基于网络平台的大学物理实验教学研究

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摘 要：在社会信息化的大环境下，多媒体、网络等信息化技术广泛应用于精品课程、课堂教学等教学环节，取得了良好的应用效果。由于实验学科的实践性要求，信息化网络较少应用于实验教学。传统的教师演示、学生模仿的实验教学方法，严重制约了实验教学质量，一成不变的实验教学模式增加了学生的思维惰性，不利于学生实践能力的培养。该文结合大学物理实验教学实际，探索将网络、多媒体等信息化手段引入大学物理实验教学，通过建立网络虚拟实验室，在实验预习、实验再现等环节模拟实验过程。开发实验综合管理系统，在实验选课、作业提交等方面优化实验过程和实验资源配置。

关键词：网络 大学物理 实验 教学改革

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（a）-0130-02

大学物理实验是理工科学生的必修课程，肩负着培养学生创新能力和实践能力的重任，是学生认识自然世界、探究物理奥秘的主要途径。在科教兴国和建设创新型国家的战略背景下，重视实验教学，特别是大学物理实验教学，成为物理教学者的共识[1]。然而，由于长期以来重理论轻实验的传统观念影响，大学物理实验室人员和经费投入不足，导致实验教师工作量大，仪器更新换代缓慢，维修服务跟不上，严重制约了大学物理实验室的建设和发展。在国家宏观战略引导下，改革大学物理实验教学，探索适合新时展的实验教学模式，培养实践能力强和创新能力突出的合格大学生，显得尤为重要[2-3]。

该文结合大学物理实验教学经验和当代网络信息化社会发展的需求，研究基于网络平台的大学物理实验教学模式，拟通过网络虚拟实验室建设和实验综合系统开发，提高大学物理实验教学效率和管理水平，优化实验教学资源，减少实验仪器维修率，降低实验教师工作量。

1 网络虚拟实验室建设

学生通过实验室虚拟平台，可以了解实验大体流程，并对实验原理和实验所需仪器进行有效预习，减少实验过程中的出错率，降低仪器损毁率，另外，实验前的预习可以节省实验时间，提高实验室运转效率。网络虚拟实验室的建设依赖于计算机、网络、Flash、物理等多学科专业的交叉和综合，需要不同专业教师共同研究开发，其中最重要的是虚拟仪器素材库的建立和虚拟实验过程的控制。

1.1 虚拟仪器素材库建立

采用动画、三维软件等手段，对大学物理实验中用到的实验仪器和元器件进行虚拟化，建立大学物理实验仪器素材库，方便实验过程的模拟和动画制作。素材库既要体现物理仪器的基本物理特征，还要新颖别致，容易激发学生学习兴趣[4]。例如，在大学物理长度测量的实验中，游标卡尺和螺旋测微器是学生必用的长度测量仪器，而在实际实验过程中，由于学生操作不当，极易损坏仪器。若学生结合虚拟素材提前预习仪器使用规则，则可以增加学生对仪器的感性认识，大大降低仪器的损坏率。

1.2 虚拟实验过程控制

结合实验原理和实验步骤，利用虚拟仪器模拟实际实验过程，可以使学生在实验前更深入地理解实验原理，在熟悉实验步骤的基础上完成实际实验操作过程。虚拟实验平台要在物理实验教师和计算机专业教师共同配合下制作，充分融合物理学和计算机技术的特长，利用软件和仪器素材制作三维动画，并配以原理和步骤的解说，让学生犹如身临其境，既感兴趣又长知识。特别是对于抽象的电场、磁场、光线传输等不能直观观察到的物理实验，采用虚拟实验更具感官上的优势。同时，虚拟实验具有重放功能，对于较难理解的实验原理或者一闪而过的实验现象，利用重放功能实现现场再现，便于学生更好的理解和掌握实验。例如，在验证动量守恒定律的实验中，通过设置不同参数，利用虚拟素材模拟三种不同碰撞状态，可以使学生形象观察到完全弹性、非完全弹性和完全非弹性碰撞的过程，加深对碰撞中动量和动能的理解，做到课本知识的简单化。

