王亞芳，蔣 蕓，周惟公，董愛國(guó)，張自力，鄭志遠(yuǎn)

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）數(shù)理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京 100083）

教學(xué)改革

信息化技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中使用效果的研究與思考

王亞芳，蔣 蕓，周惟公，董愛國(guó)，張自力，鄭志遠(yuǎn)

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）數(shù)理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京 100083）

信息化技術(shù)已經(jīng)在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心應(yīng)用了近20年，為了了解這些技術(shù)手段在學(xué)生中的認(rèn)同程度和給他們學(xué)習(xí)帶來的效果，本文針對(duì)部分已經(jīng)充分體驗(yàn)過所有信息化環(huán)節(jié)的學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查.統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示雖然學(xué)生在意識(shí)層面對(duì)信息化技術(shù)具有很高的認(rèn)同點(diǎn)，認(rèn)為對(duì)他們的學(xué)習(xí)有積極的作用，但是在實(shí)際行動(dòng)層面，卻存在很多問題，感覺有困難，不適應(yīng)等，針對(duì)這些問題本文最后給出了建議.

信息技術(shù)；大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；調(diào)查問卷；教學(xué)環(huán)節(jié)

大力推進(jìn)信息技術(shù)在教學(xué)過程中的普遍應(yīng)用，促進(jìn)信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合，充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境和有力的學(xué)習(xí)工具，這是教育研究和探索的熱點(diǎn)［1，2］.英國(guó)的所有高等學(xué)校早在1989年就開始實(shí)施“計(jì)算機(jī)用于教學(xué)創(chuàng)新”（Computers in Teaching Initiative，簡(jiǎn)稱CTI）的龐大計(jì)劃.這個(gè)計(jì)劃的目標(biāo)就將信息技術(shù)與教育有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)高等教育的全面變革，包括教學(xué)模式、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)結(jié)構(gòu).至今，已有24門學(xué)科不同程度地實(shí)現(xiàn)了這種變革，影響頗深［3］.1993年，美國(guó)政府提出以發(fā)展網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用為核心，推行基于信息技術(shù)的教育改革，改革現(xiàn)行的教育體系，他們認(rèn)為這項(xiàng)改革應(yīng)該成為21世紀(jì)政府的主要工作，屬于“國(guó)家信息基礎(chǔ)建設(shè)”［4］.目前，信息技術(shù)已經(jīng)被逐步應(yīng)用在高等教育中，包括多媒體輔助教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)選課、遠(yuǎn)程控制儀器、在線交流、MOOC等各個(gè)方面.

隨著信息技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的不斷發(fā)展，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)也成為信息技術(shù)延伸的一部分.在這一領(lǐng)域，我們國(guó)家的教育工作者一直在做著不懈的努力，中國(guó)科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心聯(lián)合奧瑞公司［5］、長(zhǎng)春大學(xué)［6］、上海交通大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心、同濟(jì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心等幾所學(xué)校的物理實(shí)驗(yàn)中心都在開發(fā)和使用仿真軟件，最早的嘗試是1995年已經(jīng)開始應(yīng)用于教學(xué)的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)貫穿整個(gè)教學(xué)鏈，包括預(yù)習(xí)、操作、復(fù)習(xí)和考核環(huán)節(jié).

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心早在1995年就開始使用中國(guó)科技大學(xué)開發(fā)的物理實(shí)驗(yàn)仿真軟件，根據(jù)我們中心開設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，主要使用的仿真實(shí)驗(yàn)題目有：動(dòng)態(tài)法測(cè)楊氏模量、分光計(jì)調(diào)節(jié)、聲速測(cè)量、邁克爾孫干涉儀等.在這20年間，我們中心做了很多的嘗試和改革，試圖將信息技術(shù)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全過程.比如我們中心率先建立中心網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)課的全校網(wǎng)絡(luò)選課，實(shí)驗(yàn)課件和預(yù)習(xí)資料的網(wǎng)絡(luò)化，以及課堂仿真實(shí)驗(yàn)操作，課程考核和測(cè)試［7-9］.這些改革舉措對(duì)于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和成績(jī)提高有明顯的促進(jìn)作用［10］，我們實(shí)驗(yàn)中心多次召開“物理實(shí)驗(yàn)信息技術(shù)教學(xué)研討會(huì)”，將我們的經(jīng)驗(yàn)和成果向北京及周邊各高校進(jìn)行輻射，起到示范的作用.

