虛實(shí)結(jié)合下大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究

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【摘要】針對(duì)高校大學(xué)物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在的問題，提出虛實(shí)結(jié)合的大學(xué)物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。通過理論授課、虛擬實(shí)驗(yàn)、硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)三位一體化的教學(xué)模式，激活學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。實(shí)踐表明，該模式對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力是有效的。

【關(guān)鍵詞】仿真實(shí)驗(yàn)；虛實(shí)結(jié)合；創(chuàng)新能力；大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是高校理工科專業(yè)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本訓(xùn)練的必修通識(shí)課程，對(duì)培養(yǎng)大學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維與創(chuàng)新實(shí)踐能力有非常重要的作用。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于受到辦學(xué)資金、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、教學(xué)模式等條件限制，存在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊、實(shí)驗(yàn)儀器落后且臺(tái)套數(shù)偏少等弊端，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力[1-3]。韶關(guān)學(xué)院是地處廣東粵北山區(qū)的地方應(yīng)用型本科高等院校，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心每年要承擔(dān)3000多名本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，同樣面臨實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式落后等難題。為解決大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的問題，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性，培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型、創(chuàng)新型理工科人才，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理模式、內(nèi)容體系以及教學(xué)模式等方面進(jìn)行教學(xué)改革，取得了較好的教學(xué)實(shí)踐效果。

1基于互聯(lián)網(wǎng)的開放式現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理

為適應(yīng)開放型的現(xiàn)代教學(xué)理念，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心引進(jìn)了基于互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)由服務(wù)器、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和客戶終端三部分組成。服務(wù)器運(yùn)行教學(xué)管理模塊，包含學(xué)生選課、學(xué)生以及教師課程管理等模塊，實(shí)現(xiàn)了課程管理、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)仿真、作業(yè)提交等在線應(yīng)用功能?？蛻艚K端由計(jì)算機(jī)或者智能手機(jī)構(gòu)成，通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器連接。開放式的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理模式有利于合理、高效利用現(xiàn)有的教學(xué)設(shè)備資源[4]。隨著計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)和高速寬帶網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的改善將越來越明顯。開放式網(wǎng)絡(luò)化管理的教學(xué)模式，為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在線虛擬仿真提供了良好應(yīng)用平臺(tái)。

2按專業(yè)發(fā)展需求的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體制

韶關(guān)學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心包含電磁學(xué)、熱力學(xué)和光學(xué)三個(gè)實(shí)驗(yàn)分室，可開出基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)29個(gè)，綜合性實(shí)驗(yàn)17個(gè)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)5個(gè)。各個(gè)專業(yè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課時(shí)普遍只有32學(xué)時(shí)，學(xué)生無法參與所有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)習(xí)。因此，我們根據(jù)專業(yè)特色需求，結(jié)合大學(xué)物理理論教學(xué)的內(nèi)容，提出了以專業(yè)發(fā)展需求為準(zhǔn)則的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系。在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)下，根據(jù)專業(yè)方向，合理劃分基礎(chǔ)驗(yàn)證性、綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比重以及力、熱、光實(shí)驗(yàn)課時(shí)劃分的比重，確定各個(gè)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容[5]。首先，各個(gè)專業(yè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)類別包含實(shí)驗(yàn)理論、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)四個(gè)類別。其次，根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)，將大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K分為物理類、電子信息類、機(jī)械類、農(nóng)林類和化工類五個(gè)教學(xué)模塊，各個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)由專業(yè)發(fā)展需求為基準(zhǔn)。以電子信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊為例，實(shí)驗(yàn)理論課時(shí)為6課時(shí)，驗(yàn)證性的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為16學(xué)時(shí)，綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)各4個(gè)學(xué)時(shí)?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)側(cè)重于大學(xué)物理力、熱、光、電和磁方向基本實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，綜合性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，主要側(cè)重在電磁學(xué)與光學(xué)方向的專題，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣進(jìn)行選擇，為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)打下基礎(chǔ)。

