而不必局限于实验室和真实的仪器，使实验教学在时间和空间上得到延伸，使我们开设开放性、设计性实验成为可能。我们委托公司开发了力学、电学和光学的三类设计性实验。每类实验建物理仿真仪器库，学生可以自主设计实验方案、灵活选择和组合仪器、采用不同的方法完成实验，满足了不同层次学生个性化学习的需求，同时也激发了学生的创造热情、启发了学生创新意识。

3 结束语

虚拟仿真实验教学作为“互联网+教育”新形态的载体，它拓展了实验教学内容的广度与深度、延伸了实验教学的时间与空间、弥补了资金与师资等方面的不足，对于提高我校物理实验教学质量、培养具有创新能力的应用型人才方面发挥了重要作用。