為了更好的了解學(xué)生對(duì)仿真軟件的接受程度和實(shí)際效果，仿真實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理課程各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的使用情況，我們對(duì)部分已經(jīng)使用過仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)學(xué)習(xí)和考核的2013級(jí)理工科學(xué)生做了問卷調(diào)查.根據(jù)這些問卷的結(jié)果，本文對(duì)我們實(shí)驗(yàn)中心這些年來使用仿真系統(tǒng)的收獲和目前存在的問題進(jìn)行了分析和討論.

1 調(diào)查問卷結(jié)果

這次調(diào)查針對(duì)大二已經(jīng)經(jīng)歷過所有信息化環(huán)節(jié)的學(xué)生，問卷調(diào)查共發(fā)放了220份調(diào)查表，回收有效問卷為214，回收率為97.3%.調(diào)查問卷中涉及關(guān)于信息技術(shù)和仿真實(shí)驗(yàn)的題目有9個(gè)，部分題目是多項(xiàng)選擇題，具體的題目和統(tǒng)計(jì)結(jié)果將在下文給出.

問題1 預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)對(duì)于實(shí)驗(yàn)課的重要性.問卷給出的選項(xiàng)有：A.非常重要，充分的預(yù)習(xí)決定實(shí)驗(yàn)的成敗；B.重要，預(yù)習(xí)能夠讓學(xué)生帶著問題上課；C.不重要，抄份報(bào)告，上課聽老師講講就行，得到的反饋結(jié)果如圖1所示.

圖1 預(yù)習(xí)重要性（問題1）的調(diào)查結(jié)果

問題2 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)采取哪種方式比較好？問卷給出的選項(xiàng)有：A.抄實(shí)驗(yàn)講義的全部?jī)?nèi)容；B.理解原理和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，什么都不寫；C.簡(jiǎn)單寫實(shí)驗(yàn)原理，草擬數(shù)據(jù)記錄表格；D.到開放實(shí)驗(yàn)室，面對(duì)真實(shí)儀器，進(jìn)行操作預(yù)習(xí)；E.使用計(jì)算機(jī)，進(jìn)行仿真預(yù)習(xí)；F.其他方式.該題目的調(diào)查結(jié)果如圖2所示.

圖2 預(yù)習(xí)方式（問題2）的調(diào)查結(jié)果

問題3什么形式的預(yù)習(xí)資料，對(duì)你進(jìn)行實(shí)驗(yàn)最有幫助？具體的選項(xiàng)有：A.文字；B.圖片；C.視頻；D.實(shí)物；E.仿真實(shí)驗(yàn)；F.其他.該題目的結(jié)果如圖3所示.

問題4 如果將預(yù)習(xí)資料放在網(wǎng)上，你會(huì)主動(dòng)瀏覽嗎？給出的選項(xiàng)有：A.會(huì)；B.偶爾會(huì)；C.不會(huì).具體結(jié)果如圖4所示.

問題5 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)（與傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)相比），在以下哪個(gè)方面要求更高？A.對(duì)原理的理解；

圖3 預(yù)習(xí)資料（問題3）的調(diào)查結(jié)果

圖4 上網(wǎng)預(yù)習(xí)意愿（問題4）調(diào)查結(jié)果

B.對(duì)儀器的了解程度；C.具體操作步驟；D數(shù)據(jù)處理；E.其他.具體的調(diào)查結(jié)果如圖5所示.

