大學物理實驗室信息化建設探索

劉忠民　周琳　官盛果　劉正奇　閔秋應　葉鵬輝

摘 要 大學物理實驗是各高校理工類專業(yè)開設的一門必修課，是高等學校理工科類專業(yè)對學生進行科學實驗基本訓練的必修基礎課程，對培養(yǎng)學生操作、思考、協(xié)作等能力起著重要作用。重點介紹大學物理虛擬仿真實驗教學的作用和意義，以及實驗室和實驗室教學信息化管理對提高教學水平的貢獻。

關鍵詞 大學物理實驗；虛擬仿真實驗教學；實驗室；信息化管理

中圖分類號：G482 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）20-0014-03

Information Construction Exploration on University Physics Laboratory//LIU Zhongmin， ZHOU Lin， GUAN Shengguo， LIU Zhengqi， MIN Qiuyin， YE Penghui

Abstract University physics experiment is a required course for

science and engineering， it is a compulsory basic course for students

basic training of science and experiment to science and engineering， it is important in training students ability of operation， thinking and

cooperation and so on. This paper introduces the function， signifi-cance of virtual simulation experiment about University physics ex-periment teaching， and introduces contribution to laboratory and laboratory teaching information management how to improve the teaching level.

Key words college physics experiment； virtual simulation experi-ment teaching； lab； information management

1 引言

信息技術飛速發(fā)展惠及大學物理實驗室管理和實驗教學改革。目前，不少高校已完成或正在進行大學物理實驗室信息化平臺建設，其實質是在傳統(tǒng)實驗室管理與實驗教學的基礎上，利用電腦、信息采集、網(wǎng)絡通信及多媒體等技術，對實驗教學與管理進行信息采集、加工、處理與傳播，以實現(xiàn)實驗室的運行與管理數(shù)字化，實驗教學手段和方法的多樣化。其突出意義在于可拓展實驗教學與管理的時間和空間，給予學生更多自主學習、開放學習、高效學習和探索科學與真理的時空，也為師生交互教學提供更多更好的平臺。

2 建設大學物理虛擬仿真實驗教學中心

建設意義 由于大學物理實驗長期以分組教學為主，長期受教學環(huán)境和條件限制，普遍存在教學質量低下和“走過場”現(xiàn)象。對江西師范大學300名理工科應屆畢業(yè)生從理論課程與實驗課程兩方面進行問卷調查，統(tǒng)計結果見表1。

按該屆學生實際做了12項大學物理實驗計算，記憶率只有12.5%。這說明大學物理實驗教學對理工類學生來說很多是走過場，與理論教學相比有巨大差距。經教師交流討論，認為問題出在學生學習鏈上，如表2所示。

表2的實驗教學與理論教學比較得出：1）實驗教學少了復習和考試兩個環(huán)節(jié)；2）實驗教學單個實驗的學習時間太少；3）實驗教師憑印象打分，幾乎全及格，通過率99%；

4）實驗預習效果如何，實驗數(shù)據(jù)的處理等是否本人完成，等等，不可控因素太多；5）學生實驗報告中存在的問題不能及時反饋，師生溝通缺乏更多渠道。可見當下大學物理實驗教學存在不少問題。

建設目標 建設大學物理虛擬仿真實驗教學，須面向參與大學物理實驗的所有學生，以培養(yǎng)學生掌握理論聯(lián)系實際的思維方式和提高實踐能力為目標。通過建設優(yōu)質的虛擬實驗教學資源，建設共享平臺，并將虛擬實驗和真實實驗相結合，創(chuàng)建一套有效的教學模式，打造一支高水平的虛實結合的實驗教學團隊[1]。通過購置或開發(fā)與本校真實儀器相似的仿真軟件，提高實驗教學質量。

1）建設公共仿真教學管理平臺。將虛擬仿真實驗資源有效地應用于預習、實驗、復習、考試等各個教學環(huán)節(jié)，實現(xiàn)虛擬實驗教學網(wǎng)絡化、信息化，既實現(xiàn)教學效果，又可大大減小實驗教師的教學與管理強度。仿真實驗是實物實驗教學的演練，須具有測試功能并給出預習完成的分數(shù)，設置合格門檻，且只有合格的學生才可參與實物實驗教學。

