胡遠青 徐曉玲

普通物理實驗是高等院校理工科大學(xué)生進行科學(xué)實驗訓(xùn)練的一門啟蒙課程，也是大學(xué)生從事科學(xué)實驗工作的基礎(chǔ)。普通物理實驗課覆蓋面廣，具有豐富的實驗思想、實驗方法和實驗策略，并能提供綜合性很強的基本實驗技能訓(xùn)練，在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力、適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的綜合應(yīng)用能力等方面，具有其他課程所不可替代的作用。由于受到實驗場地、時間、儀器設(shè)備及師資等教學(xué)資源的限制，加上實驗教學(xué)內(nèi)容陳舊，教學(xué)方法單一，考核方法過時，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)難以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。近幾年來，隨著教學(xué)信息化的普及與發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在高等院校普通物理實驗教學(xué)中的作用日益凸顯，公安院校普通物理虛擬仿真實驗教學(xué)值得廣大教師深入研究。

一、普通物理實驗教學(xué)現(xiàn)狀

江西警察學(xué)院屬地方性公安院校，普通物理實驗教學(xué)面向交管、網(wǎng)安監(jiān)察、刑事技術(shù)、安防工程等工科類專業(yè)，是學(xué)院公安類本科專業(yè)非常重要的一門基礎(chǔ)實驗課程。江西警察學(xué)院以教育部本科教學(xué)水平評估為契機，加強了普通物理實驗室的建設(shè)，實驗教學(xué)條件得到了很大程度的改善，但仍不能從根本上改變傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)面臨的困境。

1.普通物理實驗設(shè)施投入不足

江西警察學(xué)院的普通物理實驗室既要承擔(dān)交通管理工程、信息網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)察、刑事科學(xué)技術(shù)、安全防范工程等工科類專業(yè)學(xué)生的普通物理實驗教學(xué)任務(wù)，又要完成其他公安類和普通類專業(yè)學(xué)生大學(xué)物理實驗選修課程的教學(xué)任務(wù)。由于學(xué)院實驗經(jīng)費有限，儀器設(shè)備數(shù)量總體偏少，學(xué)生經(jīng)常不能按時完成實驗任務(wù)，甚至有部分學(xué)生不能實際參與實驗操作。不僅如此，現(xiàn)代物理及大型先進儀器設(shè)備匱乏，導(dǎo)致學(xué)院無法開設(shè)部分教學(xué)大綱規(guī)定的實驗項目，嚴(yán)重制約了學(xué)院師生進行比較復(fù)雜的教學(xué)研究。

2.普通物理實驗課時偏少

地方高等院校普通物理教學(xué)課時一般有128學(xué)時，而江西警察學(xué)院普通物理的教學(xué)課時為51學(xué)時，由于課時總量偏少，實驗課僅占10學(xué)時，不到總課時的20%，開設(shè)的實驗項目無法涵蓋多學(xué)科內(nèi)容，也無法開展多層次的綜合性、設(shè)計性、研究性實驗教學(xué)。然而，物理實驗是一個復(fù)雜的、技術(shù)性很強的教學(xué)過程，沒有一定時間、空間的實驗技能積累，是無法提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，而且這也不符合科學(xué)實驗的規(guī)律。

3.普通物理實驗教學(xué)模式單一

當(dāng)前，江西警察學(xué)院的物理實驗教學(xué)主要采用傳統(tǒng)的理論教學(xué)方法，即填鴨式、灌輸式，教師要用近一半的教學(xué)時間來講授實驗?zāi)康摹⒃O(shè)備、原理、方法、數(shù)據(jù)記錄與處理等。學(xué)生在沒有很好的實驗預(yù)習(xí)要求下，往往是被動地聽、匆忙地記教師講授的內(nèi)容，最后的實驗操作僅僅是為了完成實驗數(shù)據(jù)，撰寫實驗報告。這樣的實驗教學(xué)沒有充分發(fā)揮學(xué)生在實驗課中的主體作用，也使得學(xué)生沒有機會研究和思考實驗的目的和存在的問題。

