Python在虛擬大學(xué)物理實驗中的應(yīng)用研究

張婕妤 呂懌彤 孫碧蓮 王琪 趙興東

【摘? ?要】伴隨著信息化技術(shù)和虛擬仿真實驗教學(xué)的發(fā)展，虛擬大學(xué)物理實驗逐漸成為了大學(xué)物理教學(xué)改革的重要組成部分，同時越來越多的計算機(jī)語言和技術(shù)被用于在線實驗課程和虛擬仿真平臺建設(shè)。與此同時，關(guān)于如何科學(xué)定量的評估它們的可行性的研究是比較匱乏的。本文通過建立模糊綜合評價模型從不同的角度評估了Python在虛擬大學(xué)物理實驗中的可行性，充分考慮了學(xué)生的學(xué)習(xí)成效、教師的教學(xué)評價和基于計算機(jī)語言的多媒體應(yīng)用。結(jié)合問卷分析，模糊綜合評價模型結(jié)果表明Python軟件在虛擬大學(xué)物理實驗中可以起到非常重要的作用，應(yīng)用可行性很高。最后，我們還探討了Python在虛擬大學(xué)物理實驗中的教學(xué)過程實施。這里的結(jié)果將對虛擬仿真實驗的開展和物理教學(xué)的定量評估有著指導(dǎo)性意義。

【關(guān)鍵詞】Python;仿真模擬;大學(xué)物理實驗;模糊綜合評價;教學(xué)評估

引言

大學(xué)物理實驗是學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實驗訓(xùn)練的基礎(chǔ)課程，對大部分專業(yè)而言是一門必修課程。面對教學(xué)對象的多樣性，由于非物理專業(yè)的學(xué)生知識積累欠缺，組織課堂教學(xué)會產(chǎn)生困難。再者受疫情影響，線上教學(xué)成為了僅次于課堂教學(xué)的主要教學(xué)模式。作為一門以實驗為主的課程，如何開展線上教學(xué)，已經(jīng)成為了一個亟待探討的問題。

計算機(jī)仿真實驗平臺為實驗教學(xué)提供了軟件資源共享、硬件完善、遠(yuǎn)程操作三者結(jié)合的數(shù)據(jù)資源庫，將傳統(tǒng)實驗教學(xué)和虛擬仿真技術(shù)融合在一起，在資源信息共享的基礎(chǔ)上提高了教學(xué)效果。Python是一種面向?qū)ο蟆⒁子跀U(kuò)展的解釋型計算機(jī)語言，相比其他軟件而言其語法簡單易學(xué)，自由發(fā)揮空間比較大，自適應(yīng)能力和可移植性比較強(qiáng)，免費開源，易于拓展，在數(shù)值計算和模擬仿真方面有著自己的優(yōu)越之處。因此可以借助Python軟件實現(xiàn)大學(xué)物理實驗?zāi)M仿真線上教學(xué)，加深學(xué)生對知識的理解，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

本文將通過建立數(shù)學(xué)模型對python在虛擬大學(xué)物理實驗中的可行性進(jìn)行定量評價，由于其本身是一個多層次的評價問題，涉及的內(nèi)容較多，在人們心中的界限是模糊的。為了保證評價的科學(xué)性和客觀性，我們將利用模糊綜合評價方法研究Python在虛擬大學(xué)物理實驗中的應(yīng)用，并從學(xué)習(xí)成效、教學(xué)評價、多媒體應(yīng)用的角度建立了評價模型對其進(jìn)行定量分析。

1.模糊綜合評價模型的建立

在生產(chǎn)生活以及科學(xué)研究中，我們經(jīng)常會遇到模糊的現(xiàn)象或概念，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對于這些存在模糊概念的實際問題往往都需要給出定量的分析。而Python在虛擬仿真大學(xué)物理實驗中的應(yīng)用研究是個較復(fù)雜的過程，需要考慮學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、學(xué)校的培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)效果、多媒體的應(yīng)用推廣、實驗本身的難易程度等。由此我們利用模糊評價通過精確的數(shù)字手段處理模糊的評價對象，對Python在虛擬大學(xué)物理實驗仿真的應(yīng)用作出比較科學(xué)、合理、貼近實際的量化評價。

經(jīng)校內(nèi)專家評估，本文從學(xué)習(xí)成效、教學(xué)評價、多媒體應(yīng)用三個方面對Python模擬仿真大學(xué)物理實驗教學(xué)進(jìn)行評價。

從學(xué)習(xí)成效方面而言，我們從學(xué)生對專業(yè)知識的理解程度、自主創(chuàng)新能力的開發(fā)和對時域的限制進(jìn)行評價;從教學(xué)評價方面而言，我們從課程任務(wù)的完成度、教學(xué)效率和質(zhì)量，對教學(xué)效果的反饋進(jìn)行評價;從多媒體應(yīng)用方面而言，需要便于實際的大學(xué)物理實驗教學(xué)課堂使用，我們從軟件的可移植性、程序設(shè)計、計算功能以及數(shù)據(jù)可視化進(jìn)行評價。因此我們建立圖1所示的python在虛擬大學(xué)物理實驗中模擬仿真的模糊綜合評價指標(biāo)體系。

