基于仿真技术的大学物理实验教学改革

王溢琴，芦彩林

（晋中学院信息技术与工程学院，山西晋中030600）

基于仿真技术的大学物理实验教学改革

王溢琴，芦彩林

（晋中学院信息技术与工程学院，山西晋中030600）

分析了大学物理实验的教学现状，引入了计算机仿真技术，设计了仿真实验平台。学生可以在该仿真平台上完成实验的预习和复习，并进行虚拟实验，改善了大学物理实验的教学效果。

物理实验课程；仿真技术；虚拟实验；B/S架构

大学物理实验是本科院校理工类学生必须学习的一门基础课［1］，开设该课程的目的是培养学生的理论分析能力和实践动手能力。在实际教学过程中，由于客观条件和教学时间的限制，学生很难正确掌握实验方法和实验步骤，在实验中往往盲目操作，得到的实验结果与书中给出的结果大相径庭。为了改变大学物理实验的教学现状，一些高校把基于计算机仿真技术的仿真物理实验［2］引入课堂教学，弥补了传统实验教学的不足，取得了一些显著效果。在教学实践中，我们借助计算机仿真技术设计了基于B/S结构的仿真实验平台，并通过该平台提高了大学物理实验的教学质量，调动了学生做实验的积极性，帮助学生巩固了所学的物理实验知识。

1 物理实验课程的教学现状

根据近年的教学实际情况，我们发现我校的大学物理实验的教学存在以下三个方面的问题。

1）缺乏教学手段

在实验前，教师通过灌输式教学法把实验内容介绍给学生，学生只需做好笔记，写好操作步骤和预期结果就算完成了教学任务。在实验中，指导老师通常事先安排好实验仪器，学生只需按照书中描述的方法和步骤进行操作，只要结果与书中描述的一致就算完成了实验，而不需要充分理解实验过程和实验现象。长此以往，学生只会被动接受教师的指令，这不利于学生素质和能力的培养。

2）消极对待实验

由于大学物理实验的教学缺乏新意，学生片面地认为实验做不做都无所谓，只要知道结果就行了。这种学习态度导致了实验教学中经常出现学生旷课和迟到等现象。

对待实验的消极态度还导致学生不仔细观察实验现象，不认真思考实验中出现的问题，不积极创新和改进实验方法。

3）客观条件限制

影响实验教学效果的客观条件包括两个方面：一是实验仪器的损坏、实验场所的不足和实验经费的匮乏，这导致很多实验被迫取消；二是在有限的课堂时间内，学生既要熟悉各种实验仪器，又要进行实验操作，很难有时间分析和思考实验现象，这也影响着实验课的教学效果。

2 计算机虚拟仿真技术的引入

随着图形图像、网络通信和面向对象建模等相关技术的发展，计算机辅助教学（CAI）越来越受到人们的重视。

为了提高大学物理实验的教学质量，调动学生做实验的积极性，我们在大学物理实验教学中引入计算机仿真技术，并利用相关软件设计了仿真实验平台。借助该平台，学生可以逼真地完成大学物理实验课中的各种实验。

仿真实验平台的引入是传统实验教学的有效补充。该平台具有以下两个方面的优势：1）教师可以提前把实验要求、目的和步骤等相关知识发布在仿真实验平台上，把需要使用的实验仪器、注意事项、预期实验结果等内容提前告知学生，让学生对整个实验过程有一个直观的认识。通过仿真实验平台，学生可以重复做某一虚拟的物理实验，这大大提高了实验教学的效率。2）学生能很方便地查阅大学物理学实验的相关内容，并能长时间地了解相关实验项目。

虚拟仿真技术的引入克服了传统实验教学中存在的弊端。学生在仿真实验平台上的错误操作不会造成虚拟实验仪器的损坏，也不会造成学生的人身伤害，这不但避免了真实实验中的安全隐患，而且实现了实验器材的零损耗，节省了实验成本。

目前，国内许多高校都在研究和开发仿真实验平台，由于各高校的实际情况、学生结构等存在差异，仿真实验平台也不会完全相同。根据我校的教学实际情况，我们有必要开发适合我校使用的仿真实验平台，这样才能进一步提高大学物理实验的教学质量。