3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

虛擬儀器是上世紀(jì)九十年代初出現(xiàn)的新型儀器類型，是將傳統(tǒng)的儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)進(jìn)行深層次結(jié)合而發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。也是仿真實(shí)實(shí)驗(yàn)的核心技術(shù)。近年來，國(guó)家對(duì)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)也越來越重視，通過國(guó)家級(jí)、省級(jí)和校級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，引導(dǎo)高校各個(gè)專業(yè)加強(qiáng)虛擬仿真與硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)的聯(lián)系。韶關(guān)學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，在教學(xué)中引入了中國(guó)科技大學(xué)研發(fā)的大學(xué)物理虛擬仿真軟件平臺(tái)，對(duì)大學(xué)物理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行虛擬仿真[6,7]。例如電學(xué)實(shí)驗(yàn)，在虛擬仿真平臺(tái)下，學(xué)生不但可以完成電學(xué)所有實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目的仿真，也可以仿真平臺(tái)上，學(xué)習(xí)常用的電學(xué)儀器及儀表操作應(yīng)用。這對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、儀器儀表落后的地方高校來說，是非常有利的。學(xué)生可以在仿真平臺(tái)上，預(yù)習(xí)或者復(fù)習(xí)電學(xué)實(shí)驗(yàn)操作，分析實(shí)驗(yàn)效果，無需擔(dān)心傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足且操作不當(dāng)容易損壞儀器的問題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生可以隨時(shí)隨地使用計(jì)算機(jī)參與實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。虛擬仿真平臺(tái)的應(yīng)用，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高專業(yè)實(shí)踐操作能力。

4虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)體系

將虛擬仿真教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合，建立“理論授課-虛擬實(shí)驗(yàn)-硬件實(shí)驗(yàn)”教學(xué)三位一體化的大學(xué)物理教學(xué)體系，將動(dòng)畫演示實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)物實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)納入到大學(xué)物理課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)課程改革的主流[8]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心教學(xué)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。對(duì)于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，我們以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)了硬件實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)理論有機(jī)結(jié)合。學(xué)生掌握了大學(xué)物理基本的實(shí)驗(yàn)操作方式和仿真軟件應(yīng)用后，進(jìn)入綜合性或者設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。在完成初步設(shè)計(jì)方案后，先進(jìn)行軟件仿真，驗(yàn)證分析設(shè)計(jì)方案正確性，修改方案設(shè)計(jì)中的原理性錯(cuò)誤，然后再進(jìn)行硬件組裝調(diào)試。虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式和形象生動(dòng)的動(dòng)態(tài)效果，有利于理解實(shí)驗(yàn)原理，減少硬件損耗，降低硬件測(cè)試的時(shí)間。同時(shí)，也可以充分發(fā)揮軟件仿真的優(yōu)勢(shì)，使得實(shí)驗(yàn)方案有效性的驗(yàn)證，不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制，縮短實(shí)驗(yàn)周期，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果。

5結(jié)語

虛實(shí)結(jié)合的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式經(jīng)過近3年的實(shí)踐與探索，取得了一定的成果。近幾年，我校理工科學(xué)生參加各種專業(yè)技能競(jìng)賽成績(jī)顯著。以物理學(xué)、電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)為例，近三年來，學(xué)生獲得大學(xué)生物理教學(xué)技能競(jìng)賽國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)14項(xiàng)，教學(xué)儀器競(jìng)賽國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)4項(xiàng)，大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)7項(xiàng)，大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽省級(jí)以上獎(jiǎng)項(xiàng)40多項(xiàng)。學(xué)生科研項(xiàng)目方面，獲得國(guó)家級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目1項(xiàng)，省級(jí)項(xiàng)目6項(xiàng)，校級(jí)項(xiàng)目16項(xiàng)，學(xué)生科研經(jīng)費(fèi)累積超過12萬元。雖然我們?cè)趯?shí)踐教學(xué)中，取得了一定的成績(jī)。但也發(fā)現(xiàn)一些問題，比如，虛擬仿真教學(xué)資源還不夠完善，創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量不足。在今后的教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加大虛擬仿真教學(xué)資源的自主開發(fā)，加強(qiáng)虛擬實(shí)驗(yàn)與硬件實(shí)驗(yàn)的聯(lián)系，為培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新應(yīng)用型人才提供良好學(xué)習(xí)平臺(tái)。

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作者:張德錢 張玉芹 鄭春龍 單位:韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院