普通物理虚拟仿真实验教学实践研究

普通物理实验是高等院校理工科大学生进行科学实验训练的一门启蒙课程，也是大学生从事科学实验工作的基础。普通物理实验课覆盖面广，具有丰富的实验思想、实验方法和实验策略，并能提供综合性很强的基本实验技能训练，在培养学生严谨的治学态度、创新意识、创新能力、适应现代科技发展的综合应用能力等方面，具有其他课程所不可替代的作用。由于受到实验场地、时间、仪器设备及师资等教学资源的限制，加上实验教学内容陈旧，教学方法单一，考核方法过时，传统的实验教学难以调动学生的学习主动性，不利于培养学生的创新意识和创新能力。近几年来，随着教学信息化的普及与发展，虚拟仿真技术在高等院校普通物理实验教学中的作用日益凸显，公安院校普通物理虚拟仿真实验教学值得广大教师深入研究。

一、普通物理实验教学现状

江西警察学院属地方性公安院校，普通物理实验教学面向交管、网安监察、刑事技术、安防工程等工科类专业，是学院公安类本科专业非常重要的一门基础实验课程。江西警察学院以教育部本科教学水平评估为契机，加强了普通物理实验室的建设，实验教学条件得到了很大程度的改善，但仍不能从根本上改变传统物理实验教学面临的困境。

1.普通物理实验设施投入不足

江西警察学院的普通物理实验室既要承担交通管理工程、信息网络安全监察、刑事科学技术、安全防范工程等工科类专业学生的普通物理实验教学任务，又要完成其他公安类和普通类专业学生大学物理实验选修课程的教学任务。由于学院实验经费有限，仪器设备数量总体偏少，学生经常不能按时完成实验任务，甚至有部分学生不能实际参与实验操作。不仅如此，现代物理及大型先进仪器设备匮乏，导致学院无法开设部分教学大纲规定的实验项目，严重制约了学院师生进行比较复杂的教学研究。

2.普通物理实验课时偏少

地方高等院校普通物理教学课时一般有128学时，而江西警察学院普通物理的教学课时为51学时，由于课时总量偏少，实验课仅占10学时，不到总课时的20%，开设的实验项目无法涵盖多学科内容，也无法开展多层次的综合性、设计性、研究性实验教学。然而，物理实验是一个复杂的、技术性很强的教学过程，没有一定时间、空间的实验技能积累，是无法提高学生的实践创新能力，而且这也不符合科学实验的规律。

3.普通物理实验教学模式单一

当前，江西警察学院的物理实验教学主要采用传统的理论教学方法，即填鸭式、灌输式，教师要用近一半的教学时间来讲授实验目的、设备、原理、方法、数据记录与处理等。学生在没有很好的实验预习要求下，往往是被动地听、匆忙地记教师讲授的内容，最后的实验操作仅仅是为了完成实验数据，撰写实验报告。这样的实验教学没有充分发挥学生在实验课中的主体作用，也使得学生没有机会研究和思考实验的目的和存在的问题。

二、普通物理虚拟仿真实验教学平台的构建

2017年，在中央财政支持地方高等院校专项资金资助下，江西警察学院与科技型企业合作，开发、引进了普通物理虚拟仿真实验系统，并基于学院校园网和普通物理网络课程构建了普通物理虚拟仿真实验教学平台。

1.普通物理虚拟仿真实验系统

在普通物理虚拟仿真实验系统的首页，学生可以通过浏览器直接浏览实验资源信息，它有丰富的指导信息和统一的操作流程，实验界面易用性高;学生可以从Web上下载实验大厅程序，20个仿真实验项目的全部信息资料都在网上，供学生参考。运行实验后，屏幕上会显示实验环境的实验主场景，并显示实验数据表格、仪器栏、内容栏、提示栏、工具箱、帮助、辅助栏。其中，仿真实验项目可以根据本实验中心的实际教学课程体系自由组织，满足分层次、特色教学的需求，还可以自动统计各实验项目的使用情况，展示仿真实验在教学中起到的作用。

2.物理实验预习与自动评判系统

物理实验预习与自动评判系统采用B/S和C/S混合模式和全新的WPF技术，包括试题库管理、试卷库管理、预习平台管理、自动判卷管理、学生预习等功能，学生可以在系统的预习大厅中进行预习。第一，试题库管理。系统内置相应实验的操作题，且含有丰富的实验习题和答案，支持单选、多选、填空、判断等传统题型，教师可增删试题库中的题目。第二，试卷库管理。教师可针对每个实验自行定制预习试卷，系统还具有拟分功能。第三，预习平台管理。教师可以安排预习或查询已经安排过的预习，每场预习中，教师可以使用试卷库中的多份试卷，并通过程序设定不同的学生使用不同的试卷。第四，自动判卷管理。学生提交试卷后，系统会自动评阅，教师可以在系统中查看、导出试卷成绩及成绩分布图表，并利用分布曲线调整成绩分布。在教师安排预习后，学生可以在安排的时间内打开试卷进行实验预习，并直接查看预习结果。

