虛實結(jié)合下大學(xué)物理實驗教學(xué)模式研究

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【摘要】針對高校大學(xué)物理電學(xué)實驗教學(xué)過程中存在的問題，提出虛實結(jié)合的大學(xué)物理電學(xué)實驗教學(xué)模式。通過理論授課、虛擬實驗、硬件實驗教學(xué)三位一體化的教學(xué)模式，激活學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，提高實驗教學(xué)的質(zhì)量。實踐表明，該模式對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力是有效的。

【關(guān)鍵詞】仿真實驗；虛實結(jié)合；創(chuàng)新能力；大學(xué)物理實驗

大學(xué)物理實驗是高校理工科專業(yè)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實驗基本訓(xùn)練的必修通識課程，對培養(yǎng)大學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維與創(chuàng)新實踐能力有非常重要的作用。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，由于受到辦學(xué)資金、實驗場地、教學(xué)模式等條件限制，存在實驗教學(xué)內(nèi)容陳舊、實驗儀器落后且臺套數(shù)偏少等弊端，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力[1-3]。韶關(guān)學(xué)院是地處廣東粵北山區(qū)的地方應(yīng)用型本科高等院校，大學(xué)物理實驗中心每年要承擔(dān)3000多名本科生的實驗教學(xué)任務(wù)，同樣面臨實驗設(shè)備不足、實驗教學(xué)模式落后等難題。為解決大學(xué)物理實驗教學(xué)面臨的問題，提高實驗教學(xué)的效果，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性與積極性，培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型、創(chuàng)新型理工科人才，我們對實驗教學(xué)的管理模式、內(nèi)容體系以及教學(xué)模式等方面進(jìn)行教學(xué)改革，取得了較好的教學(xué)實踐效果。

1基于互聯(lián)網(wǎng)的開放式現(xiàn)代化實驗教學(xué)管理

為適應(yīng)開放型的現(xiàn)代教學(xué)理念，大學(xué)物理實驗中心引進(jìn)了基于互聯(lián)網(wǎng)的實驗教學(xué)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)由服務(wù)器、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和客戶終端三部分組成。服務(wù)器運行教學(xué)管理模塊，包含學(xué)生選課、學(xué)生以及教師課程管理等模塊，實現(xiàn)了課程管理、實驗預(yù)習(xí)、實驗仿真、作業(yè)提交等在線應(yīng)用功能。客戶終端由計算機(jī)或者智能手機(jī)構(gòu)成，通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器連接。開放式的現(xiàn)代化實驗教學(xué)管理模式有利于合理、高效利用現(xiàn)有的教學(xué)設(shè)備資源[4]。隨著計算機(jī)、智能手機(jī)和高速寬帶網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，開放式的實驗教學(xué)模式對大學(xué)物理實驗教學(xué)效果的改善將越來越明顯。開放式網(wǎng)絡(luò)化管理的教學(xué)模式，為大學(xué)物理實驗在線虛擬仿真提供了良好應(yīng)用平臺。

2按專業(yè)發(fā)展需求的大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容體制

韶關(guān)學(xué)院大學(xué)物理實驗中心包含電磁學(xué)、熱力學(xué)和光學(xué)三個實驗分室，可開出基礎(chǔ)性實驗29個，綜合性實驗17個，設(shè)計性實驗5個。各個專業(yè)的大學(xué)物理實驗課時普遍只有32學(xué)時，學(xué)生無法參與所有的實驗項目學(xué)習(xí)。因此，我們根據(jù)專業(yè)特色需求，結(jié)合大學(xué)物理理論教學(xué)的內(nèi)容，提出了以專業(yè)發(fā)展需求為準(zhǔn)則的大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容體系。在有限的實驗教學(xué)課時下，根據(jù)專業(yè)方向，合理劃分基礎(chǔ)驗證性、綜合性和設(shè)計性實驗的比重以及力、熱、光實驗課時劃分的比重，確定各個專業(yè)的實驗教學(xué)內(nèi)容[5]。首先，各個專業(yè)的大學(xué)物理實驗類別包含實驗理論、驗證性實驗、綜合性實驗和設(shè)計性實驗四個類別。其次，根據(jù)專業(yè)特點，將大學(xué)物理實驗?zāi)K分為物理類、電子信息類、機(jī)械類、農(nóng)林類和化工類五個教學(xué)模塊，各個模塊的實驗內(nèi)容側(cè)重點由專業(yè)發(fā)展需求為基準(zhǔn)。以電子信息類實驗教學(xué)模塊為例，實驗理論課時為6課時，驗證性的基礎(chǔ)實驗為16學(xué)時，綜合性和設(shè)計性實驗各4個學(xué)時。基礎(chǔ)性實驗側(cè)重于大學(xué)物理力、熱、光、電和磁方向基本實驗的學(xué)習(xí)，綜合性和設(shè)計性的實驗，主要側(cè)重在電磁學(xué)與光學(xué)方向的專題，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣進(jìn)行選擇，為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)專業(yè)知識打下基礎(chǔ)。