圖5 和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比要求（問題5）調(diào)查結(jié)果

問題6 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)（與傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)相比），是否有困難？具體的選項(xiàng)有：A.和實(shí)物實(shí)驗(yàn)一樣，沒有增加困難；B.有困難，流程不熟，不知道如何操作；C.有困難，對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)沒興趣；D.有困難，感覺自己的知識(shí)儲(chǔ)備不夠；E.有其他困難，請(qǐng)寫出；F.比實(shí)物實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單，請(qǐng)具體寫出.本題的結(jié)果如圖6所示.

問題7 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)（與傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)相比），有那些創(chuàng)新？具體的選項(xiàng)有：A.人機(jī)交互的形式；B.涉及的知識(shí)面廣；C.更有趣味性；D.側(cè)重考察對(duì)理論知識(shí)的掌握；E.其他；學(xué)生對(duì)該問題的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示.

圖6 和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比是否困難（問題6）調(diào)查結(jié)果

圖7 和傳統(tǒng)相比創(chuàng)新點(diǎn)（問題7）調(diào)查結(jié)果

問題8 仿真實(shí)驗(yàn)后即可看到實(shí)驗(yàn)成績(jī)和評(píng)判，是否對(duì)你的學(xué)習(xí)更有促進(jìn)作用？具體的選項(xiàng)有：A.很有作用，明確操作中失分的原因，下次會(huì)改正；B.有一些作用，了解一下操作情況比較好；C.沒有作用，看不看，效果都一樣.具體數(shù)據(jù)如圖8所示.

圖8 考試系統(tǒng)的作用（問題8）調(diào)查結(jié)果

問題9 通過仿真實(shí)驗(yàn)提高了什么能力？具體的選項(xiàng)有：A.自主學(xué)習(xí)能力；B.動(dòng)手能力；C.抽象思維能力；D.創(chuàng)新能力；E.其他能力，請(qǐng)寫出.具體的數(shù)據(jù)如圖9所示.

圖9 仿真系統(tǒng)對(duì)學(xué)生能力提高（問題9）的調(diào)查結(jié)果

2 分析和討論

通過上面的調(diào)查結(jié)果我們可以看到：總體來說，學(xué)生對(duì)信息化的仿真實(shí)驗(yàn)比較認(rèn)同，但是有些方面是和我們的使用仿真實(shí)驗(yàn)的初衷不完全相同的.下面我們就針對(duì)這些問題一一進(jìn)行分析和討論.

2.1 重視預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，認(rèn)同信息化的預(yù)習(xí)材料，但是

更習(xí)慣書面預(yù)習(xí)報(bào)告

首先，從調(diào)查的結(jié)果可以看到，學(xué)生認(rèn)為預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)是非常重要的，題目1表明93%的受訪學(xué)生對(duì)這一點(diǎn)很認(rèn)同，而且從預(yù)習(xí)的方式來看，學(xué)生對(duì)信息化的預(yù)習(xí)材料認(rèn)可度也比較高，比如實(shí)驗(yàn)錄像視頻是43.46%、仿真實(shí)驗(yàn)是37.85%，和實(shí)物預(yù)習(xí)的38.32%相比很接近（圖3）.同時(shí)，對(duì)網(wǎng)上給出的這些信息化的預(yù)習(xí)材料，學(xué)生提前觀看學(xué)習(xí)的意愿也是很強(qiáng)烈的，題目4的結(jié)果表明約92%的學(xué)生都愿意學(xué)習(xí)這些預(yù)習(xí)材料.

然而，從題目2的調(diào)查結(jié)果我們看到，雖然在意愿上學(xué)生是認(rèn)同信息化的預(yù)習(xí)材料的，但是在行動(dòng)上，更多的學(xué)生習(xí)慣于原有的模式，包括書寫預(yù)習(xí)報(bào)告（57.01%）和實(shí)物預(yù)習(xí)（34.11%），如圖2所示.

這些看似矛盾的結(jié)果卻真實(shí)的反映了目前在推廣信息化在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)問題，就是在意識(shí)上大家覺得是有益的，但是在具體行動(dòng)的時(shí)候由于習(xí)慣原來的模式，往往愿意，甚至排斥改變.這樣的情形可能不僅限于學(xué)生，在教師的層面可能存在著同樣的問題.

