王溢琴，蘆彩林

（晉中學(xué)院信息技術(shù)與工程學(xué)院，山西晉中030600）

基于仿真技術(shù)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

王溢琴，蘆彩林

（晉中學(xué)院信息技術(shù)與工程學(xué)院，山西晉中030600）

分析了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)現(xiàn)狀，引入了計算機(jī)仿真技術(shù)，設(shè)計了仿真實(shí)驗(yàn)平臺。學(xué)生可以在該仿真平臺上完成實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，并進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，改善了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

物理實(shí)驗(yàn)課程；仿真技術(shù)；虛擬實(shí)驗(yàn)；B/S架構(gòu)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是本科院校理工類學(xué)生必須學(xué)習(xí)的一門基礎(chǔ)課［1］，開設(shè)該課程的目的是培養(yǎng)學(xué)生的理論分析能力和實(shí)踐動手能力。在實(shí)際教學(xué)過程中，由于客觀條件和教學(xué)時間的限制，學(xué)生很難正確掌握實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟，在實(shí)驗(yàn)中往往盲目操作，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與書中給出的結(jié)果大相徑庭。為了改變大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)現(xiàn)狀，一些高校把基于計算機(jī)仿真技術(shù)的仿真物理實(shí)驗(yàn)［2］引入課堂教學(xué)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，取得了一些顯著效果。在教學(xué)實(shí)踐中，我們借助計算機(jī)仿真技術(shù)設(shè)計了基于B/S結(jié)構(gòu)的仿真實(shí)驗(yàn)平臺，并通過該平臺提高了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量，調(diào)動了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性，幫助學(xué)生鞏固了所學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)知識。

1 物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)現(xiàn)狀

根據(jù)近年的教學(xué)實(shí)際情況，我們發(fā)現(xiàn)我校的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)存在以下三個方面的問題。

1）缺乏教學(xué)手段

在實(shí)驗(yàn)前，教師通過灌輸式教學(xué)法把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容介紹給學(xué)生，學(xué)生只需做好筆記，寫好操作步驟和預(yù)期結(jié)果就算完成了教學(xué)任務(wù)。在實(shí)驗(yàn)中，指導(dǎo)老師通常事先安排好實(shí)驗(yàn)儀器，學(xué)生只需按照書中描述的方法和步驟進(jìn)行操作，只要結(jié)果與書中描述的一致就算完成了實(shí)驗(yàn)，而不需要充分理解實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。長此以往，學(xué)生只會被動接受教師的指令，這不利于學(xué)生素質(zhì)和能力的培養(yǎng)。

2）消極對待實(shí)驗(yàn)

由于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)缺乏新意，學(xué)生片面地認(rèn)為實(shí)驗(yàn)做不做都無所謂，只要知道結(jié)果就行了。這種學(xué)習(xí)態(tài)度導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中經(jīng)常出現(xiàn)學(xué)生曠課和遲到等現(xiàn)象。

對待實(shí)驗(yàn)的消極態(tài)度還導(dǎo)致學(xué)生不仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不認(rèn)真思考實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，不積極創(chuàng)新和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法。

3）客觀條件限制

影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的客觀條件包括兩個方面：一是實(shí)驗(yàn)儀器的損壞、實(shí)驗(yàn)場所的不足和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的匱乏，這導(dǎo)致很多實(shí)驗(yàn)被迫取消；二是在有限的課堂時間內(nèi)，學(xué)生既要熟悉各種實(shí)驗(yàn)儀器，又要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，很難有時間分析和思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這也影響著實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果。

2 計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的引入

隨著圖形圖像、網(wǎng)絡(luò)通信和面向?qū)ο蠼５认嚓P(guān)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）越來越受到人們的重視。

為了提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量，調(diào)動學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性，我們在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入計算機(jī)仿真技術(shù)，并利用相關(guān)軟件設(shè)計了仿真實(shí)驗(yàn)平臺。借助該平臺，學(xué)生可以逼真地完成大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課中的各種實(shí)驗(yàn)。

