大学物理实验教学体系建设与实践

大学物理实验教学体系建设与实践
河北工业大学是一所以工为主、多学科协调发展的国家“２１１工程”建设的重点大学,河北工业大学物理实验中心(以下简称为“中心”)是
国家级物理实验教学示范中心.多年来中心致力于体制改革、团队发展、课程建设和教学科研工作,取得了丰硕的成果.但是,在教育教学改革实
践中也遇到了很多问题,比如课程体系老化、学生预习环节失控、实验
考试难以进行、部分优秀学生的能力得不到拓展以及不能实现产学研
转化等.针对这些问题,中心在学校和学院的领导和支持下,经过几年的
努力,逐步建立起了以学生为主体、以多层次物理实验课程体系为核心、以虚拟仿真实验教学平台为支柱、以学生竞赛和“大学生创新创业训
练计划项目”为拓展,面向学生自主学习的物理实验教学体系.
１多层次的物理实验课程体系
中心逐步建立起了多层次的物理实验课程体系(见图１).以主干课程
和专业课程为核心,其他课程作为核心课程的扩展,以校管选修课的形
式面向全校各年级各专业开放.这些课程成为物理实验基础课程的有益
补充和物理实验创新教育的平台６Ｇ７.以校管选修课的形式而不是学
生课外活动的形式拓展物理实验课程体系有以下优点：(１)学生可以
通过修学选修课,尤其是创新类选修课获得相应的学分;(２)在该课程
体系下,学生的上课时间、课时和实验仪器可以得到保证;(３)原则上
学生可以根据兴趣自主选择感兴趣的课程;(４)上选修课的教师可以获
得教学工作量;(５)教师可以对教学的各个环节实施有效的掌控,保证
教学质量.
２虚拟仿真实验教学平台的建设
根据新课程体系中教学资源合理配置的需要及实验教学过程中预习、
考试等环节缺失的问题,中心结合自身特色和实验教学未来发展的趋势,借助安徽省科大奥锐科技有限公司雄厚的技术研发实力和良好的产学
研合作平台,以大学物理实验为核心,利用虚拟现实、人机交互等信息
化技术,秉承“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则,构建了大学
物理虚拟仿真实验教学的软、硬件平台,实现了在实验预习、开放教学、复习、考核环节中真实实验不具备或难以完成的教学功能.
２．１硬件平台硬件平台包括以下３个方面：(１)中心服务器组,由
２台IBM专业服务器及相关配套设备组成;(２)全校园无线网络覆盖,
提供免费上网环境;(３)学校公用的大型机房,为没有网络终端的学生
提供上机条件,为物理实验上机考试提供考场.
２．２软件平台软件平台以基于组件的物理仿真实验系统为核心,通
过与其他系统互联协作,形成服务全校师生、服务社会的开放共享虚拟
仿真实验教学平台。

(１)大学物理虚拟仿真实验中心门户网站系统.中
心信息展示的窗口和交互、管理的平台.网站有强大的内容管理能力,
便于查询检索,以实现协作和共享,网站有保证数据机密性和完整性的
安全机制.随着实验室信息化建设的迅猛发展,该网站已成为全面展示
实验教学示范中心工作及特色的平台,是实现实验室与实验教学智能化
管理及其他系统相互衔接的重要手段.(２)教学管理及选排课系统(开
放的实验教学平台).为培养学生的自主学习能力,必须营造学生自主学
习的开放实验教学平台.实验教学的开放性,是指实验的内容、时间和
空间对学生开放.要实现实验教学的开放性.首先要从教学组织模式的
角度,提供学生自主学习的机会和条件８.该系统实现了实验教学排课、学生自主选课、成绩管理等功能,丰富了教学辅助手段,细化了各项管理,进一步提高了实验教学的开放性和交互性,进一步体现以学生为主体、教师为主导的实验教学模式.同时,该系统也是其他系统数据互联
的基础平台.(３)基于组件的物理仿真实验系统.通过计算机把实验设备、教学内容、教师指导(包括文本、视频和音频)和学生的操作有机