既然學(xué)生對(duì)于信息化的預(yù)習(xí)資料是認(rèn)同的，只是因?yàn)榱?xí)慣而更愿意選擇原有的模式，針對(duì)這種情況，我們認(rèn)為可以通過對(duì)原有預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的改革來推動(dòng)這一環(huán)節(jié)，例如要求學(xué)生在上實(shí)驗(yàn)課之前要瀏覽網(wǎng)上預(yù)習(xí)資料，進(jìn)行預(yù)習(xí)考核通過后才可以選擇該內(nèi)容實(shí)驗(yàn)，或者需要有網(wǎng)上學(xué)習(xí)的記錄，并學(xué)習(xí)夠一定時(shí)間，通過考核，作為他們的預(yù)習(xí)成績(jī).相信這樣的規(guī)定就可以很快改變學(xué)生對(duì)這一環(huán)節(jié)的的適應(yīng)程度.

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)是有積極效果的，但也存在一些問題

從調(diào)查的結(jié)果來看，做過仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)生對(duì)于仿真實(shí)驗(yàn)還是有很高的認(rèn)可度的，具體來說，問題7的結(jié)果表明：相對(duì)于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，54.21%的受訪者認(rèn)為仿真實(shí)驗(yàn)更有趣味性，41.59%的學(xué)生喜歡人機(jī)交互的形式.另外，仿真考試結(jié)束后可以給出錯(cuò)的地方和具體原因這一特點(diǎn)也為學(xué)生所認(rèn)同（如圖8），51.07%的同學(xué)認(rèn)為很有作用.而平常實(shí)驗(yàn)，通常需要較長(zhǎng)時(shí)間才能得到上一次實(shí)驗(yàn)的反饋.在關(guān)于仿真實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的能力方面，問題9表明有64.49%的學(xué)生認(rèn)為仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚺囵B(yǎng)抽象思維能力.

但是，在問卷調(diào)查的過程中，也反映出了很多仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)目前存在的一些問題，比如很多同學(xué)都覺得對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的不適應(yīng)，感覺有難度，40.65%的同學(xué)覺得很困難，流程不熟，不知道如何操作，而只有26.64%同學(xué)覺得和實(shí)物實(shí)驗(yàn)一樣，沒有困難，如圖6所示；而且問題5表明，和實(shí)物實(shí)驗(yàn)相比較，學(xué)生認(rèn)為仿真實(shí)驗(yàn)在很多方面對(duì)自己的要求更高，47.20%的學(xué)生認(rèn)為對(duì)原理的理解更高，45.79%的學(xué)生認(rèn)為對(duì)儀器的了解程度要求更高，40.65%的學(xué)生認(rèn)為對(duì)具體操作步驟的要求高.這其實(shí)和問題5的結(jié)果是一致的，他們認(rèn)為要求高通常意味著在這方面接觸起來是有困難的.

問卷顯示，雖然仿真實(shí)驗(yàn)確實(shí)可以起到非常積極的作用，但是目前也存在一定的困難.仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)歷時(shí)20年的發(fā)展，有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是離實(shí)現(xiàn)和實(shí)物的無縫連接還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠.首先，和實(shí)物相比仿真度不夠，只能提供和實(shí)驗(yàn)相關(guān)的功能；另外，由于不能實(shí)現(xiàn)模塊化，不能根據(jù)學(xué)校使用的儀器型號(hào)進(jìn)行組裝，和真實(shí)實(shí)驗(yàn)相比有很大差距；此外，不能像真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣允許錯(cuò)誤操作.所以，學(xué)生在操作過程中難免會(huì)有不適應(yīng)和感覺困難的問題.針對(duì)這一問題，我們學(xué)校已經(jīng)在研發(fā)和具體開設(shè)實(shí)驗(yàn)相配套的高仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，雖然仍然不能解決允許錯(cuò)誤操作等功能，但是由于和真實(shí)的實(shí)驗(yàn)具有非常高的仿真度，能夠在很大程度上幫助學(xué)生解決預(yù)習(xí)不見實(shí)物，操作不熟練的問題.另外，我們也必須承認(rèn)，仿真實(shí)驗(yàn)的存在并不是要替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，而是作為一種輔助手段，是以方便和加深學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)為目的.

