大學物理仿真實驗教學實踐與體會

張小真+陳海霞+馬成舉+白+亮

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

摘要：將計算機仿真技術運用于大學物理實驗教學是提高教學質量促進物理實驗改革的重要舉措。仿真實驗完善了物理實驗的教學過程、豐富了教學模式，是新形勢下科技進步的產物。結合西安石油大學仿真實驗的教學實踐，總結分析了現階段仿真實驗的教學特點和教學現狀以及運行過程中出現的問題。通過闡述仿真實驗的積極意義和不足之處，說明其在實驗教學中的輔助地位，并給出完善仿真實驗的建議。

關鍵詞：仿真試驗；大學物理實驗；教學實踐

中圖分類號：O4-33；G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）49-0262-02

一、引言

物理學對于人們科學素質的培養有著重要的地位，其中物理實驗教學做為一門基礎實驗課程肩負提高學生的綜合素質、培養學生的實踐能力與創新能力的工作，成為大學教育階段人才培養必不可少的一部分[1]。傳統物理實驗教學由于受教學資源、教學時間等各種因素的限制，滿足不了現階段不斷提高的教學要求。伴隨著仿真技術的迅速發展，計算機仿真實驗系統在物理實驗教學中得到了廣泛的應用。仿真實驗系統是以數學理論、相似原理、信息技術、系統技術及其他相關的專業技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具創建的非實物形態的實驗體系。在仿真實驗中沒有以實物形態存在的實驗儀器，實驗者通過對虛擬的軟件進行操作得到類似于真實實驗的實驗結果，以這種方法去認知真實的世界[2]，虛擬實驗環境下進行的計算機仿真實驗，讓物理實驗教學走出實驗室，在最大可能節約實驗室硬件資源的同時，克服了實驗教學長期受到場地、課時等等條件的制約 [3，4]，為大學物理實驗開辟了開放性、設計性甚至研究性實驗教學的新途徑[5，6]。為了適應物理實驗教學的發展，提高學生綜合實驗技能以及培養廣大學生對物理實驗課程的興趣，西安石油大學于2013-2014學年第二學期開始將仿真實驗納入全校理工科物理實驗課程教學大綱，形成了在傳統物理實驗的基礎上結合開設仿真實驗的綜合教學模式，教學實踐完善了物理實驗教學方法和教學內容，提高了物理實驗課程教學質量，仿真實驗教學實踐收到了良好的教學效果，在實踐過程中出現的各種問題也值得我們思考和探索.

二、仿真實驗的特點

仿真實驗解決了實驗室師資與學生規模失調的問題，仿真實驗不受實驗課時的限制，只要仿真實驗服務器在運行，任何配有計算機設備和網絡的地方學生都可以進行操作，延長了實驗時間，具有可操作性強、重復性好的特點[7]。隨著計算機軟硬件及校園網的發展，大學物理仿真實驗在開發技術和功能各方面都在不斷提升，仿真實驗軟件利用組件的理念開發出物理仿真儀器庫，使仿真實驗實現了可自主設計實驗方案，自主選擇實驗儀器，不僅滿足了基礎實驗教學的開展，同時為設計性實驗、研究型實驗的開展提供了條件。仿真試驗采用學生為主體、教師為主導的教學方法。學生根據不同測量結果的要求，可自擬實驗方案，根據實驗方案靈活選擇實驗儀器，激發學生實驗興趣的同時引導學生創新思維，創新能力的形成。仿真實驗軟件提供實驗數據接口，能夠得到實時實驗狀態，給出實驗結果評判，實驗靈活度高、針對性強，界面友好、實驗指導信息豐富，實驗提示欄在學生操作實驗時，實時提示相關儀器的名稱、功能、操作方法等信息，實驗幫助文檔融合了實驗簡介、實驗原理、實驗儀器、實驗內容，實驗指導。學生可在提供的實驗提示信息及實驗幫助文檔的指導下順利完成實驗內容。