地融合为一体,形成一部活的、可操作的物理实验教科书.仿真实验仪
器的关键部位可拆解,在调整中可以实时观察仪器各种指标和内部结构
动作变化(见图３).通过仿真实验,学生对实验的物理思想和方法、仪
器的结构及原理的理解,可以达到真实实验都难以实现的效果.系统有
很强的统计分析功能,能够分析学生使用仿真实验的时间、次数、错误等.虚拟仿真实验结果体现不同实验操作导致的实验误差,实验真实度高.该系统提供统一的数据接口,与预习系统、考试系统互联,为仿真实
验预习和考试提供虚拟实验资源,实验项目覆盖力、热、光、电和近代
物理实验,共计３０套(见表１).另外还有３套特色大型仪器的仿真实
验资源和一个可以独立运行的Online版的虚拟仿真实验系统。

(４)物
理实验预习与自动评判系统.该系统在“基于组件的虚拟仿真实验系统”的基础上,建立与理论考试相结合的在线实验预习环境,从根本上解决
了实验仪器状况及师资力量不足的问题,为开展面向大面积学生的大学
物理实验课程预习及考核提供了可实际操作的平台.在预习考核内容方面,该系统有理论知识点(通过单选题、多选题、填空题、判断题)和动
手操作(通过仿真实验操作)２个方面的预习,并且针对每一个实验项目
设有实验原理、实验简介、仪器介绍和整个实验操作过程的录像等辅
导资源.达到了理论和实际操作２个方面的同时预习.使用该系统,教师
可以便捷地录入和编辑预习题库,系统随机生成预习试卷,并可以对学
生的预习答题和操作情况做出自动评判.一方面,学生做完预习就可以
看到自己的预习成绩,可以随时了解自己的预习成果,使学生能不断加
深预习,提高预习的效果;另一方面,教师可在课前掌握学生预习效果,
为课堂讲解的侧重点提供依据.(５)物理实验考试与自动判卷系统.该
系统以“基于组件的虚拟仿真实验系统”为基础,针对大面积实验教学
中实验设备和课时不足、教师工作量繁重等瓶颈,解决学生实验能力无
法考核的问题.该系统是基于互联网的软件,利用学校公共机房资源,可
实现大面积学生的同时在线虚拟仿真实验考试.在考试内容上,有理论
知识点考试(通过单选题、多选题、填空题、判断题)和动手操作考试(通过仿真实验操作).在考试监督和评分上,软件通过内置的统一专家
评判系统,为所有学生的评分提供同样的标准,保证了评分的客观性和
公平性.系统的动手操作考试部分是学生通过仿真实验来进行,学生整
个操作过程都会由专家系统自动给予评分,相当于一个教师对一个学生
进行监考,保证了评分的及时性和全面性,同时也减轻了教师的工作量.
考试内容涵盖了表１中的３０个基于组件的虚拟仿真实验.(６)实验教
学交互系统.集音频视频交互、电子白板、文档演示、文字交互、课程
录像及点播、文件下载、论坛交流等功能于一体,为中心提供远程实时
交互的信息化网络教学环境,实现教学的开放性以及教学管理、视频答疑、课程点播、远程课程、视频会议等在线教学功能.系统为物理实验
教学提供了基于页面的网络教学、培训和视频会议平台,为实验在线教
学提供了高效的现代化教学手段,保证了教学质量的提高.以上６大系
统紧密关联,协同配合,基于校园网平台,突破时间、空间限制,面向我
校所有学生共享开放.中心教学系统与资源部署在校园网的云计算平台
之上,已实现校内教学、科研、管理及生活区域的１００％覆盖,本校
师生可以按照身份信息在中心教学管理平台上注册后,便可以通过中心
网站,在校园内、外授权使用虚拟仿真实验教学系统平台.资源使用方
式灵活多样,可以借助于PC、笔记本计算机、iPad等多种终端设备,不
受人数、时间、空间限制地开展“物理实验预习、复习和考试”,在提
升资源利用效率的同时,较好地满足了校内多学科、多专业、不同层次
的多元化实验教学需求,切实提高了学生的创新能力和实践能力.