二、普通物理虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建

2017年，在中央財政支持地方高等院校專項資金資助下，江西警察學(xué)院與科技型企業(yè)合作，開發(fā)、引進了普通物理虛擬仿真實驗系統(tǒng)，并基于學(xué)院校園網(wǎng)和普通物理網(wǎng)絡(luò)課程構(gòu)建了普通物理虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。

1.普通物理虛擬仿真實驗系統(tǒng)

在普通物理虛擬仿真實驗系統(tǒng)的首頁，學(xué)生可以通過瀏覽器直接瀏覽實驗資源信息，它有豐富的指導(dǎo)信息和統(tǒng)一的操作流程，實驗界面易用性高;學(xué)生可以從Web上下載實驗大廳程序，20個仿真實驗項目的全部信息資料都在網(wǎng)上，供學(xué)生參考。運行實驗后，屏幕上會顯示實驗環(huán)境的實驗主場景，并顯示實驗數(shù)據(jù)表格、儀器欄、內(nèi)容欄、提示欄、工具箱、幫助、輔助欄。其中，仿真實驗項目可以根據(jù)本實驗中心的實際教學(xué)課程體系自由組織，滿足分層次、特色教學(xué)的需求，還可以自動統(tǒng)計各實驗項目的使用情況，展示仿真實驗在教學(xué)中起到的作用。

2.物理實驗預(yù)習(xí)與自動評判系統(tǒng)

物理實驗預(yù)習(xí)與自動評判系統(tǒng)采用B/S和C/S混合模式和全新的WPF技術(shù)，包括試題庫管理、試卷庫管理、預(yù)習(xí)平臺管理、自動判卷管理、學(xué)生預(yù)習(xí)等功能，學(xué)生可以在系統(tǒng)的預(yù)習(xí)大廳中進行預(yù)習(xí)。第一，試題庫管理。系統(tǒng)內(nèi)置相應(yīng)實驗的操作題，且含有豐富的實驗習(xí)題和答案，支持單選、多選、填空、判斷等傳統(tǒng)題型，教師可增刪試題庫中的題目。第二，試卷庫管理。教師可針對每個實驗自行定制預(yù)習(xí)試卷，系統(tǒng)還具有擬分功能。第三，預(yù)習(xí)平臺管理。教師可以安排預(yù)習(xí)或查詢已經(jīng)安排過的預(yù)習(xí)，每場預(yù)習(xí)中，教師可以使用試卷庫中的多份試卷，并通過程序設(shè)定不同的學(xué)生使用不同的試卷。第四，自動判卷管理。學(xué)生提交試卷后，系統(tǒng)會自動評閱，教師可以在系統(tǒng)中查看、導(dǎo)出試卷成績及成績分布圖表，并利用分布曲線調(diào)整成績分布。在教師安排預(yù)習(xí)后，學(xué)生可以在安排的時間內(nèi)打開試卷進行實驗預(yù)習(xí)，并直接查看預(yù)習(xí)結(jié)果。

3.物理實驗考試與自動判卷系統(tǒng)

學(xué)生可以在物理實驗考試與自動判卷系統(tǒng)考試大廳中進行考試，系統(tǒng)包括考試平臺管理、自動判卷管理、學(xué)生考試等功能。第一，考試平臺管理。教師可以安排考試或查詢已經(jīng)安排過的考試，每場考試中，教師可以使用試卷庫中的多份試卷，通過本程序設(shè)定不同的學(xué)生使用不同的試卷。第二，自動判卷管理。學(xué)生提交試卷后，系統(tǒng)會自動評閱，教師可以在本系統(tǒng)中查看、導(dǎo)出試卷成績及成績分布圖表、利用分布曲線調(diào)整成績分布，學(xué)生可直接查看考試結(jié)果。第三，學(xué)生考試。在教師安排考試后，學(xué)生可以在安排的時間內(nèi)打開試卷進行實驗考試。

