張婕妤 呂懌彤 孫碧蓮 王琪 趙興東

【摘? ?要】伴隨著信息化技術(shù)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展，虛擬大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)逐漸成為了大學(xué)物理教學(xué)改革的重要組成部分，同時(shí)越來(lái)越多的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和技術(shù)被用于在線實(shí)驗(yàn)課程和虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)。與此同時(shí)，關(guān)于如何科學(xué)定量的評(píng)估它們的可行性的研究是比較匱乏的。本文通過(guò)建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型從不同的角度評(píng)估了Python在虛擬大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的可行性，充分考慮了學(xué)生的學(xué)習(xí)成效、教師的教學(xué)評(píng)價(jià)和基于計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的多媒體應(yīng)用。結(jié)合問(wèn)卷分析，模糊綜合評(píng)價(jià)模型結(jié)果表明Python軟件在虛擬大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中可以起到非常重要的作用，應(yīng)用可行性很高。最后，我們還探討了Python在虛擬大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)過(guò)程實(shí)施。這里的結(jié)果將對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開展和物理教學(xué)的定量評(píng)估有著指導(dǎo)性意義。

【關(guān)鍵詞】Python;仿真模擬;大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);模糊綜合評(píng)價(jià);教學(xué)評(píng)估

引言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的基礎(chǔ)課程，對(duì)大部分專業(yè)而言是一門必修課程。面對(duì)教學(xué)對(duì)象的多樣性，由于非物理專業(yè)的學(xué)生知識(shí)積累欠缺，組織課堂教學(xué)會(huì)產(chǎn)生困難。再者受疫情影響，線上教學(xué)成為了僅次于課堂教學(xué)的主要教學(xué)模式。作為一門以實(shí)驗(yàn)為主的課程，如何開展線上教學(xué)，已經(jīng)成為了一個(gè)亟待探討的問(wèn)題。

計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了軟件資源共享、硬件完善、遠(yuǎn)程操作三者結(jié)合的數(shù)據(jù)資源庫(kù)，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和虛擬仿真技術(shù)融合在一起，在資源信息共享的基礎(chǔ)上提高了教學(xué)效果。Python是一種面向?qū)ο蟆⒁子跀U(kuò)展的解釋型計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，相比其他軟件而言其語(yǔ)法簡(jiǎn)單易學(xué)，自由發(fā)揮空間比較大，自適應(yīng)能力和可移植性比較強(qiáng)，免費(fèi)開源，易于拓展，在數(shù)值計(jì)算和模擬仿真方面有著自己的優(yōu)越之處。因此可以借助Python軟件實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真線上教學(xué)，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

本文將通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型對(duì)python在虛擬大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的可行性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，由于其本身是一個(gè)多層次的評(píng)價(jià)問(wèn)題，涉及的內(nèi)容較多，在人們心中的界限是模糊的。為了保證評(píng)價(jià)的科學(xué)性和客觀性，我們將利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法研究Python在虛擬大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，并從學(xué)習(xí)成效、教學(xué)評(píng)價(jià)、多媒體應(yīng)用的角度建立了評(píng)價(jià)模型對(duì)其進(jìn)行定量分析。

1.模糊綜合評(píng)價(jià)模型的建立

在生產(chǎn)生活以及科學(xué)研究中，我們經(jīng)常會(huì)遇到模糊的現(xiàn)象或概念，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于這些存在模糊概念的實(shí)際問(wèn)題往往都需要給出定量的分析。而Python在虛擬仿真大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究是個(gè)較復(fù)雜的過(guò)程，需要考慮學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、學(xué)校的培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)效果、多媒體的應(yīng)用推廣、實(shí)驗(yàn)本身的難易程度等。由此我們利用模糊評(píng)價(jià)通過(guò)精確的數(shù)字手段處理模糊的評(píng)價(jià)對(duì)象，對(duì)Python在虛擬大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)仿真的應(yīng)用作出比較科學(xué)、合理、貼近實(shí)際的量化評(píng)價(jià)。

經(jīng)校內(nèi)專家評(píng)估，本文從學(xué)習(xí)成效、教學(xué)評(píng)價(jià)、多媒體應(yīng)用三個(gè)方面對(duì)Python模擬仿真大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

從學(xué)習(xí)成效方面而言，我們從學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解程度、自主創(chuàng)新能力的開發(fā)和對(duì)時(shí)域的限制進(jìn)行評(píng)價(jià);從教學(xué)評(píng)價(jià)方面而言，我們從課程任務(wù)的完成度、教學(xué)效率和質(zhì)量，對(duì)教學(xué)效果的反饋進(jìn)行評(píng)價(jià);從多媒體應(yīng)用方面而言，需要便于實(shí)際的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂使用，我們從軟件的可移植性、程序設(shè)計(jì)、計(jì)算功能以及數(shù)據(jù)可視化進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此我們建立圖1所示的python在虛擬大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中模擬仿真的模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