3.物理实验考试與自动判卷系统

学生可以在物理实验考试与自动判卷系统考试大厅中进行考试，系统包括考试平台管理、自动判卷管理、学生考试等功能。第一，考试平台管理。教师可以安排考试或查询已经安排过的考试，每场考试中，教师可以使用试卷库中的多份试卷，通过本程序设定不同的学生使用不同的试卷。第二，自动判卷管理。学生提交试卷后，系统会自动评阅，教师可以在本系统中查看、导出试卷成绩及成绩分布图表、利用分布曲线调整成绩分布，学生可直接查看考试结果。第三，学生考试。在教师安排考试后，学生可以在安排的时间内打开试卷进行实验考试。

三、普通物理虚拟仿真实验教学初步实践

1.构建虚拟仿真实验教学体系

依据本科专业三段式人才培养模式，在物理实验教学中，江西警察学院注重学生基础理论、基本知识、基本技能的培养，并利用物理虚拟仿真实验教学平台，构建了基础型、综合型、设计型的实验教学体系，其中涵盖力学、热学、电磁学、光学、近代物理等分支学科的20个实验项目，优化了物理实验课程体系的结构。

2.创新虚实结合的教学模式

虚实结合、相互补充是物理实验教学的理念，所以教师要处理好实体实验与虚拟实验之间的关系。受实验条件、实验资源限制的项目，如一些微观、强磁、低温、高压危险等实验，适合采用虚拟仿真实验;而验证性、操作性比较强的项目，如“碰撞研究”“杨氏模量的测定”等实验，一般选择实体实验;在同一实验项目中，如“密立根油滴实验”，拟与实体实验各有优势，也各有不足，在教学中宜相互融合，实验原理、实验方法与实验步骤是该实验的教学重点和难点，学生在反复虚拟仿真实验过程中，能有效理解和掌握理论知识和技能，最后在实体教学设备上进行实际操作，处理实验数据，有效提升学习效率。

3.加强物理虚拟实验教学师资建设

为了进一步加强物理虚拟实验教学，江西警察学院和基础理论教研部非常重视教学团队的建设，引进了信息化技术专业人员充实师资队伍，加强了与省内外兄弟院校、企业的物理虚拟仿真实验教学专家的技术和学术交流，鼓励教师多渠道申请各级物理虚拟仿真实验教学改革研究项目，研究虚拟仿真实验教学模式、教学方法，研发和改进实验教学课件、软件，在一定程度上提高了物理虚拟仿真实验教学的质量。

4.强化物理虚拟实验教学管理模式

实验教学管理模式由统管改为分管，根据江西警察学院实验室管理体制改革的要求，基础物理实验室及虚拟仿真实验教学平台统一划归基础理论教研部管理，学院层面宏观负责人、财、物及政策保障等，系部具体负责实验教学、软件开发和实验设备维护等，职责明确，便于管理和教学。另外，实验教学实行开放式教学模式，在用户管理权限上，实现管理员、教师、学生三种权限分级管理，学生可以在网上自主选课，实验学习成绩可以通过管理系统自动录入。而学院可建立虚拟仿真实验系统服务器，维护和使用管理制度，指定专人对虚拟仿真实验资源、技术软件、网页进行日常维护和信息更新。

在物理虚拟仿真实验教学中，教師能通过图片、文字等多种形式，给学生提供了丰富的物理学科知识，提高了学生自主学习能力，加深了学生对实验设计思想、实验方法的理解，培养了学生科学实验的能力。同时，物理虚拟仿真实验能突破时间和空间的限制，学生可以通过交互界面模拟操作实验仪器，掌握实验仪器、设备的原理与使用方法，并模拟演示实验操作重点。此外，物理虚拟仿真实验能实现在线交流，学生发现问题时可以随时提出，并得到教师的解答，学生之间也可以交流实验心得，提出实验教学改进意见和建议。

参考文献：

[1]林海峰，熊飞兵，王逸平.基于虚拟仿真的大学物理实验教学改革[J].中国教育信息化，2017，（22）.

[2]秦景良，李昆霖，简宇虹.虚拟仿真技术在大学物理实验教学中的应用[J].广西民族大学学报，2011，（8）.

[3]雷冬，朱飞鹏，殷德顺.力学虚拟仿真教学实验室建设的探讨[J].实验技术与管理，2014，（12）.

（作者单位：江西警察学院）

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