三、普通物理虛擬仿真實驗教學(xué)初步實踐

1.構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)體系

依據(jù)本科專業(yè)三段式人才培養(yǎng)模式，在物理實驗教學(xué)中，江西警察學(xué)院注重學(xué)生基礎(chǔ)理論、基本知識、基本技能的培養(yǎng)，并利用物理虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，構(gòu)建了基礎(chǔ)型、綜合型、設(shè)計型的實驗教學(xué)體系，其中涵蓋力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、近代物理等分支學(xué)科的20個實驗項目，優(yōu)化了物理實驗課程體系的結(jié)構(gòu)。

2.創(chuàng)新虛實結(jié)合的教學(xué)模式

虛實結(jié)合、相互補充是物理實驗教學(xué)的理念，所以教師要處理好實體實驗與虛擬實驗之間的關(guān)系。受實驗條件、實驗資源限制的項目，如一些微觀、強磁、低溫、高壓危險等實驗，適合采用虛擬仿真實驗;而驗證性、操作性比較強的項目，如“碰撞研究”“楊氏模量的測定”等實驗，一般選擇實體實驗;在同一實驗項目中，如“密立根油滴實驗”，擬與實體實驗各有優(yōu)勢，也各有不足，在教學(xué)中宜相互融合，實驗原理、實驗方法與實驗步驟是該實驗的教學(xué)重點和難點，學(xué)生在反復(fù)虛擬仿真實驗過程中，能有效理解和掌握理論知識和技能，最后在實體教學(xué)設(shè)備上進行實際操作，處理實驗數(shù)據(jù)，有效提升學(xué)習(xí)效率。

3.加強物理虛擬實驗教學(xué)師資建設(shè)

為了進一步加強物理虛擬實驗教學(xué)，江西警察學(xué)院和基礎(chǔ)理論教研部非常重視教學(xué)團隊的建設(shè)，引進了信息化技術(shù)專業(yè)人員充實師資隊伍，加強了與省內(nèi)外兄弟院校、企業(yè)的物理虛擬仿真實驗教學(xué)專家的技術(shù)和學(xué)術(shù)交流，鼓勵教師多渠道申請各級物理虛擬仿真實驗教學(xué)改革研究項目，研究虛擬仿真實驗教學(xué)模式、教學(xué)方法，研發(fā)和改進實驗教學(xué)課件、軟件，在一定程度上提高了物理虛擬仿真實驗教學(xué)的質(zhì)量。

4.強化物理虛擬實驗教學(xué)管理模式

實驗教學(xué)管理模式由統(tǒng)管改為分管，根據(jù)江西警察學(xué)院實驗室管理體制改革的要求，基礎(chǔ)物理實驗室及虛擬仿真實驗教學(xué)平臺統(tǒng)一劃歸基礎(chǔ)理論教研部管理，學(xué)院層面宏觀負責(zé)人、財、物及政策保障等，系部具體負責(zé)實驗教學(xué)、軟件開發(fā)和實驗設(shè)備維護等，職責(zé)明確，便于管理和教學(xué)。另外，實驗教學(xué)實行開放式教學(xué)模式，在用戶管理權(quán)限上，實現(xiàn)管理員、教師、學(xué)生三種權(quán)限分級管理，學(xué)生可以在網(wǎng)上自主選課，實驗學(xué)習(xí)成績可以通過管理系統(tǒng)自動錄入。而學(xué)院可建立虛擬仿真實驗系統(tǒng)服務(wù)器，維護和使用管理制度，指定專人對虛擬仿真實驗資源、技術(shù)軟件、網(wǎng)頁進行日常維護和信息更新。

在物理虛擬仿真實驗教學(xué)中，教師能通過圖片、文字等多種形式，給學(xué)生提供了豐富的物理學(xué)科知識，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，加深了學(xué)生對實驗設(shè)計思想、實驗方法的理解，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)實驗的能力。同時，物理虛擬仿真實驗?zāi)芡黄茣r間和空間的限制，學(xué)生可以通過交互界面模擬操作實驗儀器，掌握實驗儀器、設(shè)備的原理與使用方法，并模擬演示實驗操作重點。此外，物理虛擬仿真實驗?zāi)軐崿F(xiàn)在線交流，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題時可以隨時提出，并得到教師的解答，學(xué)生之間也可以交流實驗心得，提出實驗教學(xué)改進意見和建議。

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（作者單位：江西警察學(xué)院）