根據(jù)圖1所示的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)集合，一級(jí)指標(biāo)集合為：

P= {學(xué)習(xí)成效，教學(xué)評(píng)價(jià)，多媒體應(yīng)用}，

與一級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)層集合為：

Q1={專業(yè)素養(yǎng)，創(chuàng)新能力，時(shí)域限制}，

Q2={課程達(dá)成度，課程質(zhì)量，教學(xué)效果}，

Q3{可移植性，程序設(shè)計(jì)，計(jì)算功能，數(shù)據(jù)可視}.

為了對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的使用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，設(shè)評(píng)語(yǔ)集：

V={優(yōu)秀，良好，合格，不合格}。

結(jié)合評(píng)語(yǔ)集，針對(duì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則學(xué)習(xí)成效、教學(xué)評(píng)價(jià)所對(duì)應(yīng)的6個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)制作調(diào)查問(wèn)卷。依次面向校內(nèi)物理學(xué)院老師、光電信息科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生、功能材料專業(yè)學(xué)生發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷共計(jì)200份，剔除無(wú)效問(wèn)卷18份后，對(duì)有效問(wèn)卷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并做了微小估計(jì)。最后參考大量文獻(xiàn)后，對(duì)python軟件特性做出如下評(píng)價(jià)得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1所示：

依據(jù)表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得到模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣為：

基于以學(xué)生為主體，以課程體系為核心，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為支柱的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。我們?cè)O(shè)一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重為：

上述調(diào)查問(wèn)卷中依次針對(duì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則學(xué)習(xí)成效、教學(xué)評(píng)價(jià)中的三個(gè)二級(jí)指標(biāo)的影響力進(jìn)行了權(quán)重調(diào)查，并做了微小估計(jì)得到二級(jí)指標(biāo)權(quán)重如下：

從多媒體應(yīng)用方面而言，大多數(shù)教學(xué)課堂展示所用的電腦內(nèi)存比較小，為方便實(shí)際的教學(xué)課堂使用，軟件需具有強(qiáng)大的可移植性。其次需具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化能力和數(shù)值計(jì)算能力用來(lái)模擬仿真。最后程序語(yǔ)法應(yīng)具有簡(jiǎn)潔性、易讀性，易于學(xué)生掌握。參考大量文獻(xiàn)后，我們對(duì)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行如下權(quán)重分配：

可以看出，在學(xué)習(xí)成效方面，專業(yè)素養(yǎng)和時(shí)域限制的重要度要大于自主創(chuàng)新能力;在教學(xué)評(píng)價(jià)方面，課程達(dá)成度的影響力要略大于課程質(zhì)量和教學(xué)效果;在多媒體應(yīng)用方面，軟件的可移植性和數(shù)據(jù)可視化對(duì)其影響力較大。

2.模型求解

由各二級(jí)因素的模糊評(píng)價(jià)矩陣及其權(quán)重可計(jì)算，得出各一級(jí)因素的模糊向量，

再結(jié)合各一級(jí)因素的權(quán)重可以計(jì)算得到Python在虛擬大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用評(píng)價(jià)結(jié)果，模糊綜合評(píng)價(jià)向量為：

根據(jù)最大隸屬度原則，認(rèn)為用Python模擬仿真大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)的可行性很高。用Python軟件的特性進(jìn)行仿真模擬，可以不受時(shí)間和空間的限制，提高實(shí)驗(yàn)精度，很好地輔助了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

從學(xué)習(xí)成效方面而言，由公式（1）可見，模擬仿真教學(xué)有效的提高了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，極大地改善了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在時(shí)域限制的弊端，同時(shí)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力也有一定積極影響。

仿真教學(xué)為學(xué)生提供了教學(xué)科研平臺(tái)，在講解完實(shí)驗(yàn)原理之后帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的仿真模擬，使學(xué)生加深對(duì)抽象概念和規(guī)律的理解，有利于拓展學(xué)生的思維空間。通過(guò)仿真模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以自行改變實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的一些參數(shù)和數(shù)據(jù)，總結(jié)一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中的規(guī)律，提高了學(xué)生獨(dú)立思考、解決問(wèn)題的能力，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力發(fā)揮著重要作用。再者，由于仿真模擬較為靈活，可以突破時(shí)空的限制，能幫助學(xué)生更好的完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