根據(jù)圖1所示的評價指標(biāo)體系，建立評價指標(biāo)集合，一級指標(biāo)集合為：

P= {學(xué)習(xí)成效，教學(xué)評價，多媒體應(yīng)用}，

與一級指標(biāo)對應(yīng)的二級指標(biāo)層集合為：

Q1={專業(yè)素養(yǎng)，創(chuàng)新能力，時域限制}，

Q2={課程達(dá)成度，課程質(zhì)量，教學(xué)效果}，

Q3{可移植性，程序設(shè)計，計算功能，數(shù)據(jù)可視}.

為了對仿真實驗的使用效果進(jìn)行評價，設(shè)評語集：

V={優(yōu)秀，良好，合格，不合格}。

結(jié)合評語集，針對評價準(zhǔn)則學(xué)習(xí)成效、教學(xué)評價所對應(yīng)的6個二級評價指標(biāo)制作調(diào)查問卷。依次面向校內(nèi)物理學(xué)院老師、光電信息科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生、功能材料專業(yè)學(xué)生發(fā)放調(diào)查問卷共計200份，剔除無效問卷18份后，對有效問卷進(jìn)行統(tǒng)計分析，并做了微小估計。最后參考大量文獻(xiàn)后，對python軟件特性做出如下評價得到的統(tǒng)計結(jié)果見表1所示：

依據(jù)表1統(tǒng)計結(jié)果，得到模糊綜合評價矩陣為：

基于以學(xué)生為主體，以課程體系為核心，以虛擬仿真實驗平臺為支柱的物理實驗教學(xué)體系。我們設(shè)一級指標(biāo)的權(quán)重為：

上述調(diào)查問卷中依次針對評價準(zhǔn)則學(xué)習(xí)成效、教學(xué)評價中的三個二級指標(biāo)的影響力進(jìn)行了權(quán)重調(diào)查，并做了微小估計得到二級指標(biāo)權(quán)重如下：

從多媒體應(yīng)用方面而言，大多數(shù)教學(xué)課堂展示所用的電腦內(nèi)存比較小，為方便實際的教學(xué)課堂使用，軟件需具有強(qiáng)大的可移植性。其次需具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化能力和數(shù)值計算能力用來模擬仿真。最后程序語法應(yīng)具有簡潔性、易讀性，易于學(xué)生掌握。參考大量文獻(xiàn)后，我們對二級指標(biāo)進(jìn)行如下權(quán)重分配：

可以看出，在學(xué)習(xí)成效方面，專業(yè)素養(yǎng)和時域限制的重要度要大于自主創(chuàng)新能力;在教學(xué)評價方面，課程達(dá)成度的影響力要略大于課程質(zhì)量和教學(xué)效果;在多媒體應(yīng)用方面，軟件的可移植性和數(shù)據(jù)可視化對其影響力較大。

2.模型求解

由各二級因素的模糊評價矩陣及其權(quán)重可計算，得出各一級因素的模糊向量，

再結(jié)合各一級因素的權(quán)重可以計算得到Python在虛擬大學(xué)物理實驗中的應(yīng)用評價結(jié)果，模糊綜合評價向量為：

根據(jù)最大隸屬度原則，認(rèn)為用Python模擬仿真大學(xué)物理實驗進(jìn)行教學(xué)的可行性很高。用Python軟件的特性進(jìn)行仿真模擬，可以不受時間和空間的限制，提高實驗精度，很好地輔助了傳統(tǒng)實驗教學(xué)。

從學(xué)習(xí)成效方面而言，由公式（1）可見，模擬仿真教學(xué)有效的提高了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，極大地改善了傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在時域限制的弊端，同時對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力也有一定積極影響。

仿真教學(xué)為學(xué)生提供了教學(xué)科研平臺，在講解完實驗原理之后帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行實驗的仿真模擬，使學(xué)生加深對抽象概念和規(guī)律的理解，有利于拓展學(xué)生的思維空間。通過仿真模擬實驗，學(xué)生可以自行改變實驗過程中的一些參數(shù)和數(shù)據(jù)，總結(jié)一些實驗現(xiàn)象中的規(guī)律，提高了學(xué)生獨立思考、解決問題的能力，對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力發(fā)揮著重要作用。再者，由于仿真模擬較為靈活，可以突破時空的限制，能幫助學(xué)生更好的完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

