虛實結合下大學物理實驗教學模式研究

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【摘要】針對高校大學物理電學實驗教學過程中存在的問題，提出虛實結合的大學物理電學實驗教學模式。通過理論授課、虛擬實驗、硬件實驗教學三位一體化的教學模式，激活學生學習的積極性和主動性，提高實驗教學的質量。實踐表明，該模式對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力是有效的。

【關鍵詞】仿真實驗；虛實結合；創(chuàng)新能力；大學物理實驗

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

1基于互聯(lián)網(wǎng)的開放式現(xiàn)代化實驗教學管理

為適應開放型的現(xiàn)代教學理念，大學物理實驗中心引進了基于互聯(lián)網(wǎng)的實驗教學管理系統(tǒng)。系統(tǒng)由服務器、互聯(lián)網(wǎng)絡和客戶終端三部分組成。服務器運行教學管理模塊，包含學生選課、學生以及教師課程管理等模塊，實現(xiàn)了課程管理、實驗預習、實驗仿真、作業(yè)提交等在線應用功能?？蛻艚K端由計算機或者智能手機構成，通過互聯(lián)網(wǎng)絡與服務器連接。開放式的現(xiàn)代化實驗教學管理模式有利于合理、高效利用現(xiàn)有的教學設備資源[4]。隨著計算機、智能手機和高速寬帶網(wǎng)絡的快速發(fā)展，開放式的實驗教學模式對大學物理實驗教學效果的改善將越來越明顯。開放式網(wǎng)絡化管理的教學模式，為大學物理實驗在線虛擬仿真提供了良好應用平臺。

2按專業(yè)發(fā)展需求的大學物理實驗教學內容體制

韶關學院大學物理實驗中心包含電磁學、熱力學和光學三個實驗分室，可開出基礎性實驗29個，綜合性實驗17個，設計性實驗5個。各個專業(yè)的大學物理實驗課時普遍只有32學時，學生無法參與所有的實驗項目學習。因此，我們根據(jù)專業(yè)特色需求，結合大學物理理論教學的內容，提出了以專業(yè)發(fā)展需求為準則的大學物理實驗教學內容體系。在有限的實驗教學課時下，根據(jù)專業(yè)方向，合理劃分基礎驗證性、綜合性和設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)的實驗教學內容[5]。首先，各個專業(yè)的大學物理實驗類別包含實驗理論、驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗四個類別。其次，根據(jù)專業(yè)特點，將大學物理實驗模塊分為物理類、電子信息類、機械類、農林類和化工類五個教學模塊，各個模塊的實驗內容側重點由專業(yè)發(fā)展需求為基準。以電子信息類實驗教學模塊為例，實驗理論課時為6課時，驗證性的基礎實驗為16學時，綜合性和設計性實驗各4個學時?；A性實驗側重于大學物理力、熱、光、電和磁方向基本實驗的學習，綜合性和設計性的實驗，主要側重在電磁學與光學方向的專題，學生可以根據(jù)自己的興趣進行選擇，為進一步深入學習專業(yè)知識打下基礎。

3虛擬仿真實驗教學

虛擬儀器是上世紀九十年代初出現(xiàn)的新型儀器類型，是將傳統(tǒng)的儀器技術與計算機技術、軟件技術進行深層次結合而發(fā)展起來的一項新技術。也是仿真實實驗的核心技術。近年來，國家對高校虛擬仿真實驗教學中心建設也越來越重視，通過國家級、省級和校級虛擬實驗教學中心的建設，引導高校各個專業(yè)加強虛擬仿真與硬件實驗教學的聯(lián)系。韶關學院大學物理實驗教學中心，在教學中引入了中國科技大學研發(fā)的大學物理虛擬仿真軟件平臺，對大學物理的實驗教學項目進行虛擬仿真[6,7]。例如電學實驗，在虛擬仿真平臺下，學生不但可以完成電學所有實驗的項目的仿真，也可以仿真平臺上，學習常用的電學儀器及儀表操作應用。這對于實驗設備不足、儀器儀表落后的地方高校來說，是非常有利的。學生可以在仿真平臺上，預習或者復習電學實驗操作，分析實驗效果，無需擔心傳統(tǒng)硬件實驗設備不足且操作不當容易損壞儀器的問題。虛擬仿真實驗，使得學生可以隨時隨地使用計算機參與實驗訓練。虛擬仿真平臺的應用，可以激發(fā)學生學習的興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，提高專業(yè)實踐操作能力。

4虛實結合的實踐教學體系

將虛擬仿真教學與實踐教學結合，建立“理論授課-虛擬實驗-硬件實驗”教學三位一體化的大學物理教學體系，將動畫演示實驗、虛擬仿真實驗、實物實驗、遠程實驗納入到大學物理課程的教學環(huán)節(jié)中，是當前國內高校實驗實訓教學課程改革的主流[8]。虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心教學的重要內容，是學科專業(yè)與信息技術深度融合的產物。對于基礎實驗，我們以大學物理實驗項目為基礎，設計了相應的虛擬仿真實驗教學資源，實現(xiàn)了硬件實驗、仿真實驗與實驗理論有機結合。學生掌握了大學物理基本的實驗操作方式和仿真軟件應用后，進入綜合性或者設計性的實驗環(huán)節(jié)。在完成初步設計方案后，先進行軟件仿真，驗證分析設計方案正確性，修改方案設計中的原理性錯誤，然后再進行硬件組裝調試。虛實結合的教學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，不受實驗設備、實驗場地和實驗時間的限制，縮短實驗周期，增強實驗效果。

5結語

虛實結合的大學物理實驗教學模式經過近3年的實踐與探索，取得了一定的成果。近幾年，我校理工科學生參加各種專業(yè)技能競賽成績顯著。以物理學、電子信息科學與技術專業(yè)為例，近三年來，學生獲得大學生物理教學技能競賽國家級獎項14項，教學儀器競賽國家級獎項4項，大學生物理實驗競賽省級獎項7項，大學生電子設計競賽省級以上獎項40多項。學生科研項目方面，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，學生科研經費累積超過12萬元。雖然我們在實踐教學中，取得了一定的成績。但也發(fā)現(xiàn)一些問題，比如，虛擬仿真教學資源還不夠完善，創(chuàng)新性、設計性的實驗項目數(shù)量不足。在今后的教學中，應當進一步加大虛擬仿真教學資源的自主開發(fā)，加強虛擬實驗與硬件實驗的聯(lián)系，為培養(yǎng)高素質創(chuàng)新應用型人才提供良好學習平臺。

參考文獻

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[2]朱敏.虛擬實驗與教學應用研究[D].上海:華東師范大學,2006.

[3]李永濤,毛巍威,劉猛洪,等.提高大學物理實驗教學質量的思考[J].大學物理實驗,2013,26(1):117-119.

[4]張德錢,劉益民,張玉芹.基于安卓的大學物理實驗教學管理系統(tǒng)設計[J].實驗科學與技術,2017,15(4):160-162.

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[6]張玉芹,洪遠泉.Multisim10在大學物理電學實踐教學中的應用[J].韶關學院學報,2011,32(4):99-101.

[7]楊建良.運用“虛實結合”構建電類課程實驗教學新模式[J].湖南第一師范學院學報,2013,13(6):45-48.

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

作者:張德錢 張玉芹 鄭春龍 單位:韶關學院物理與機電工程學院