3虛擬仿真實驗教學(xué)

虛擬儀器是上世紀(jì)九十年代初出現(xiàn)的新型儀器類型，是將傳統(tǒng)的儀器技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)進(jìn)行深層次結(jié)合而發(fā)展起來的一項新技術(shù)。也是仿真實實驗的核心技術(shù)。近年來，國家對高校虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)也越來越重視，通過國家級、省級和校級虛擬實驗教學(xué)中心的建設(shè)，引導(dǎo)高校各個專業(yè)加強(qiáng)虛擬仿真與硬件實驗教學(xué)的聯(lián)系。韶關(guān)學(xué)院大學(xué)物理實驗教學(xué)中心，在教學(xué)中引入了中國科技大學(xué)研發(fā)的大學(xué)物理虛擬仿真軟件平臺，對大學(xué)物理的實驗教學(xué)項目進(jìn)行虛擬仿真[6,7]。例如電學(xué)實驗，在虛擬仿真平臺下，學(xué)生不但可以完成電學(xué)所有實驗的項目的仿真，也可以仿真平臺上，學(xué)習(xí)常用的電學(xué)儀器及儀表操作應(yīng)用。這對于實驗設(shè)備不足、儀器儀表落后的地方高校來說，是非常有利的。學(xué)生可以在仿真平臺上，預(yù)習(xí)或者復(fù)習(xí)電學(xué)實驗操作，分析實驗效果，無需擔(dān)心傳統(tǒng)硬件實驗設(shè)備不足且操作不當(dāng)容易損壞儀器的問題。虛擬仿真實驗，使得學(xué)生可以隨時隨地使用計算機(jī)參與實驗訓(xùn)練。虛擬仿真平臺的應(yīng)用，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高專業(yè)實踐操作能力。

4虛實結(jié)合的實踐教學(xué)體系

將虛擬仿真教學(xué)與實踐教學(xué)結(jié)合，建立“理論授課-虛擬實驗-硬件實驗”教學(xué)三位一體化的大學(xué)物理教學(xué)體系，將動畫演示實驗、虛擬仿真實驗、實物實驗、遠(yuǎn)程實驗納入到大學(xué)物理課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中，是當(dāng)前國內(nèi)高校實驗實訓(xùn)教學(xué)課程改革的主流[8]。虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心教學(xué)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。對于基礎(chǔ)實驗，我們以大學(xué)物理實驗項目為基礎(chǔ)，設(shè)計了相應(yīng)的虛擬仿真實驗教學(xué)資源，實現(xiàn)了硬件實驗、仿真實驗與實驗理論有機(jī)結(jié)合。學(xué)生掌握了大學(xué)物理基本的實驗操作方式和仿真軟件應(yīng)用后，進(jìn)入綜合性或者設(shè)計性的實驗環(huán)節(jié)。在完成初步設(shè)計方案后，先進(jìn)行軟件仿真，驗證分析設(shè)計方案正確性，修改方案設(shè)計中的原理性錯誤，然后再進(jìn)行硬件組裝調(diào)試。虛實結(jié)合的教學(xué)方式和形象生動的動態(tài)效果，有利于理解實驗原理，減少硬件損耗，降低硬件測試的時間。同時，也可以充分發(fā)揮軟件仿真的優(yōu)勢，使得實驗方案有效性的驗證，不受實驗設(shè)備、實驗場地和實驗時間的限制，縮短實驗周期，增強(qiáng)實驗效果。

5結(jié)語

虛實結(jié)合的大學(xué)物理實驗教學(xué)模式經(jīng)過近3年的實踐與探索，取得了一定的成果。近幾年，我校理工科學(xué)生參加各種專業(yè)技能競賽成績顯著。以物理學(xué)、電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)為例，近三年來，學(xué)生獲得大學(xué)生物理教學(xué)技能競賽國家級獎項14項，教學(xué)儀器競賽國家級獎項4項，大學(xué)生物理實驗競賽省級獎項7項，大學(xué)生電子設(shè)計競賽省級以上獎項40多項。學(xué)生科研項目方面，獲得國家級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目1項，省級項目6項，校級項目16項，學(xué)生科研經(jīng)費累積超過12萬元。雖然我們在實踐教學(xué)中，取得了一定的成績。但也發(fā)現(xiàn)一些問題，比如，虛擬仿真教學(xué)資源還不夠完善，創(chuàng)新性、設(shè)計性的實驗項目數(shù)量不足。在今后的教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加大虛擬仿真教學(xué)資源的自主開發(fā)，加強(qiáng)虛擬實驗與硬件實驗的聯(lián)系，為培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新應(yīng)用型人才提供良好學(xué)習(xí)平臺。

參考文獻(xiàn)

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[8]戴朝卿,趙麗華,呂衛(wèi)君,等.“大物理”教學(xué)體系下“互聯(lián)網(wǎng)+”虛實結(jié)合實驗教學(xué)改革與實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2016,33(5):205-208.

作者:張德錢 張玉芹 鄭春龍 單位:韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院