３特色虚拟仿真实验助推学研转化
中心一直致力于将贵重的科研前沿实验设备虚拟数字化.这样就可以
使非专业人员也能模拟操作专业人员才能接触的仪器,把本科实验教学
与学科专业特色结合起来,将科研成果及时向教学实践转化.同时,利用
这些仿真实验可实现对研究生的培训.中心与安徽省科大奥锐科技有限
公司深入合作,启动了特色仿真实验的建设.依托于我校河北省理论物
理重点学科的液晶物理研究方向,开发了“液晶综合参数测试实验”;
依托河北省生物物理重点学科及省级分子生物物理重点实验室,开发了“激光共聚焦显微镜实验”和“膜片钳及放大器系统实验”.上述仿真
实验可以实现仪器外观展示、组件介绍和简单虚拟操作.中心将继续与
相关单位联合,深入开发上述仿真实验的功能,并拓展新实验.这些专业
特色仿真实验将拓展虚拟仿真实验的教学范围,起到开拓学生视野、完
善知识结构、培养综合设计能力和创新能力的作用.
４以学生竞赛和
“大学生创新创业训练计划项目”做外延拓展在课程体系之外,中心
支持和鼓励那些学有余力、动手能力强的学生参加各级自主创新竞赛、物理实验竞赛和“大学生创新创业训练计划项目”,并安排骨干教师精
心指导,取得了丰硕的成果.２０１０年“首届全国大学生物理实验竞
赛”,获二等奖２项,三等奖１项;２０１２“第二届全国大学生物理实
验竞赛”,获二等奖２项.在２０１４年“首届河北省大学生物理竞赛”中,中心教师指导学生参赛,有６人获特等奖.中心连续３年组织学生参
与“江苏省大学生自主创新科技作品竞赛”活动,获得一等奖１０项,
二等奖８项,三等奖１３项,优秀奖６项.２００９年在“河北省挑战杯”大赛中获科技作品二等奖１项.２０１２至２０１３年指导学生参加
“大学生创新创业训练计划项目”,总计获国家级立项１项,省级立项
３项.这些活动的开展使得物理实验教学的内涵得以深化,教学体系在
课程之外得以拓展,部分优秀学生从中受益.同时,这些活动所取得的成
果又会吸引和激励更多有志于深入学习物理科学的学生投入这些活动,
形成良性循环,扩大学生的受益面,提高学生学习物理实验的兴趣.特别
值得一提的是,２０１４年１１月２８至３０日,由河北省教育厅组织、河北省物理教学指导委员会和河北省物理学会主办、河北工业大学承
办的“首届河北省大学生物理竞赛(实验部分)”在我校举行.中心负责
具体组织实施工作.竞赛采用国际青年物理学家学术竞赛(IYPT)的形式
进行,来自全省１９个高校的１４０余名参赛师生经过答辩和对抗赛的
激烈角逐,最终,我校与河北科技大学、华北电力大学、中国人民武装
警察部队学院、燕山大学的１５名学生获得河北省首届大学生物理竞
赛特等奖,我校６名参赛学生全部获特等奖１２.这次竞赛充分展示了
中心在物理实验教学中取得的成果,广泛加强了各兄弟院校间的交流,
推动了河北省物理基础教育的改革与发展.
５结束语
中心经过多年的发展,取得了良好的成果.在以后的建设工作中,中心
将抓住“省、部、市”共建的契机,发扬“工学并举”的办学特色,借
助河北省理论物理重点学科和河北省生物物理重点学科及省级分子生
物物理重点实验室雄厚的科研实力,立足我校物理学科的优势与特色,
充分利用信息化手段,使科研成果反哺实验教学,构建结构完备、内容
丰富、特色鲜明的物理实验教学新体系,进一步发挥国家级物理实验教
学示范中心的示范辐射作用。

大学物理实验教学体系建设与实践。