3 基于B/S结构的仿真实验平台设计

3.1 总体架构

根据任课教师和学生提出的教学建议，我们设计了适合我校的大学物理仿真实验平台（图1），并在该仿真实验平台上设定了三个角色：学生、教师和管理员。

学生可以通过用户名和密码进入本系统中的学生模块，学生模块包括实验前、实验和实验后三部分。在实验前部分，学生通过预习掌握实验仪器的使用，并对虚拟实验做进一步的了解，为下一步的虚拟实验做准备；在实验部分，教师组织学生在规定的时间内，完成虚拟实验；在实验后部分，学生分析实验的结果和现象，并填写实验报告。

教师可以通过工号和密码进入本系统中的教师模块，教师模块包括教学信息发布子模块、实验资料发布子模块、实验结果管理子模块和虚拟实验管理子模块。教学信息发布子模块主要用于发布教学信息，其作用是提醒学生学习相关的教学内容；实验资料发布子模块主要用于公布大学物理实验的教学大纲、相关课件和注意事项等内容，学生只能查阅教师发布后的实验资料；实验结果管理子模块主要用于教师评定学生的实验结果、实验心得和实验成绩；虚拟实验管理子模块是本平台的重要组成部分，也是我们设计仿真实验平台的一项重要内容，通过虚拟实验管理子模块，教师可以设置和制作虚拟实验项目。

管理员可以设置实验人员的权限，限制实验人员的数量，还可以管理新闻公告模块和互动交流模块，以更好地为学校师生服务。

图1 大学物理仿真实验平台总架构

3.2 仿真实验平台中实验项目的制作

为了保证学生做好仿真实验，教师需要制作仿真实验项目，所需要的实验素材主要从以下三个方面得到。

1）仿真实验平台中的“实验仪器”应与实际使用的实验仪器一致，这些“实验仪器”的图像通过照相机获得，再经过计算机软件处理，就可以成为仿真实验平台中的“实验仪器”。如仿真实验平台中的滑动变阻器（图2a）经PhotoShop软件处理，得到了动态的滑片（图2c）和静态背景（图2b）。

2）为了实现仿真实验中学生与平台的交互性，我们增加了动态元件的响应事件。如在FLASH环境下，我们增加了滑动变阻器滑片的左右移动操作［3］，设定了移动过程中不同位置所对应的电阻值。

3）实验仪器的三维图像可以通过3D Max软件得到，这种图像能显示仪器的内部结构，更好地满足物理实验教学的需求。

目前，用于制作仿真实验项目的软件还有很多。除了上述软件外，我们还使用多种技术手段构建了仿真实验项目的场景，保证了这些实验项目在一般的网页中就能正常运行，满足了学生课外的学习需求。

图2 滑动变阻器

3.3 仿真实验平台的特点

在实际教学过程中，我们把仿真实验平台安装在网络服务器上。该平台由于采用的是B/S架构，对客户端的软、硬件要求较低，学生和教师通过网络浏览器就可以访问该仿真实验平台。

虽然大学物理实验教学中引入的仿真实验平台有许多优点，但它仅仅是物理实验教学的一个有效补充。众所周知，物理学中的许多定理和结论都来源于实验，而实验结果因受环境等因素的影响而不会完全相同，这是在仿真实验平台上无法实现的。

在真实的实验环境中，学生能操作实验仪器，观察实验现象，这与在仿真实验平台上移动鼠标、观看画面不可同日而语。因此，仿真实验平台可以帮助学生做好实验预习和课后复习［4］，甚至完成虚拟实验，但却不能代替真实的实验。

4 结束语

在分析大学物理实验教学现状的基础上，我们设计了仿真实验平台，这不但降低了设备的购置费用，而且提高了大学物理实验的教学质量。

仿真实验平台为学生提供了虚拟的实验环境，且不受时间和场地的制约，学生只要能上网就能通过人机交互界面学习大学物理实验的有关内容，并完成仿真实验。这对于提高学生的学习兴趣，培养学生的创新精神和实践能力是大有好处的。

［1］ 张林，濮兴庭，于莉莉，等.大学物理仿真实验教学的探索与实践［J］.广西物理，2012（4）：50-52.

［2］ 裴明旭，刘波.大学物理仿真实验的应用与反思［J］.江苏技术师范学院学报，2010（6）：73-76.

［3］ 丰远.大学物理实验课程仿真系统的研究和开发［D］.安徽：合肥工业大学，2010.

［4］ 刘志远.大学物理仿真实验的定位研究［J］.吉林省教育学院学报，2011（11）：133-134.

【责任编辑 王云鹏】

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

山西省高等学校教学改革项目（J2014108）

王溢琴（1980-），女，山西高平人，讲师，硕士，研究方向：算法分析、嵌入式技术和云计算。