仿真實(shí)驗(yàn)平臺的引入是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效補(bǔ)充。該平臺具有以下兩個方面的優(yōu)勢：1）教師可以提前把實(shí)驗(yàn)要求、目的和步驟等相關(guān)知識發(fā)布在仿真實(shí)驗(yàn)平臺上，把需要使用的實(shí)驗(yàn)儀器、注意事項(xiàng)、預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果等內(nèi)容提前告知學(xué)生，讓學(xué)生對整個實(shí)驗(yàn)過程有一個直觀的認(rèn)識。通過仿真實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生可以重復(fù)做某一虛擬的物理實(shí)驗(yàn)，這大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。2）學(xué)生能很方便地查閱大學(xué)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容，并能長時間地了解相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

虛擬仿真技術(shù)的引入克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的弊端。學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)平臺上的錯誤操作不會造成虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的損壞，也不會造成學(xué)生的人身傷害，這不但避免了真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的安全隱患，而且實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)器材的零損耗，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本。

目前，國內(nèi)許多高校都在研究和開發(fā)仿真實(shí)驗(yàn)平臺，由于各高校的實(shí)際情況、學(xué)生結(jié)構(gòu)等存在差異，仿真實(shí)驗(yàn)平臺也不會完全相同。根據(jù)我校的教學(xué)實(shí)際情況，我們有必要開發(fā)適合我校使用的仿真實(shí)驗(yàn)平臺，這樣才能進(jìn)一步提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量。

3 基于B/S結(jié)構(gòu)的仿真實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計

3.1 總體架構(gòu)

根據(jù)任課教師和學(xué)生提出的教學(xué)建議，我們設(shè)計了適合我校的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺（圖1），并在該仿真實(shí)驗(yàn)平臺上設(shè)定了三個角色：學(xué)生、教師和管理員。

學(xué)生可以通過用戶名和密碼進(jìn)入本系統(tǒng)中的學(xué)生模塊，學(xué)生模塊包括實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)后三部分。在實(shí)驗(yàn)前部分，學(xué)生通過預(yù)習(xí)掌握實(shí)驗(yàn)儀器的使用，并對虛擬實(shí)驗(yàn)做進(jìn)一步的了解，為下一步的虛擬實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備；在實(shí)驗(yàn)部分，教師組織學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)，完成虛擬實(shí)驗(yàn)；在實(shí)驗(yàn)后部分，學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和現(xiàn)象，并填寫實(shí)驗(yàn)報告。

教師可以通過工號和密碼進(jìn)入本系統(tǒng)中的教師模塊，教師模塊包括教學(xué)信息發(fā)布子模塊、實(shí)驗(yàn)資料發(fā)布子模塊、實(shí)驗(yàn)結(jié)果管理子模塊和虛擬實(shí)驗(yàn)管理子模塊。教學(xué)信息發(fā)布子模塊主要用于發(fā)布教學(xué)信息，其作用是提醒學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)資料發(fā)布子模塊主要用于公布大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)大綱、相關(guān)課件和注意事項(xiàng)等內(nèi)容，學(xué)生只能查閱教師發(fā)布后的實(shí)驗(yàn)資料；實(shí)驗(yàn)結(jié)果管理子模塊主要用于教師評定學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)心得和實(shí)驗(yàn)成績；虛擬實(shí)驗(yàn)管理子模塊是本平臺的重要組成部分，也是我們設(shè)計仿真實(shí)驗(yàn)平臺的一項(xiàng)重要內(nèi)容，通過虛擬實(shí)驗(yàn)管理子模塊，教師可以設(shè)置和制作虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

管理員可以設(shè)置實(shí)驗(yàn)人員的權(quán)限，限制實(shí)驗(yàn)人員的數(shù)量，還可以管理新聞公告模塊和互動交流模塊，以更好地為學(xué)校師生服務(wù)。

圖1 大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺總架構(gòu)

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)平臺中實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的制作

為了保證學(xué)生做好仿真實(shí)驗(yàn)，教師需要制作仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所需要的實(shí)驗(yàn)素材主要從以下三個方面得到。