1.3 虚拟实验室网络化

信息化和网络化是现代社会发展的必然趋势，影响着社会生活的各个方面，在大学物理实验教学领域，信息化和网络化也可以大有作为。如果将大学物理实验虚拟化后，形成分离的实验模块，学生下载实验模块到手机或电脑，实验预习将变得更简单有趣，有效激发学生学习兴趣。虚拟实验室可以实现网络共享，学生进行远程实验，在网上了解实验仪器和实验过程，节约实验时间，提高实验效率。另外，远程实验室有效利用学生的手机、电脑等硬件资源，使得手机等电子产品不再仅是通话、娱乐的工具，减少学生对手机聊天、视频、游戏等不良因素的依赖，使学生的精力专注于课程学习。网络化的实验室24h对学生开放，不再受到实体实验室开放时间的限制，网络平台链接实验原理、仪器使用说明以及相关阅读材料，没有时空约束，更适合大学生随时关注实验动态，以便轻松愉快地进行实验教学。教师可以将实验中的注意事项公布在网络平台上，供学生预习时参考，一方面提醒学生在将要进行的实验中需要注意的问题；另一方面可以减少教师在实验中的工作量，提高实验室的利用效率。

2 实验综合管理系统开发

实验室管理是一项复杂的工程，包括仪器设备、教学安排、实验教师和学生管理等多个方面，随着高校管理变革的逐步推进，实验室建设进一步规范化和复杂化，高校实验室管理工作也变得更加繁重，于是实验室信息化建设越来越受到高校的重视。开发实验综合管理系统，可以有效管理仪器设备和实验人员，最优化利用现有实验资源，在教师实验安排和学生选课、作用提交等方面优化实验过程。

2.1 实验资源管理系统

大学物理实验室包含了力、热、声、光、电等众多实验内容，仪器设备和实验耗材繁多，并且实验室要向学校所有理工科学生开放，所以，需要及时掌握仪器运行状态，制定行之有效的仪器使用和管理制度。对仪器借用、损坏、维修等事项实行网上登记，实验教师可以实时跟踪仪器情况，以便对课程安排做出调整。不同实验室的通用仪器，如示波器、万用表、稳压电源等，执行严格的借用登记记录，可以减少仪器的重复购置，节约实验经费。

在实验教学方面，教务人员通过信息系统设置实验场所、实验时间和开课教师，实验教师登陆自己的账号，可以方便地查询上课时间、地点及学生人数，并可以在线提出实验中需要注意的问题，供学生预习时回答。根据学生登陆虚拟实验平台的时间和回答问题情况，大致了解学生对实验的预习和熟悉程度，实验结束后，教师可以设置复习题，考查学生实验实践能力。

2.2 学生网上选课系统

普通高等院校理工科学生众多，需要进行的大学物理实验也越来越丰富和接近科学前沿，在实验课程多元化和复杂化的情况下，建立一个方便快捷和符合学分管理制度的选课平台和应用系统就尤为重要。特别是学校规模的不断扩大，专业、班级、学生的数量急剧增加，有关学生选课的各种信息量也成倍增长，而目前许多高校的学生选课管理仍停留在复杂的人工操作上，重复工作较多，工作量大，效率低，因此，迫切需要开发基于互联网的选课信息管理系统来提高管理工作的效率。

在网络实验平台下，学生不再有固定的实验课程表，可以根据自己的兴趣和时间，提前一周在网上选定想做的实验，实验个数达到一定程度即可得到大学物理实验课程学分。选课系统摒弃一刀切式的实验安排，充分考虑到学生的特长和爱好，定制个性化的实验菜单。学生可用选课系统及时、准确地查询和修改选课情况，使选课工作规范化、程序化，避免选课管理的随意性，同时实现网上提交预习报告和实验报告，在线与教师交流实验感受，或对实验过程和实验平台提出改进意见。