2）建立虛實結合的教學機制。實物分組大學物理實驗需大量儀器與師資，因教學時間短，學生思考與操作時間有限，后期又缺乏復習，效果不太好。在原物理實驗基礎上，開發(fā)虛擬實驗，并力爭虛擬實驗儀器與實際實驗儀器完全吻合，鼓勵教師探索和研究實驗教學新方法與模式，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗在教學中的作用，利于提高教學質量，這也是將來實驗教學的新方向。

3）建立虛擬仿真實驗教學中心信息化管理系統(tǒng)。虛擬仿真實驗教學也需監(jiān)控和管理，建立信息化管理中心，有利于保障虛擬仿真實驗在教學環(huán)節(jié)發(fā)揮應有作用和穩(wěn)定運行。

4）仿真實驗平臺的每個實驗盡量與實物實驗教學相吻合。軟件公司制作的軟件，一般根據(jù)市場最通用儀器來模擬仿真，若軟件可實現(xiàn)根據(jù)自身儀器進行修改，將是一款非常優(yōu)秀的軟件。軟件公司除教會學校教師使用外，更要教會教師根據(jù)各學校的具體儀器來編寫仿真實驗。endprint

3 建設大學物理實驗室信息化管理中心

建設意義 目前，高校大學物理實驗室做到真正信息化管理的還是少數(shù)，從實驗室管理到實驗教學，幾乎還是人工管理與現(xiàn)場教學的老模式。有些高校建設了開放實驗室，實際自覺來做實驗的學生很少，也沒真正發(fā)揮開放教學的作用；有些高校買了仿真軟件，但軟件還沒有完全用起來。如何調動學生自我學習的能動性？如何建立更好的師生教學交流平臺？如何讓學生獲得更好更多的教學資源？如何給愛學、善學學子創(chuàng)造良好時空平臺？這些是目前明確大學物理實驗教學改革方向需要考慮的問題。

建設目標 建設信息化管理中心，須以學生為中心，以提高教學質量為中心，以優(yōu)化師資、減輕教師工作強度為中心；以培養(yǎng)學生自主學習、自我管理、獨立思考與實踐能力為目標，以較少師資和管理人員而能實現(xiàn)優(yōu)良教學效果為目標。

通過建設智能化實驗室管理系統(tǒng)，實現(xiàn)學生自主預約實驗，實驗室智能化管理，實驗過程智能記錄，實驗報告網(wǎng)上提交、批改、查重等，從而給學生提供真正自主實驗、自主探索的時空。若能實現(xiàn)大學城校際師生共享教學課件、共享實驗設備，相互承認實驗成績，必將大大促進和提高大學物理實驗之教學水平。

1）建設教學管理與學生自主選排課系統(tǒng)。以學生為主體、教師為主導的教學是激發(fā)學生興趣、確保教學質量、實現(xiàn)教學目標的基本保證[2]。信息化實驗教學是實施以學生為主體、教師為主導的教學理念和教學方法的有效途徑。信息化教學側重開放性實驗教學，是指實驗的內容、實驗教學的時間和空間對學生開放。學生可根據(jù)各自的實驗基礎、感興趣的領域，自主安排時間到開放實驗室完成實驗。開放性實驗教學在教學內容、教學時間和空間上給予學生充分自主性，充分滿足學生個性化教學的需要。

2）建設課件等教學資源庫共享系統(tǒng)。教學資源建設是實施教育信息化的基礎，需要長期建設和維護。由于教學資源的內容豐富多彩，形式多種多樣，因此，一個高效的教學資源管理應用系統(tǒng)，是現(xiàn)代網(wǎng)絡信息化教育系統(tǒng)中一個重要的、必不可少的基礎系統(tǒng)。實驗教師的教學課件、教學視頻等，學生優(yōu)秀的實驗報告等，均可作為教學資源予以共享。