3 結(jié)論

信息化的教學(xué)系統(tǒng)（網(wǎng)上選課、課件視頻預(yù)習(xí)、仿真實(shí)驗(yàn)）已經(jīng)在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）使用了近20年，本文通過調(diào)查問卷的形式，對(duì)信息化系統(tǒng)的教學(xué)效果進(jìn)行了研究，并對(duì)問卷所反映出的問題進(jìn)行了討論.調(diào)查問卷的結(jié)果表明，雖然在意識(shí)層面，學(xué)生對(duì)信息化的預(yù)習(xí)手段有很高的認(rèn)同度，但是在行動(dòng)層面，學(xué)生還是更習(xí)慣于原有的模式.另外，對(duì)于仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的促進(jìn)作用是肯定的，但是由于它開發(fā)的難點(diǎn)，讓學(xué)生在操作的時(shí)候覺得是有困難的.這些結(jié)果對(duì)我們正確認(rèn)識(shí)仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果是非常有意義的，針對(duì)這些問題，我們也提出了一些建議和以后改革嘗試的方向.

［1］John Case F.Information technology，the change process，and customer service in higher education administrative services［M］.Philadelphia：TheUniversityof Pennsylvania，2003：1-14.

［2］Snarski，Rebecca D.Teaching self-directed learning theory to enhance online course satisfaction：Preparing graduate level information technology students［M］.Minneapolis：Capella University，2008：18-31.

［3］Browne E.Conversations in cyberspace：A study of online learning［J］.Open Learning，2003，18（3）：245-259.

［4］吳啟迪.落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀加強(qiáng)教學(xué)研究切實(shí)提高教育教學(xué)質(zhì)量［J］.中國(guó)大學(xué)教育，2007，（7）：4-7.

［5］王曉蒲，霍劍青.大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)2.0 For Windows［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［6］楊強(qiáng)，金貞姬.構(gòu)建我校大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的研究［J］.長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，17（08）：87-88.

［7］王亞芳，蔣蕓，劉永剛，等.強(qiáng)化大面積學(xué)生實(shí)踐能力考核的探索和實(shí)踐［J］.物理與工程，2010，20（4）：9-11.

［8］王亞芳，蔣蕓，李永剛，等.實(shí)驗(yàn)物理考核方式的改革和創(chuàng)新［J］.高等理科教育，2010，?？?17-218.

［9］王亞芳，周惟公，蔣蕓，等.仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)中的廣泛應(yīng)用［J］.物理與工程，2012，22（2）：48-50.

［10］蔣蕓，周惟公，王亞芳.實(shí)驗(yàn)物理考試與自動(dòng)判卷系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（10）：282-284.

Application of Feedback in simulation system of experimental physics teaching

WANG Ya-fang，JIANG Yun，ZHOU Wei-gong，DONG Ai-guo，ZHANG Zi-li，ZHENG Zhi-yuan
（The Teaching Center of Experimental Physics，School of Science，China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

Simulation technique has been widely used in the teaching center of experimental physics，China U-niversity of Geosciences，Beijing for almost 20 years.In order to figure out how the students think about this technique and how much it has positive effect on their learning，we have handed out the questionnaires to the students who have gone through the whole line of the simulation system.The result shows that the students are not really used to the system although they are aware and agree that the simulation system is good for them.In the last part of the paper，the useful suggestions are proposed.

information technology；experimental physics；questionnaire；teaching chains

O 4-39

A

1000-0712（2016）05-0037-04

“全國(guó)高等學(xué)校電磁學(xué)研討會(huì)第四屆常務(wù)理事會(huì)教學(xué)研討暨工作會(huì)議”推薦文章

2015-11-18；

2015-12-17

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）教學(xué)研究和改革項(xiàng)目（JGYB201322）資助

王亞芳（1980—），女，寧夏隆德人，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)副教授，博士，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，研究方向?yàn)楣腆w熱釋光分析.