1）仿真實(shí)驗(yàn)平臺中的“實(shí)驗(yàn)儀器”應(yīng)與實(shí)際使用的實(shí)驗(yàn)儀器一致，這些“實(shí)驗(yàn)儀器”的圖像通過照相機(jī)獲得，再經(jīng)過計算機(jī)軟件處理，就可以成為仿真實(shí)驗(yàn)平臺中的“實(shí)驗(yàn)儀器”。如仿真實(shí)驗(yàn)平臺中的滑動變阻器（圖2a）經(jīng)PhotoShop軟件處理，得到了動態(tài)的滑片（圖2c）和靜態(tài)背景（圖2b）。

2）為了實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)中學(xué)生與平臺的交互性，我們增加了動態(tài)元件的響應(yīng)事件。如在FLASH環(huán)境下，我們增加了滑動變阻器滑片的左右移動操作［3］，設(shè)定了移動過程中不同位置所對應(yīng)的電阻值。

3）實(shí)驗(yàn)儀器的三維圖像可以通過3D Max軟件得到，這種圖像能顯示儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，更好地滿足物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。

目前，用于制作仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的軟件還有很多。除了上述軟件外，我們還使用多種技術(shù)手段構(gòu)建了仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的場景，保證了這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在一般的網(wǎng)頁中就能正常運(yùn)行，滿足了學(xué)生課外的學(xué)習(xí)需求。

圖2 滑動變阻器

3.3 仿真實(shí)驗(yàn)平臺的特點(diǎn)

在實(shí)際教學(xué)過程中，我們把仿真實(shí)驗(yàn)平臺安裝在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上。該平臺由于采用的是B/S架構(gòu)，對客戶端的軟、硬件要求較低，學(xué)生和教師通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器就可以訪問該仿真實(shí)驗(yàn)平臺。

雖然大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入的仿真實(shí)驗(yàn)平臺有許多優(yōu)點(diǎn)，但它僅僅是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個有效補(bǔ)充。眾所周知，物理學(xué)中的許多定理和結(jié)論都來源于實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果因受環(huán)境等因素的影響而不會完全相同，這是在仿真實(shí)驗(yàn)平臺上無法實(shí)現(xiàn)的。

在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，學(xué)生能操作實(shí)驗(yàn)儀器，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這與在仿真實(shí)驗(yàn)平臺上移動鼠標(biāo)、觀看畫面不可同日而語。因此，仿真實(shí)驗(yàn)平臺可以幫助學(xué)生做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)［4］，甚至完成虛擬實(shí)驗(yàn)，但卻不能代替真實(shí)的實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)束語

在分析大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，我們設(shè)計了仿真實(shí)驗(yàn)平臺，這不但降低了設(shè)備的購置費(fèi)用，而且提高了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量。

仿真實(shí)驗(yàn)平臺為學(xué)生提供了虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，且不受時間和場地的制約，學(xué)生只要能上網(wǎng)就能通過人機(jī)交互界面學(xué)習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的有關(guān)內(nèi)容，并完成仿真實(shí)驗(yàn)。這對于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力是大有好處的。

［1］ 張林，濮興庭，于莉莉，等.大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐［J］.廣西物理，2012（4）：50-52.

［2］ 裴明旭，劉波.大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用與反思［J］.江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2010（6）：73-76.

［3］ 豐遠(yuǎn).大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程仿真系統(tǒng)的研究和開發(fā)［D］.安徽：合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

［4］ 劉志遠(yuǎn).大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)的定位研究［J］.吉林省教育學(xué)院學(xué)報，2011（11）：133-134.

【責(zé)任編輯 王云鵬】

Teaching Reform of University Physics Experiment Based on the Simulation Technology

WANG Yiqin，LU Cailin
（College of Information Technology and Engineering，Jinzhong University，Jinzhong 030600，China）

According to the present teaching status about university physics experiment course，this study system designed the simulation platform by using the computer virtual simulation technology.Students could complete the preview and review in the simulation platform and conduct virtual experiment.In thisway，the effectof physics experimental course was greatly improved.

physics experiment course；simulation technology；virtual experiments；B/Sarchitecture

TP391.9

A

2095-7726（2015）06-0068-03

2014-10-22

山西省高等學(xué)校教學(xué)改革項(xiàng)目（J2014108）

王溢琴（1980-），女，山西高平人，講師，碩士，研究方向：算法分析、嵌入式技術(shù)和云計算。