三、仿真實驗教學現狀

1.仿真實驗教學內容。西安石油大學物理實驗課程中要求學生在一學期的時間內除了完成實驗室的八個必做實驗項目外還需要在網上選作兩項與本學期實驗室實驗內容不相同的仿真實驗項目。仿真實驗采用大學物理實驗中心仿真實驗室和遠程服務器終端對學生開放的方法完成。依照逐步提升的層次化、模塊化的教學體系，遵循基礎性實驗、綜合性實驗、設計性實驗的發展順序，依次對學生開放的仿真實驗項目共計31項，界面主要包括：力學實驗的5個項目、熱學實驗的3個項目、光學實驗的6個項目、電學實驗的10個項目、電磁學實驗的3個項目、近代物理實驗的4個項目。

2.仿真實驗教學過程中出現的問題。首先是服務器穩定性的問題，西安石油大學物理仿真實驗開設在大學一年級的第二學期，此階段學生課程任務繁重，社團活動多，很多同學總是把兩項仿真實驗拖到最后的時間集中進行完成，造成仿真系統服務器經常癱瘓的現象，實驗室就此現象升級服務器，并要求學生合理利用時間盡早完成仿真實驗，不要出現學期末扎堆的現象，同時建議學生按照院系進行分時段登錄操作，完善仿真實驗系統的穩定性。

其次是軟件的安全問題，部分學生反映在使用軟件時出現登陸不了仿真系統大廳的現象，老師們和廠家溝通發現是人為更改了登陸密碼，由于仿真系統使用的是同一個登陸用戶名和密碼，所以更改后出現原有密碼失效的現象，后面經過對密碼進行復位操作以及在數據庫中新增一百個用戶，暫時解決了登錄失敗的問題。為了維護軟件的自身安全防止黑客的攻擊，需要軟件開發人員對軟件進行不斷修補和升級，維護正常的教學秩序，提高軟件的安全性。

3.虛擬仿真實驗教學平臺建設。為進一步完善實驗教學過程，提高實驗教學水平，物理實驗中心在原有的大學物理仿真實驗基礎上增添了物理實驗預習評判系統和物理實驗考試系統兩項教學軟件。物理實驗預習評判系統是在大學物理仿真實驗基礎上，進一步加強虛擬實驗的模型設計，建設在線實驗預習環境。學生在課前通過預習系統操作仿真實驗，了解實驗原理、內容及實驗儀器的操作方法，建立起對實驗的直觀認識和完成實驗的思路。自動評判的預習成績幫助學生及時了解學習效果，也有助于教師掌握學生預習情況，針對性的調整教學重點。

四、仿真實驗教學展望

仿真實驗以自身強大的功能特點在實驗教學中得到了良好的教學效果，被越來越多的學科領域廣泛應用，成為實驗教學環節中必不可少的一部分。仿真實驗帶給實驗教學最大的便利就是節約了實驗儀器，靈活了實驗時間、實驗空間，給廣大師生教學帶來了實實在在的方便。但是仿真實驗主要是對實驗所需要的儀器和操作方法的模擬，不能充分體現真實的實驗環境下的實驗結果，大學物理實驗課注重培養學生的動手能力，學習規范操作各種實驗儀器以及應對實驗過程中的實際突發問題。

在現階段的仿真實驗的建設實踐中，應該注重將科研成果與教學相結合，將科學發展的成果融入到基礎教學中來，我校物理實驗中心實驗教材中已經引入光纖光柵傳感技術的部分研究成果，下一步在仿真實驗項目中增加相應的研究型實驗對于豐富和擴展學生的知識面，提高綜合實驗技能，加強學生的科學素質和創新意識的培養尤為重要。

參考文獻：

[1]高宏，郭文閣，賈振安.“綜合設計型物理實驗”公選課的實踐與體會[J].大學物理實驗，2010，23（2）：97-99.

[2]陳守川，杜金潮，沈劍峰.新編大學物理實驗教程[M].第二版 杭州：浙江大學出版，2008：321.

[3]王曉蒲，霍煎青，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.