物理教學仿真實驗推廣應用

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1引言

仿真實驗利用計算機軟件把實驗設備、教學內容、教師指導和學生的操作有機地融合起來，能夠模擬實驗室環境和物理現象，為學生提供直觀的學習環境，并以聲音、圖像等豐富的表現力幫助學生進行多感官的學習，增強學生的學習興趣，激發學生的學習熱情和創造力．仿真實驗能夠實時顯示測量結果，并能提供多種實驗方法和設計平臺，有利于培養學生的設計思考能力和比較判斷能力，可以達到操作實驗難以實現的效果［1］．隨著教學改革的不斷深入，仿真實驗被應用到很多高校的物理實驗教學當中［2～5］．早于1999年，中國地質大學（北京）實驗物理中心（以下簡稱“中心”）就引進了仿真實驗教學軟件，并且面向全校理工科大二學生開設仿真實驗，將其作為“中心”開放式教學平臺的一個重要組成部分，近年來，“中心”又嘗試將仿真實驗應用于物理實驗課程的考核中．本文將介紹仿真實驗在我們“中心”實驗物理課程教學中的應用以及“中心”在教學過程中取得的實踐經驗．

2仿真實驗在實驗物理教學中的應用

中國地質大學（北京）實驗物理教學中心自2005年成立以來，一直堅持“以學生為本”的改革思路，樹立了“能力與素質協調發展，實踐與創新全面提高”的教學理念，并形成了自主開放的物理實驗教學體系．其中，仿真實驗既是“中心”實驗物理教學的重要組成部分，同時也是“中心”進行開放式教學以及考核方式改革的一個重要途徑［6，7］．

2．1實驗教學

“中心”使用的仿真實驗系統是由中國科學技術大學開發設計的軟件［8］，該軟件可以提供從力學、熱學、電學、光學、近代物理實驗等內容豐富的實驗題目，學生也可以根據實驗要求自己搭建實驗平臺進行探索實驗．我們通過實踐教學發現仿真實驗可以解決很多操作實驗不能解決的問題，是實驗物理教學有益的補充．仿真實驗可以解決學生在實驗教學中的“黑匣子”困惑．在實驗物理教學中，由于有些實驗題目涉及精密儀器，學生只能看到儀器的外觀，對于內部構造的了解只能通過老師的講述或者圖片來實現，很容易給學生造成“黑匣子”困惑．仿真實驗就可以解決這一問題，通過仿真平臺能夠讓學生很直觀地看到儀器的組成部件，讓他們更加了解儀器的內部結構，激發他們的學習興趣；仿真實驗應用于實驗教學的另一個優點在于它不會造成實驗儀器的損壞，因此能夠鼓勵學生進行大膽實踐，反復調試，從而有利于學生深入理解實驗原理，進行探索性研究．另外，仿真實驗由于不受儀器的限制，比較容易更新實驗題目，這樣就有利于學生接觸學科前沿，開闊視野．通過我們這幾年的教學，發現很多學生對于仿真實驗表現出很濃烈的興趣，課后反應非常好，在有些同學的實驗小結里，他們認為“仿真實驗是一種全新的實驗手法，打破了傳統的實驗教學模式，更加強調實驗的設計思想和實驗方法，能夠讓實驗者主動學習，通過仿真實驗，雖然未接觸儀器，但讓我對物理思想、方法、儀器結構和設計原理的認識，都較之前的實際實驗有了很大的提高，而且避免了對貴重儀器的損害，總之，收獲頗多”，“我個人認為仿真實驗更加增添了我對研究物理實驗的興趣，因為在實驗過程中我們必須認真考慮每一個細節，從實驗準備到數據處理”．除了學生外，很多教育界前輩也對仿真實驗給予很高的評價，認為仿真實驗能夠在相當程度上彌補由于實驗儀器復雜、精密昂貴，不能允許學生進行反復調試的缺陷，值得大力推廣．瑞典烏普薩拉大學副校長，諾貝爾物理委員會主席在參觀我們“中心”的仿真實驗室時，也表現出了極大的興趣．

2．2開放平臺

“中心”自成立后一直面向全校學生開放，其中仿真實驗是我們“中心”開放式平臺的一個重要組成部分，在“中心”的網站上，學生可以自由下載仿真實驗軟件，隨時進行預習和進行實驗．我們在實踐中體會到，仿真實驗本身的特點決定了它是開放式學習最有利的工具．首先，仿真實驗用于開放平臺可以解決實驗室開放所需要考慮的開放時間和值班人員工作量問題；另外，由于實驗教學設備需要的資金投入很多，很多學校的教學資源并不能滿足學生成才的需求，仿真實驗在相當程度上可以彌補這方面的缺陷，使學生的學習不再受課堂、課時以及儀器的限制，使得大面積的學生都能夠接觸到有較高水平的開放性、設計性實驗．另外，由于網絡的普及，現在的學生很多課余時間都花在網絡上，打游戲，聊天都成為他們上網的主要活動，仿真實驗在一定程度上可以讓一種非常積極正面的探索活動占用學生的網絡時間．這樣既可以使物理實驗在空間上和時間上得到延伸，又解決了學生課余進行科學研究與探索的需求．

2．3實驗物理考試

考核方式對于學生的學習具有導向性作用，沒有合理的考核方式，就很難激勵學生的主動性和積極性．大學物理實驗畢竟是一門實驗課程，是以培養學生的實踐能力為主要目標的，如果在考核中不強調實際操作，就很難實現這一目標．但是實現真正意義上的操作考試，在操作層面上有一定的難度．我們“中心”曾經嘗試將操作考試引入到大學物理實驗課的考試當中．這樣的操作考試問題也很突出，首先由于是學生自主操作，很容易造成儀器的損壞；即使不考慮儀器的損壞率，由于實驗儀器數目的限制，可供學生參加考試的題目有限，又不可能讓所有的學生都能同時參加操作考試，難免會出現題目泄露的現象，雖然我們會定期改變試卷和改變操作內容，但是由于每次參加考試的學生人數有限，安排考試的次數過多，不可能做到每次的內容都完全不同，從而出現不公平的現象．于是，將仿真實驗應用到實驗物理考試成為“中心”進行實驗課考核方式改革的重要內容之一．首先，仿真實驗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；可供選擇的題目增加；而且不用擔心由于沒有老師的指導而造成實驗儀器的損壞．其次，由于仿真實驗的模擬性，仿真實驗可以較好地考查學生對實驗原理的理解程度和他們的實踐操作能力．另外，仿真實驗中計算機對于實驗數據的實時存儲可以減少同學之間互相抄襲數據，讓考試變得更加公平、公正．我們通過實踐之后認為仿真實驗除了可以用于實驗物理課程的考試外，還可以用于大面積的地區性或者全國性的大學實驗物理競賽的初試選拔．

3結論

通過實踐，我們“中心”意識到仿真實驗除了可以用于日常實驗教學，彌補有些學校因為硬件設備受限而不能很好完成實驗教學的問題，還有利于學生進行自主開放學習，另外，仿真實驗在進行大面積的實驗物理考核領域的前途也是非常光明的，除了便于推廣普及外還具有很強的可操作性．總之，仿真實驗是物理實驗教學有益的補充，是大學物理課程改革有力的工具。