從教學(xué)評(píng)價(jià)方面而言，由公式（2）可見，模擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)極大的提高了課程完成度，增強(qiáng)了教學(xué)效果，提高了課程質(zhì)量。

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的匱乏，實(shí)驗(yàn)設(shè)備多年無(wú)法更新，很難做到一人一機(jī)，保證每一個(gè)學(xué)生都能實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)儀器完成課程目標(biāo)。而仿真模擬實(shí)驗(yàn)，可以通過(guò)線上操作精準(zhǔn)高效地完成學(xué)習(xí)任務(wù)。通過(guò)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，將具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程過(guò)渡到仿真模擬中，將抽象難懂的物理概念和規(guī)律直觀展現(xiàn)在學(xué)生面前，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效果等有著很好的促進(jìn)作用，增強(qiáng)了教學(xué)效果，相應(yīng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和質(zhì)量也會(huì)得到極大提高。

從多媒體應(yīng)用方面而言，由公式（3）可見，Python具有較簡(jiǎn)單的程序接口，其調(diào)用方便，可移植性強(qiáng)。其他仿真軟件對(duì)電腦運(yùn)行速度的要求比較高，大多數(shù)學(xué)校課堂展示所用的電腦內(nèi)存比較小，達(dá)不到以上要求。而Python相對(duì)其他仿真軟件來(lái)說(shuō)所占空間較小，可直接在其官網(wǎng)免費(fèi)下載，方便實(shí)際的教學(xué)課堂使用。再者，Python語(yǔ)言易于掌握，其程序語(yǔ)法具有簡(jiǎn)潔性、易讀性，非常適合大學(xué)物理以及其他學(xué)科的學(xué)生使用。同時(shí)可以讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)編寫可視化的物理實(shí)驗(yàn)仿真程序，輔助傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能使學(xué)生更深入理解物理原理和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。另外Python具有大量的第三方庫(kù)，數(shù)據(jù)可視化和計(jì)算能力強(qiáng)大，非常適合用來(lái)做科學(xué)計(jì)算、數(shù)值模擬等工作，可以完成更多具有創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)仿真模擬，以便應(yīng)用到教學(xué)中去。

3.模擬教學(xué)過(guò)程

我們將Python應(yīng)用在虛擬大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)過(guò)程劃分為：準(zhǔn)備教學(xué)平臺(tái)—模擬仿真教學(xué)—進(jìn)行師生評(píng)價(jià)—總結(jié)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，完善教學(xué)體系4個(gè)階段。其中模擬仿真教學(xué)階段可進(jìn)一步分為課前自主學(xué)習(xí)、課堂協(xié)作探究、課后拓展創(chuàng)新三個(gè)過(guò)程。

具體教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖2所示，教師基于教學(xué)目標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)課開展之前籌備好教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課前則自主探究實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、步驟、原理以及可能出現(xiàn)的問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)的結(jié)果等要素，結(jié)合物理知識(shí)進(jìn)行深度思考，隨后在課堂上進(jìn)行小組討論，改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)，合作創(chuàng)新。課后學(xué)生進(jìn)行對(duì)比思考，拓展知識(shí)結(jié)構(gòu)。最后建立師生評(píng)價(jià)體系，對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)進(jìn)行反饋，總結(jié)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，完善教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)有效的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用。

隨著時(shí)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和教育改革的深化，陳舊的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)體系和教育教學(xué)觀念已不適應(yīng)當(dāng)前發(fā)展，教具教學(xué)改革迫在眉睫，仿真模擬技術(shù)也受到了從未有過(guò)的重視。

4.結(jié)語(yǔ)

Python是一種面向?qū)ο蟮慕忉屝陀?jì)算機(jī)語(yǔ)言，語(yǔ)法簡(jiǎn)單明了，易操作，數(shù)據(jù)可視化和計(jì)算能力強(qiáng)大，非常適合用來(lái)做數(shù)值計(jì)算、模擬仿真等工作，在虛擬仿真學(xué)習(xí)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)混合式教學(xué)上有著重要的意義與價(jià)值，在未來(lái)教學(xué)前景上有廣闊的發(fā)展空間。

模擬仿真實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和發(fā)展，一方面可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，另一方面可以有效提高大學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。用Python模擬仿真實(shí)驗(yàn)可以避免手算出現(xiàn)的失誤，使學(xué)生把主要精力放在實(shí)驗(yàn)的操作和實(shí)驗(yàn)本身物理意義的理解上，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性?；趐ython的仿真模擬實(shí)驗(yàn)在未來(lái)有巨大發(fā)展?jié)摿?，有待我們進(jìn)一步去研究。

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作者簡(jiǎn)介：張婕妤（2000.11-），女，漢族，河南許昌人，本科生。

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