虚实结合的物理实验教学探讨.doc

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1、虚实结合的物理实验教学探讨摘要：实验教学如何借助虚拟仿真技术有效地提升教学效呆，是实验教学界普遍关注的课题。本文结合自主开发的教学实验项冃，介绍我校开展虚实结合的物理实验教学的理念和实践•种既实又虚的实验教学新模式：在不削弱现有实验训练强度的基础上，通过虚拟仿真实验帮助学生对实验内容，特别杲其屮的难点，有更深入、更全面的理解，以期学生能掌握实验背后的物理及实验设计思路等。关键词：虚拟仿真技术；虚实结合；教学模式；教学效果“教育部办公厅关于开展2015年国家级虚拟仍頁实验教学屮心建设匸作的通知”明确要求“虚拟仿真实验教学中心建设应充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则，实现真实实验不具备或

2、难以完成的教学功能。在涉及高危或极端的环境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项冃。”对“虚实结合、相互补充、能实不虚”的建设原则，不少同行理解为虚拟仿真实验主要是替代或补充实际的实验教学，进而开始怀疑：削弱现行的实际实验教学的强度，实验教学的效果还能保证吗？本LA有较明显不足的学牛实齡能力是否会进…步弱化？还能支持他们的长远发展吗？这或许是近儿年获批成立的虚拟仿真实验教学中心中，工程类和实训类明显占优势，而基础学科类明显偏少的-个原因。然而，现有的实验课时数不明显少于国外高校口C经比较系统化的实验训练，学牛的实验能力还存在较大的提高空间

3、，现行的实验训练在课程设计、教学实践的某些环节应该存在着亟需改进和优化之处。如此，我们不妨从另一个角度来理解虚拟仿真实验的建设原则：能否在现行的实验教学体系的基础上，充分挖掘虚拟仿真技术的优势，尝试去解决实际实验教学中存在的深度、广度上，以及对学牛能力发展的促进作用等方面的不足？很显然，这需要“虚实结合”的实验教学，既实又虚基于现有的实验项冃，开发的虚拟仿真实验内容，不仅仅是帮助学牛•预习，更重要的是帮助学牛提高对实验的理解和掌握，进而改善实验训练的效果，提升学牛•的实验综合能力。本文将结合具体的实验案例，介绍复旦大学物理虚拟仿真实验教学中的建设理念和教学实践：既实又虚的实验教学模式。1复旦

4、大学物理虚拟仿真实验教学的建设历程和现有课程体系上世纪90年代，复11犬学物理学系在全国较早开展计算机辅助教学（CAT）研究，钟万衡老师帯领研究团队编制同体物理、统计物理、近代物理等课程内容的虎拟仿真软件，将气体扩散、晶格振动模式、斯特恩一盖拉赫实验等学生较难理解的内容通过科学的计算，以动画、可任意转动的立体模型等形式展现出來，促进了学生对•这些内容的掌握。钟万衡老师的团队制作的教学软件在全国评比屮多次获奖。在此之后，专门开设的“物理CAI课件设计”一直是我校的特色课程，该课程要求学生通过实践来学习、掌握Photoshop,F1ash,DreamWeaver,3DMAX等虚拟仿真课件制作工具

5、和C++,VisualBasic,De1Phi,Java等常用编程语言，不仅能够经常开发制作我虚拟仿真实验项冃和课堂教学演示软件，还能锻炼学生的计算机使用能力，特别是在制作软件的过程屮，所讨论问题的物理图像会更加淸晰。在2000年前后，沈元华老师带领团队开发丿IJ于帮助学牛做好实验预习的虚拟仿真实验，包括“边克耳孙干涉仪预习CAI”和“真空系统实验CAI”。“迈克耳孙干涉仪预习CAI”通过录像、动画等多媒体手段，对实验的原理、仪器的构造和调节方法等作了较为详细的介绍，帮助学牛更高效地做好实验预习，提高学牛实验室做实验的效率和对实验内容的学握。“真空系统实验CAI”建立虎拟实验环境屮的高真空实

6、验系统，为各真空部件和操作单元设计独立的状态表及相互联系，允许学生对各操作单元进行独立操作,并模拟、记录、展示“当前操作”长时间运行•的结果，该软件可以让学牛了解正常的操作流程，明口各种错误操作会导致的仪器损坏，并学握如何通过监测仪表等及时发现自己的错误操作，以便及时纠正。“真空系统实验CAI”教学软件的使川不但提高了高真空实验的训练效呆，还可以避免因为学牛操作不半而不及时纠正导致真空系统的损坏。经过二十余年的开发积累和教学实践,我们己建成了特色鲜明的虚拟仿真实验教学体系，包括''虚拟仿真实验开发课”、“虚实结合的实验教学”、“医学物理虚拟仿真实验”和“互联网远程控制实验”4个模块。1.1专

7、门开设“虚拟仿真实验开发课”虚拟仿真实验课包括“物理cAT课件设计”和“计算物理模拟实验”，训练学牛自主开发虚拟仿真实验的能力。该课程要求学牛基于分子动力学模拟和第性原理计算，运用计算图像显示技术，针对1个或多个物理知识难点，结合当前凝聚态物理研究前沿，设计虚拟仿真实验，帮助学牛了解并领会计算物理基本内涵与技巧，初步掌握计算物理处理实际问题的思路与策略，为训练与提高科研能力打下基础。基于这些课程，在独立开发虚