物理教学仿真实验推广应用

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1引言

仿真实验利用计算机软件把实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地融合起来，能够模拟实验室环境和物理现象，为学生提供直观的学习环境，并以声音、图像等丰富的表现力帮助学生进行多感官的学习，增强学生的学习兴趣，激发学生的学习热情和创造力．仿真实验能够实时显示测量结果，并能提供多种实验方法和设计平台，有利于培养学生的设计思考能力和比较判断能力，可以达到操作实验难以实现的效果［1］．随着教学改革的不断深入，仿真实验被应用到很多高校的物理实验教学当中［2～5］．早于1999年，中国地质大学（北京）实验物理中心（以下简称“中心”）就引进了仿真实验教学软件，并且面向全校理工科大二学生开设仿真实验，将其作为“中心”开放式教学平台的一个重要组成部分，近年来，“中心”又尝试将仿真实验应用于物理实验课程的考核中．本文将介绍仿真实验在我们“中心”实验物理课程教学中的应用以及“中心”在教学过程中取得的实践经验．

2仿真实验在实验物理教学中的应用

中国地质大学（北京）实验物理教学中心自2005年成立以来，一直坚持“以学生为本”的改革思路，树立了“能力与素质协调发展，实践与创新全面提高”的教学理念，并形成了自主开放的物理实验教学体系．其中，仿真实验既是“中心”实验物理教学的重要组成部分，同时也是“中心”进行开放式教学以及考核方式改革的一个重要途径［6，7］．

2．1实验教学

“中心”使用的仿真实验系统是由中国科学技术大学开发设计的软件［8］，该软件可以提供从力学、热学、电学、光学、近代物理实验等内容丰富的实验题目，学生也可以根据实验要求自己搭建实验平台进行探索实验．我们通过实践教学发现仿真实验可以解决很多操作实验不能解决的问题，是实验物理教学有益的补充．仿真实验可以解决学生在实验教学中的“黑匣子”困惑．在实验物理教学中，由于有些实验题目涉及精密仪器，学生只能看到仪器的外观，对于内部构造的了解只能通过老师的讲述或者图片来实现，很容易给学生造成“黑匣子”困惑．仿真实验就可以解决这一问题，通过仿真平台能够让学生很直观地看到仪器的组成部件，让他们更加了解仪器的内部结构，激发他们的学习兴趣；仿真实验应用于实验教学的另一个优点在于它不会造成实验仪器的损坏，因此能够鼓励学生进行大胆实践，反复调试，从而有利于学生深入理解实验原理，进行探索性研究．另外，仿真实验由于不受仪器的限制，比较容易更新实验题目，这样就有利于学生接触学科前沿，开阔视野．通过我们这几年的教学，发现很多学生对于仿真实验表现出很浓烈的兴趣，课后反应非常好，在有些同学的实验小结里，他们认为“仿真实验是一种全新的实验手法，打破了传统的实验教学模式，更加强调实验的设计思想和实验方法，能够让实验者主动学习，通过仿真实验，虽然未接触仪器，但让我对物理思想、方法、仪器结构和设计原理的认识，都较之前的实际实验有了很大的提高，而且避免了对贵重仪器的损害，总之，收获颇多”，“我个人认为仿真实验更加增添了我对研究物理实验的兴趣，因为在实验过程中我们必须认真考虑每一个细节，从实验准备到数据处理”．除了学生外，很多教育界前辈也对仿真实验给予很高的评价，认为仿真实验能够在相当程度上弥补由于实验仪器复杂、精密昂贵，不能允许学生进行反复调试的缺陷，值得大力推广．瑞典乌普萨拉大学副校长，诺贝尔物理委员会主席在参观我们“中心”的仿真实验室时，也表现出了极大的兴趣．

2．2开放平台

“中心”自成立后一直面向全校学生开放，其中仿真实验是我们“中心”开放式平台的一个重要组成部分，在“中心”的网站上，学生可以自由下载仿真实验软件，随时进行预习和进行实验．我们在实践中体会到，仿真实验本身的特点决定了它是开放式学习最有利的工具．首先，仿真实验用于开放平台可以解决实验室开放所需要考虑的开放时间和值班人员工作量问题；另外，由于实验教学设备需要的资金投入很多，很多学校的教学资源并不能满足学生成才的需求，仿真实验在相当程度上可以弥补这方面的缺陷，使学生的学习不再受课堂、课时以及仪器的限制，使得大面积的学生都能够接触到有较高水平的开放性、设计性实验．另外，由于网络的普及，现在的学生很多课余时间都花在网络上，打游戏，聊天都成为他们上网的主要活动，仿真实验在一定程度上可以让一种非常积极正面的探索活动占用学生的网络时间．这样既可以使物理实验在空间上和时间上得到延伸，又解决了学生课余进行科学研究与探索的需求．

2．3实验物理考试

考核方式对于学生的学习具有导向性作用，没有合理的考核方式，就很难激励学生的主动性和积极性．大学物理实验毕竟是一门实验课程，是以培养学生的实践能力为主要目标的，如果在考核中不强调实际操作，就很难实现这一目标．但是实现真正意义上的操作考试，在操作层面上有一定的难度．我们“中心”曾经尝试将操作考试引入到大学物理实验课的考试当中．这样的操作考试问题也很突出，首先由于是学生自主操作，很容易造成仪器的损坏；即使不考虑仪器的损坏率，由于实验仪器数目的限制，可供学生参加考试的题目有限，又不可能让所有的学生都能同时参加操作考试，难免会出现题目泄露的现象，虽然我们会定期改变试卷和改变操作内容，但是由于每次参加考试的学生人数有限，安排考试的次数过多，不可能做到每次的内容都完全不同，从而出现不公平的现象．于是，将仿真实验应用到实验物理考试成为“中心”进行实验课考核方式改革的重要内容之一．首先，仿真实验可以实现对大批量的学生同时进行考核，不再受仪器数目的限制；可供选择的题目增加；而且不用担心由于没有老师的指导而造成实验仪器的损坏．其次，由于仿真实验的模拟性，仿真实验可以较好地考查学生对实验原理的理解程度和他们的实践操作能力．另外，仿真实验中计算机对于实验数据的实时存储可以减少同学之间互相抄袭数据，让考试变得更加公平、公正．我们通过实践之后认为仿真实验除了可以用于实验物理课程的考试外，还可以用于大面积的地区性或者全国性的大学实验物理竞赛的初试选拔．

3结论

通过实践，我们“中心”意识到仿真实验除了可以用于日常实验教学，弥补有些学校因为硬件设备受限而不能很好完成实验教学的问题，还有利于学生进行自主开放学习，另外，仿真实验在进行大面积的实验物理考核领域的前途也是非常光明的，除了便于推广普及外还具有很强的可操作性．总之，仿真实验是物理实验教学有益的补充，是大学物理课程改革有力的工具。