2.3 开放创新实验室系统

大学物理实验教学除了验证物理定律和培养学生实践能力之外，还担负着培养学生创新能力的重任。实验室信息化管理使得师资和仪器等资源合理配置、高效利用，在此基础上，可以建立开放式大学生创新实验室，支持学生充分利用课余时间积极参加科研创新实践[5-6]。创新实验室实行全天候开放，主要以学生自我管理为主，实验教师辅助监管，使大学物理实验室成为锻炼学生实验和创新技能的最佳场所。开放创新实验室利用信息化手段进行管理，可以充分发挥大学物理实验室的作用。

3 网络虚拟实验室评价指标

网络虚拟实验室的建设，是为了更好的服务于大学物理实体实验室，使大学物理实验教学的各个环节效能最大化，简化教师和学生的预习和作业过程，优化学生动手操作流程，保证学生的实践能力在实验过程中大幅提高[7-8]。然而，虚拟实验室不可能完全替代实体实验室，需要建立评价网络虚拟实验室的技术指标。

3.1 虚拟实验室的可靠性和实用性

虚拟实验室依赖于计算机软、硬件的协同运行，对服务器等设备的定期维护和更新是至关重要的，它是虚拟实验室可靠工作的硬件保障。在软件方面，必须专人负责实验过程控制软件的开发和升级。另外，在网络建设方面，要充分考虑服务器的稳定性和访问速度等问题，只有软硬件和网络协调工作，才能实现虚拟实验室的可靠运转。

虚拟实验室不应成为虚无缥缈的概念，实用性是其重要的评价指标。虚拟实验室的建立需要解决仪器配置、师资紧张等实体实验室存在的问题，所以，虚拟实验室必须具备实用性，弥补实体实验室的不足，更好的服务于大学物理实验教学，在学生学习和教师教授之间搭建桥梁，方便大学物理实验教学的各个环节。

3.2 虚拟实验室的师生交互程度

虚拟实验室在实验预习和作业提交环节，主要依靠网络和电脑终端完成，在方便实验教学的同时，也在某种程度上减少了师生面对面的交流和互动，不利于师生感情的培养。为了弥补这一不足，设计友好的师生交流界面，增加师生互动环节，在方便师生交流的同时，也能提高学生对实验课程的兴趣，使学生不再简单地面对电脑，犹如与教师面对面交流，随时可以得到教师的指导和帮助。

教师通过交互界面可以随时了解学生学习动态，找准学生对仪器和实验原理掌握情况的薄弱环节，使随后的实体实验教学更具针对性，不仅可以节省实验占用时间，而且根据学生预习遇到的问题，有的放矢，大大提高实验教学效率，充分发挥虚拟实验室在仪器和师资资源利用方面的优势。

4 结语

将先进的网络平台和信息化管理手段引入大学物理实验，是实验教学改革的有效途径。实验平台充分利用现有仪器设备和师资力量，实现资源的有效配置，缓解了实验资源和经费紧张的压力。虚拟仪器和网络的建立，在方便教师和学生的同时，降低了仪器的损坏维修率，提高了实验室的利用效率。规范化的实验综合管理系统和学生网上选课系统，提高了大学物理实验教学效率和管理水平，有效实现了教学资源共享，为今后建设高水平开放实验室提供了技术保障。

参考文献

[1] 冯燕，冯广.浅谈高校实验室资源管理系统建设[J].中国现代教育装备，2008（9）：102-103.

[2] 李宁.浅谈开放式大学物理实验教学[J].课程教育研究，2014（26）：193.

[3] 潘光义.多媒体在大学物理实验教学中的应用[J].教育教学论坛，2014（7）：218-219.

[4] 胡清.基于虚拟仪器的远程实验教学的设想[J].实验科学与技术，2003（1）：52-54.

[5] 张玲，杨红兵，高英，等.实验室资源优化与整合机制的研究[J].科技信息，2009（30）：85.

[6] 李恒文，李涵，戴文.自主开放创新实验室模式的构建与实践[J].科技信息，2011（5）：16.

[7] 崔立强，全桂香，陈天明，等.实验课程的网络虚拟实验室教学探讨[J].中国现代教育装备，2014（5）：35-38.

[8] 马海莲，徐鹏江.建立网络虚拟实验室 提高物理课堂教学有效性[J].中国校外教育，2014（20）：140.