仿真實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)考核中應(yīng)用的探討

杜 寧

(唐山學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)部河北 唐山063000)

摘 要：介紹大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，討論了我院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)考核的現(xiàn)狀，探討了仿真實(shí)驗(yàn)在物理實(shí)驗(yàn)考核中應(yīng)用的思路．

關(guān)鍵詞：仿真實(shí)驗(yàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)考核

作者簡介：杜寧(1980-),女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事物理實(shí)驗(yàn)研究.

收稿日期：(2015-05-09)

物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)反映了理工科及各個(gè)學(xué)科科學(xué)實(shí)驗(yàn)共性和普遍性的問題．通過實(shí)驗(yàn)，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維、創(chuàng)新能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，與科學(xué)技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力，在適應(yīng)科技發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步對人才的需求等方面起著舉足輕重的作用．

隨著以數(shù)字化為核心的信息技術(shù)的高度發(fā)展，在全面實(shí)施以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，必須充分利用和發(fā)揮信息化技術(shù)，使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的信息化、網(wǎng)絡(luò)化成為大勢所趨．

為使傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)向設(shè)計(jì)研究性、開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變并大面積地展開，同時(shí)也隨著實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)的迅猛發(fā)展，仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生．

1仿真實(shí)驗(yàn)

仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一門綜合技術(shù)．它集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體、軟件工程、信息技術(shù)、人工智能等多個(gè)高新領(lǐng)域的知識(shí)．在教學(xué)活動(dòng)中，特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入仿真技術(shù)，將使教學(xué)方式發(fā)生根本性的變化，并能夠獲得顯著的教學(xué)效果[1]．

利用《大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)》，作為真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，創(chuàng)新教學(xué)模式，具有以下特點(diǎn)[2]：

(1)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)把實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(包括理論教學(xué))、教師指導(dǎo)和學(xué)生的思考、操作融為一體，形成一部可操作教學(xué)資源，活的教科書．滿足不同層次學(xué)生的求知需求，開拓視野，提高學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的興趣．實(shí)驗(yàn)前學(xué)生可選擇查看圖文并茂的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、注意事項(xiàng)，對照儀器邊看邊預(yù)習(xí)，為學(xué)生提供了自主學(xué)習(xí)的環(huán)境．

(2)仿真實(shí)驗(yàn)解決了實(shí)驗(yàn)室?guī)熧Y與學(xué)生規(guī)模失調(diào)的問題，克服了實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間上和空間上受限制的困擾．解決了對大面積學(xué)生開設(shè)設(shè)計(jì)性、研究性、開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不足的困擾．

(3)實(shí)驗(yàn)用到的調(diào)節(jié)難度大的儀器、大型貴重儀器，比如分光計(jì)、STM隧道顯微鏡等，需要安排學(xué)生先做仿真實(shí)驗(yàn)、熟悉儀器操作和實(shí)驗(yàn)過程后再上真實(shí)儀器上操作．這樣可提高真實(shí)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，縮短真實(shí)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，提高設(shè)備利用率和安全性．與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)兩段式教學(xué)模式．

(4)很多儀器都是“黑匣子”，學(xué)生不明白儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)過程中的變化，不利于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)儀器及其原理的理解，而仿真實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生了解更多地實(shí)驗(yàn)儀器內(nèi)部的變化，了解儀器內(nèi)部運(yùn)行過程．而且對很多現(xiàn)象有解釋，這樣可大大提高教學(xué)效果．

2當(dāng)前我院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)考試的現(xiàn)狀

我們實(shí)驗(yàn)室考試學(xué)生實(shí)行“操作+書面”相結(jié)合的考試形式,參加考試的學(xué)生由抽簽確定考試內(nèi)容(考試內(nèi)容為所學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目)，要求1人1題1套儀器，在2h的規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成考試的全過程．操作考試包括組裝與調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)步驟的操作、實(shí)驗(yàn)程序是否規(guī)范、數(shù)據(jù)記錄正確與否、是否有創(chuàng)新點(diǎn)等內(nèi)容．在操作題中按照儀器連接、調(diào)試、測量，教師分步驟給分．最后，學(xué)生把自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在試卷上按要求處理完畢即可交卷．我們將每次實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績平均，折算為平時(shí)成績，再按平時(shí)實(shí)驗(yàn)成績和考試成績分別占有的比例匯總為學(xué)生的總評成績．

通過這種形式的考試，雖然在一定程度上提高了學(xué)生的動(dòng)手和創(chuàng)新能力，但是我們也發(fā)現(xiàn)了它的一些弊端．比如，由于實(shí)驗(yàn)課受學(xué)時(shí)的限制，對于動(dòng)手能力差的學(xué)生來說，操作過程不理想直接就影響到以后的計(jì)算，最終影響考試成績．另一方面，無形中大大增加了教師的工作量．按每學(xué)期1 200名學(xué)生計(jì)算，我們每次考試只能安排4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目10臺(tái)儀器，即需30場考試，每次4位監(jiān)考教師(一位教師負(fù)責(zé)一個(gè)項(xiàng)目)，共需120次監(jiān)考，實(shí)驗(yàn)室共有6位教師，平均下來每人監(jiān)考20次．以現(xiàn)在的考試狀況來說，監(jiān)考的工作量太大了．并且每個(gè)同學(xué)的數(shù)據(jù)不一樣，計(jì)算結(jié)果的多樣性，給我們的閱卷也帶來了很多麻煩．

3仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)考核中實(shí)現(xiàn)無紙化

仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，已取得了一定的成效．但是將其應(yīng)用于考試，還都在一個(gè)初步試用階段[3]．針對目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備和課時(shí)不足、教師工作量繁重等瓶頸，影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰o法考核的問題，我們可以采用B/S和C/S混合模式和全新的Sliverlight，WPF技術(shù)，讓學(xué)生在WEB上或系統(tǒng)的考試大廳中進(jìn)行考試．

3.1仿真無紙化考試的特色

(1)考試時(shí)學(xué)生所做的每個(gè)操作實(shí)驗(yàn)中都是隨機(jī)產(chǎn)生的初始物理量，這樣每個(gè)學(xué)生和每次實(shí)驗(yàn)操作所測得的正確結(jié)果是不同的，從根本上避免了考場作弊的問題．

(2)教師在安排考試時(shí)每場考試可以同時(shí)使用多份試卷，并通過計(jì)算機(jī)設(shè)定不同學(xué)生對應(yīng)不同試卷，試卷多樣化，也可以避免考場作弊的問題．

(3)教師可以選擇操作實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并調(diào)用試題庫中的題目進(jìn)行組卷，同時(shí)擬定評分標(biāo)準(zhǔn)．并且系統(tǒng)可根據(jù)教師擬定的評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自動(dòng)閱卷、統(tǒng)計(jì)成績．最后，教師可以很方便地查閱系統(tǒng)評閱結(jié)果(允許教師可以對試卷進(jìn)行人工修改，調(diào)整自動(dòng)評閱的結(jié)果)．

3.2考試流程

考試流程圖如圖1所示.

圖1　考試流程圖

(1)教師/管理員出題．

(2)教師指定操作實(shí)驗(yàn)，并調(diào)用試題庫中的試題組卷、擬分，提交至試卷庫．

(3)教師安排考試欄，確定考試試卷(從試卷庫中調(diào)用)，設(shè)定使用本試卷的學(xué)生．

(4)學(xué)生登陸考試大廳在教師安排的時(shí)間內(nèi)打開考卷進(jìn)行考試．

(5)系統(tǒng)自動(dòng)評閱，并得出成績統(tǒng)計(jì)表及統(tǒng)計(jì)分布圖．

(6)教師對成績進(jìn)行查看、調(diào)整、導(dǎo)出．

(7)在查詢權(quán)限開放后，學(xué)生可查詢自己的成績．

仿真設(shè)計(jì)考試，可以解決我們實(shí)驗(yàn)室目前所面臨的問題．但它的設(shè)計(jì)應(yīng)用還要注重考慮系統(tǒng)的易于維護(hù)，并具備擴(kuò)展性，保證運(yùn)行的安全性和可靠性，設(shè)計(jì)的科學(xué)性等等[4]，這都需要一個(gè)不斷完善的過程．

4結(jié)束語

仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)考核應(yīng)該說是一種創(chuàng)新與探索，它優(yōu)于紙質(zhì)的試卷考試，但也存在不及實(shí)驗(yàn)操作考試的不足，比如不能體現(xiàn)學(xué)生的真實(shí)動(dòng)手能力水平等．應(yīng)該說這是一種特定的專用考試系統(tǒng)，我們要在日常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，充分利用原有的仿真環(huán)境，結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，兩者相輔相成，不斷完善，以便更好地適應(yīng)和體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)考試的要求．

仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展還處于初級(jí)階段，有很大的發(fā)展空間，它的發(fā)展是一個(gè)長期漸進(jìn)、不斷完善的過程，我們應(yīng)在實(shí)踐中認(rèn)真教研、恰當(dāng)使用、合理開發(fā)、豐富完善，形成一個(gè)靈活多樣、適應(yīng)不同層次、不同專業(yè)要求的新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，來實(shí)現(xiàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最佳結(jié)合．仿真實(shí)驗(yàn)考核系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣，將有效提升大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，促進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和發(fā)展．

參 考 文 獻(xiàn)

1劉利娜,岳素榮,臧春和,張東梅.仿真實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的地位和作用.中國科技信息，2012(7):213

2王曉蒲,霍劍青,楊旭,袁泉,郭玉剛.大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)和教學(xué)實(shí)踐.物理實(shí)驗(yàn)， 2001，21(1)：28～29

3馬如遠(yuǎn)，朱永安.計(jì)算機(jī)仿真在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探討.裝備制造技術(shù)，2013(8)：212～214

4王永喜.虛擬實(shí)驗(yàn)室在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用探討.中國教育技術(shù)裝備，2010(12):89～90