3）建設實驗預習自動評判系統(tǒng)。實驗講義對實驗原理、實驗內容、儀器操作等均有詳細介紹，但不少學校實際實驗儀器與講義介紹儀器不一致。各高校因師資力量、教學儀器等的限制，很難供給學生大面積實驗預習的環(huán)境，使學生無法對實驗環(huán)境建立直觀認識。由于教學時間和教學模式限制，教師也無法有效對學生的預習情況進行有效檢查，因此導致不少學生的大學物理實驗不過是“走過場”，純粹為攢學分而來，嚴重影響了實驗教學質量。

若將實驗原理、實驗內容、操作概念、數(shù)據(jù)記錄、關鍵公式及思考題等以填空與選擇題形式放入實驗預習系統(tǒng)，給出門檻分數(shù)，并結合仿真實驗教學，達標后才能進入下一步教學，顯然對實驗預習能起到很好的督促與指導作用。

4）建設實驗過程智能記錄系統(tǒng)。實驗過程智能記錄如能實施，將對實驗過程、結果等數(shù)據(jù)的真?zhèn)尾樽C起到重要作用，也對實驗數(shù)據(jù)丟失后再次查找非常有幫助。但真正要實施，涉及信號采集、轉換、計算及軟件處理等多個環(huán)節(jié)，成本將會很大。若能開發(fā)大學物理實驗APP，學生智能手機安裝APP，作為數(shù)據(jù)采集、記錄、上傳的平臺，顯然能節(jié)約大量資金，也是實施創(chuàng)新教學的新思路。

5）建設實驗報告自動查重與評閱系統(tǒng)。學生完成實驗報告和教師評閱實驗報告是實驗教學的重要環(huán)節(jié)。實驗報告體現(xiàn)出學生的數(shù)據(jù)處理、分析、綜合思考和創(chuàng)新能力。教師通過評閱實驗報告，可掌握學生對該實驗的實驗原理、操作及數(shù)據(jù)處理等是否正確，學生是否真正領悟整個實驗。實驗報告對總結教學中存在的問題、針對性調整教學思路非常關鍵。在上千學生的大學物理實驗教學中，因教師人數(shù)有限、實驗報告評閱量大，實驗報告評閱的質量難以保證，影響了實驗教學的質量和評分公平公正度。若學生在網(wǎng)上提交實驗報告，電腦可自動根據(jù)關鍵點評判，能自動查找出抄襲內容，將大大減小實驗教師的工作強度，又可提高評閱質量和評分公正度。

6）建設實驗室智能管理系統(tǒng)。實驗室智能管理涉及門禁、電源開關、監(jiān)控、預習是否合格等一系列聯(lián)動動作。學生在網(wǎng)上預習合格后，方可用學生證打開實驗室門禁進入實驗室做實驗；進入實驗室，啟動電源開關，實驗室電源通電，實驗過程監(jiān)控同時開始工作，監(jiān)控對學生在實驗室的整個實驗過程進行記錄；實驗完成，刷卡后門關閉，五分鐘后實驗室自動切斷電源與監(jiān)控。

7）建設師生教學交流管理平臺。傳統(tǒng)的實驗教學以教師的主動講授和學生的被動接受為特征，教師注重通過語言的講述和行為的灌輸來實現(xiàn)知識傳授。課堂教學往往過于單一，教師占據(jù)教學的主體地位，學生學習的主動性得不到充分的體現(xiàn)和發(fā)揮，嚴重束縛了學生學習積極性、主動性和創(chuàng)造性。建設師生互動教學交流平臺，方便學生提問、教師答疑解疑，師生共同解決問題的同時，也無形中提高了教學質量。

4 結束語

當前，不少高校已建設大學物理實驗室信息共享平臺，但因軟件、管理或教師原因，花了幾十萬建設的管理與教學平臺并未發(fā)揮應有作用。如何建設并利用信息化平臺，真正做到物盡其用？但愿本文能起到些許啟發(fā)和指導作用。

參考文獻

[1]張建.大學物理虛擬仿真實驗室的研究與開發(fā)[D].長春：吉林大學，2007.

[2]周志堅，向裕民，向必純，等.“以學生為主體 教材為載體 教師為主導”的教學模式探討：以大學物理為例[J].四川理工學院學報：社會科學版，2007（10）：1-2.endprint