基于信息技術的實驗物理開放式教學的探索與實踐

蔣 蕓，王亞芳，董愛國，周惟公，鄧雁希

1.中國地質大學(北京) 實驗物理示范中心，北京 100083；2.中國地質大學（北京）教務處，北京 100083

基于信息技術的實驗物理開放式教學的探索與實踐

蔣 蕓1，王亞芳1，董愛國1，周惟公1，鄧雁希2

1.中國地質大學(北京) 實驗物理示范中心，北京 100083；2.中國地質大學（北京）教務處，北京 100083

信息技術為大學物理實驗課程的開放式教學提供了技術保障。利用網絡平臺、仿真實驗和電源控制系統將信息技術應用到課前預習、課堂教學、課后復習和考核等各個環節。初步建立基于信息技術的教學體系，進行高效有序的開放式教學與管理，提高教學質量。這是信息技術與課程整合的一次有益嘗試。

信息技術；開放式教學；實驗物理；仿真實驗

為了提高教學質量，在大學實驗物理課程中普遍采用開放式教學，通過創造一個有利于學生的生動、活潑、自主的教學環境，提供給學生充分發展的空間，從而促使學生在積極主動的探索過程中，各方面素質得到全面發展。但是面對大面積學生進行開放式實驗教學，存在著教學資源不足的壓力和學生實踐能力考核的困難[1-3]。將信息技術手段與實驗物理課程整合，使開放式教學得以實現，既是提高學生的學習便捷性、自主性，從而提高開放式教學質量和教學水平的內在要求，也是國家信息化教育的需要，這是未來教學的發展方向[4-5]。目前已經有許多高校在進行不同的嘗試，包括網絡選課的實現、仿真軟件的開發和使用、計算機接口技術的應用和教學資源數據庫系統的設計等等[6-10]。

中國地質大學（北京）物理實驗中心將信息技術與實驗物理課程整合，初步形成基于信息技術的課程教學鏈，努力提高開放式實驗教學的質量。文章介紹了近年的實踐經驗，并對未來發展進行規劃。

一、信息技術在大學實驗物理課程中的應用

完整的課程教學鏈應該包括課前預習、課堂教學、課后答疑和課程的考核，中心建設網絡平臺，合作開發仿真考試系統，自主研發實驗室控制電源，將這些信息技術手段應用到實驗物理課程教學和管理的各個環節，促進課程的開放，力圖建立的基于信息技術的大學實驗物理教學和管理體系。

1.網絡平臺

網絡平臺的建立主要實現三個功能：進行學生網絡選課、提供教學資源、實現遠程對話與交流[9-10]。

網絡選課的實現，首先由主管教師或者系統管理員設定可選實驗課的時間、地點、課容量等，學生注冊登陸后，按照自己的專業和時間自主選擇實驗。按照選課情況，學生完成課程教學計劃的要求，并可以及時查詢成績。一方面優化資源配置，進行科學管理，保證教學的正常進行；另一方面允許學生自由安排學習進程，激發學生的學習主動性。

教學資源的提供主要由教師負責。教師可以將實驗原理、方法、實驗儀器的原理與結構、實驗要求、思考題等內容制成課件，放在網站上，作為學生預習實驗的依據，也可以將科學家和相關前沿研究的內容作為背景介紹提供給學生，引發學生興趣，還可以將仿真實驗提供給學生，進行課前模擬練習。學生隨時可以從網站上下載所需資料和實驗，進行實驗的預習和復習。豐富的教學資源為課堂教學的順利進行提供前期保證。

選課遇到困難，在實驗中遇到問題，對某些實驗的專題討論，課后答疑，都可通過網站論壇交流。不單是師生交流，學生之間也可以研究討論，實現了不受時空限制的交流和對話。對于學生自主學習和教師改進教學都有重要的促進作用。

2.仿真實驗與考試系統

仿真軟件出現的比較早，在1995年中科大的仿真軟件已經開發并投入使用，但是由于教學理念的滯后，一直沒有受到重視。隨著多年擴招，面對大面積學生的實驗教學，教學資源的相對不足，虛擬實驗和仿真軟件重新受到關注。事實上，仿真實驗在大學實驗物理課程中可以應用到課前預習，課堂教學、課后復習和考核多個方面[16]。

學生從校園網上下載仿真實驗軟件并安裝使用，結合PPT課件，對實驗內容進行課前模擬實驗操作。這樣的預習過程能夠真正讓學生把實驗原理、儀器設備和操作過程結合起來，有利于他們對于課堂內容的理解和掌握。在實驗課后，學生對沒有理解的部分也可以使用仿真軟件進一步研究。