從教學(xué)評價方面而言，由公式（2）可見，模擬仿真實驗平臺極大的提高了課程完成度，增強(qiáng)了教學(xué)效果，提高了課程質(zhì)量。

在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，由于實驗經(jīng)費的匱乏，實驗設(shè)備多年無法更新，很難做到一人一機(jī)，保證每一個學(xué)生都能實際操作實驗儀器完成課程目標(biāo)。而仿真模擬實驗，可以通過線上操作精準(zhǔn)高效地完成學(xué)習(xí)任務(wù)。通過設(shè)計虛擬仿真實驗，將具體實驗過程過渡到仿真模擬中，將抽象難懂的物理概念和規(guī)律直觀展現(xiàn)在學(xué)生面前，對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效果等有著很好的促進(jìn)作用，增強(qiáng)了教學(xué)效果，相應(yīng)物理實驗教學(xué)效率和質(zhì)量也會得到極大提高。

從多媒體應(yīng)用方面而言，由公式（3）可見，Python具有較簡單的程序接口，其調(diào)用方便，可移植性強(qiáng)。其他仿真軟件對電腦運行速度的要求比較高，大多數(shù)學(xué)校課堂展示所用的電腦內(nèi)存比較小，達(dá)不到以上要求。而Python相對其他仿真軟件來說所占空間較小，可直接在其官網(wǎng)免費下載，方便實際的教學(xué)課堂使用。再者，Python語言易于掌握，其程序語法具有簡潔性、易讀性，非常適合大學(xué)物理以及其他學(xué)科的學(xué)生使用。同時可以讓學(xué)生自主設(shè)計編寫可視化的物理實驗仿真程序，輔助傳統(tǒng)實驗教學(xué)，能使學(xué)生更深入理解物理原理和實驗現(xiàn)象。另外Python具有大量的第三方庫，數(shù)據(jù)可視化和計算能力強(qiáng)大，非常適合用來做科學(xué)計算、數(shù)值模擬等工作，可以完成更多具有創(chuàng)新的實驗仿真模擬，以便應(yīng)用到教學(xué)中去。

3.模擬教學(xué)過程

我們將Python應(yīng)用在虛擬大學(xué)物理實驗中的教學(xué)過程劃分為：準(zhǔn)備教學(xué)平臺—模擬仿真教學(xué)—進(jìn)行師生評價—總結(jié)先進(jìn)經(jīng)驗，完善教學(xué)體系4個階段。其中模擬仿真教學(xué)階段可進(jìn)一步分為課前自主學(xué)習(xí)、課堂協(xié)作探究、課后拓展創(chuàng)新三個過程。

具體教學(xué)實驗過程如圖2所示，教師基于教學(xué)目標(biāo)，在實驗課開展之前籌備好教學(xué)平臺，學(xué)生在實驗課前則自主探究實驗?zāi)康摹⒉襟E、原理以及可能出現(xiàn)的問題、實驗的結(jié)果等要素，結(jié)合物理知識進(jìn)行深度思考，隨后在課堂上進(jìn)行小組討論，改變實驗參數(shù)，協(xié)作完成實驗，合作創(chuàng)新。課后學(xué)生進(jìn)行對比思考，拓展知識結(jié)構(gòu)。最后建立師生評價體系，對比傳統(tǒng)教學(xué)進(jìn)行反饋，總結(jié)先進(jìn)經(jīng)驗，完善教學(xué)體系，實現(xiàn)有效的虛擬實驗平臺利用。

隨著時代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和教育改革的深化，陳舊的實驗教學(xué)實驗體系和教育教學(xué)觀念已不適應(yīng)當(dāng)前發(fā)展，教具教學(xué)改革迫在眉睫，仿真模擬技術(shù)也受到了從未有過的重視。

4.結(jié)語

Python是一種面向?qū)ο蟮慕忉屝陀嬎銠C(jī)語言，語法簡單明了，易操作，數(shù)據(jù)可視化和計算能力強(qiáng)大，非常適合用來做數(shù)值計算、模擬仿真等工作，在虛擬仿真學(xué)習(xí)平臺驅(qū)動混合式教學(xué)上有著重要的意義與價值，在未來教學(xué)前景上有廣闊的發(fā)展空間。

模擬仿真實驗是傳統(tǒng)實驗的補(bǔ)充和發(fā)展，一方面可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，另一方面可以有效提高大學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。用Python模擬仿真實驗可以避免手算出現(xiàn)的失誤，使學(xué)生把主要精力放在實驗的操作和實驗本身物理意義的理解上，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，充分調(diào)動學(xué)生實驗的積極性和主動性。基于python的仿真模擬實驗在未來有巨大發(fā)展?jié)摿Γ写覀冞M(jìn)一步去研究。

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作者簡介：張婕妤（2000.11-），女，漢族，河南許昌人，本科生。

1.河南師范大學(xué)物理學(xué)院? ? 河南新鄉(xiāng)? ? 453007;

2. 河南師范大學(xué)國家級物理實驗教學(xué)示范中心? ? 河南新鄉(xiāng)? ? 453007