對于某些實驗室無法完成的實驗，也可能使用仿真軟件實現，比如掃描隧道顯微鏡、高溫超導材料性能測試、低溫溫度計和γ能譜實驗等，極大地豐富了實驗內容，拓寬學生眼界。

而在一般實驗的課堂教學中，教師也可以利用仿真軟件配合多媒體設備進行操作演示，讓學生非常直觀地看到儀器的內部結構和運行原理，改變了實驗儀器精密化、集成化而造成的“黑匣子”困惑，也改變了教師對照儀器演示而造成的受眾面小的問題，使全部學生都能清楚的觀看、學習，從而激發學習興趣。

近年，中國科技大學、中國地質大學（北京）、北京交通大學、中國地質大學（武漢）和科大奧銳公司共同研制開發的物理實驗考試與自動判卷系統是仿真實驗的一個新的應用。相比其他形式的實驗考試，該系統的優勢在于：使用仿真實驗，不會由于錯誤操作造成儀器損壞；可以較好的考查學生對實驗原理的理解程度和評價學生的實踐操作能力；進入仿真實驗系統時，初始數據在一定范圍內隨即給出，避免同學互相抄襲數據的現象，保證考試的公平性；可以實現對大批量的學生同時進行考核，不再受儀器數目的限制。使用此軟件系統，連續兩年對中國地質大學（北京）大二理工科學生的實驗物理課程進行考核，可以客觀的評價實驗教學效果，學生反映良好。

3.開放實驗室電源控制系統

為了滿足部分基礎較弱的學生進入實驗室進行實際預習操作的要求，也為了滿足部分優秀學生走入實驗室，獨立自主的進行科學研究的要求，中心教師自主開發了實驗室電源控制系統，利用該系統對儀器的電源進行控制，同時記錄儀器的使用時間和使用者的信息。一方面為學生提供更多的開放時間，另一方面也避免了學生不負責任，造成設備損壞丟失的困境。初步實現了部分開放實驗室的無人值守管理，學生也逐漸形成了良好的實驗習慣，自主學習能力大幅提升。

4.三種信息技術手段共同形成完整的教學鏈

仿真實驗豐富了課程內容，方便學生預習和復習，提供了教師演示的新方法，并且成為實驗考核的利器，完善了教學鏈。電源控制系統實現了實驗室設備的無人管理，更為課程更深層次的開放提供了可能，擴展了教學鏈。網絡平臺則建立了學生與資源、學生與教師、學生之間、教師與資源的各種聯系，貫穿于整個大學實驗物理教學鏈的始終。如圖1，這三者共同建立了寬松的內容豐富的學習環境和研究平臺，形成了比較完整的基于信息技術的教學鏈。學生正在逐漸擺脫課堂、課時以及儀器的限制，可以自主的進行學習和實踐，實驗教學在時間和空間上都得以延伸，高效有序的實現了大學物理實驗的開放式教學和管理。

圖1 三種信息手段和大學實驗物理課程的關系

二、信息化教學的進一步設想

將信息技術與實驗物理課程整合，充分利用各種信息技術手段促進開放式教學，符合未來教學的發展方向。目前中心已經將信息技術應用到大學實驗物理課程的各個環節，初步建立了基于信息技術的大學物理實驗開放式教學體系，但是距離信息技術與實驗物理課程的密切融合還有一定的差距。今后，中心將重點建設實驗效果評價系統，包括課前預習，課堂打分和實驗報告部分，達到課前學生在網絡上進行預習和檢測，系統自動評價，達到要求后再允許實驗；課堂教師根據學生實驗情況隨時給出操作分，直接輸入成績記錄系統；課后學生在網上提交報告，系統給出成績，教師輔助評價，形成完善的基于信息技術的教學鏈。從而提高預習效果保證操作評價更公正，學生及時得到反饋[17-18]。更深遠的考慮包括完善電源控制系統，并利用計算機接口技術和遠程控制技術，實現實驗設備的遠程控制，進行科學研究等等。

實驗物理教學信息化是一個任重而道遠的過程，需要進一步的建設和完善，希望和各位同行共同研究探討。

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Exploration and Practice of Opening Teaching of Experimental Physics based on Information Technology

JIANG Yun, WANG Ya-fang, DONG Ai-guo, ZHOU Wei-gong, DENG Yan-xi
China University of Geosciences, Beijing 100083, China

Internet technology provides technical support for the opening teaching in experimental physics. The internet technology is applied in the teaching chain, including the preparation before class, the classroom instruction, the review after class and examination through the network platform, the simulation experiments and the power control system. The teaching system based on information technology has preliminary been set up to make the open teaching and management’s implement effi ciently and orderly. The system improves the quality of education. This is a useful attempt to information technology and curriculum integration.

information technology, opening teaching, experimental physics, network platform, simulation Experiment

G642

A

1006-9372 （2013）01-0090-03

2012-11-30。

中國地質大學（北京）教學改革與教學研究專項經費（J GYB-211109）。

蔣 蕓，女，講師，主要從事實驗物理教學與管理工作。

比較教育研究