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最新大學(xué)物理實(shí)驗仿真教學(xué)論文
1、物理實(shí)驗課程的教學(xué)現狀
1）缺乏教學(xué)手段在實(shí)驗前，教師通過(guò)灌輸式教學(xué)法把實(shí)驗內容介紹給學(xué)生，學(xué)生只需做好筆記，寫(xiě)好操作步驟和預期結果就算完成了教學(xué)任務(wù)。在實(shí)驗中，指導老師通常事先安排好實(shí)驗儀器，學(xué)生只需按照書(shū)中描述的方法和步驟進(jìn)行操作，只要結果與書(shū)中描述的一致就算完成了實(shí)驗，而不需要充分理解實(shí)驗過(guò)程和實(shí)驗現象。長(cháng)此以往，學(xué)生只會(huì )被動(dòng)接受教師的指令，這不利于學(xué)生素質(zhì)和能力的培養。
2）消極對待實(shí)驗由于大學(xué)物理實(shí)驗的教學(xué)缺乏新意，學(xué)生片面地認為實(shí)驗做不做都無(wú)所謂，只要知道結果就行了。這種學(xué)習態(tài)度導致了實(shí)驗教學(xué)中經(jīng)常出現學(xué)生曠課和遲到等現象。對待實(shí)驗的消極態(tài)度還導致學(xué)生不仔細觀(guān)察實(shí)驗現象，不認真思考實(shí)驗中出現的問(wèn)題，不積極創(chuàng )新和改進(jìn)實(shí)驗方法。
3）客觀(guān)條件限制影響實(shí)驗教學(xué)效果的客觀(guān)條件包括兩個(gè)方面：一是實(shí)驗儀器的損壞、實(shí)驗場(chǎng)所的不足和實(shí)驗經(jīng)費的匱乏，這導致很多實(shí)驗被迫取消；二是在有限的課堂時(shí)間內，學(xué)生既要熟悉各種實(shí)驗儀器，又要進(jìn)行實(shí)驗操作，很難有時(shí)間分析和思考實(shí)驗現象，這也影響著(zhù)實(shí)驗課的教學(xué)效果。
2、計算機虛擬仿真技術(shù)的引入
隨著(zhù)圖形圖像、網(wǎng)絡(luò )通信和面向對象建模等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，計算機輔助教學(xué)（CAI）越來(lái)越受到人們的重視。為了提高大學(xué)物理實(shí)驗的教學(xué)質(zhì)量，調動(dòng)學(xué)生做實(shí)驗的積極性，我們在大學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)中引入計算機仿真技術(shù)，并利用相關(guān)軟件設計了仿真實(shí)驗平臺。借助該平臺，學(xué)生可以逼真地完成大學(xué)物理實(shí)驗課中的各種實(shí)驗。仿真實(shí)驗平臺的引入是傳統實(shí)驗教學(xué)的有效補充。該平臺具有以下兩個(gè)方面的優(yōu)勢：1）教師可以提前把實(shí)驗要求、目的和步驟等相關(guān)知識發(fā)布在仿真實(shí)驗平臺上，把需要使用的實(shí)驗儀器、注意事項、預期實(shí)驗結果等內容提前告知學(xué)生，讓學(xué)生對整個(gè)實(shí)驗過(guò)程有一個(gè)直觀(guān)的認識。通過(guò)仿真實(shí)驗平臺，學(xué)生可以重復做某一虛擬的物理實(shí)驗，這大大提高了實(shí)驗教學(xué)的效率。2）學(xué)生能很方便地查閱大學(xué)物理學(xué)實(shí)驗的相關(guān)內容，并能長(cháng)時(shí)間地了解相關(guān)實(shí)驗項目。虛擬仿真技術(shù)的引入克服了傳統實(shí)驗教學(xué)中存在的弊端。學(xué)生在仿真實(shí)驗平臺上的錯誤操作不會(huì )造成虛擬實(shí)驗儀器的損壞，也不會(huì )造成學(xué)生的人身傷害，這不但避免了真實(shí)實(shí)驗中的安全隱患，而且實(shí)現了實(shí)驗器材的零損耗，節省了實(shí)驗成本。目前，國內許多高校都在研究和開(kāi)發(fā)仿真實(shí)驗平臺，由于各高校的實(shí)際情況、學(xué)生結構等存在差異，仿真實(shí)驗平臺也不會(huì )完全相同。根據我校的教學(xué)實(shí)際情況，我們有必要開(kāi)發(fā)適合我校使用的仿真實(shí)驗平臺，這樣才能進(jìn)一步提高大學(xué)物理實(shí)驗的教學(xué)質(zhì)量。
3、基于B/S結構的仿真實(shí)驗平臺設計
3.1總體架構
根據任課教師和學(xué)生提出的教學(xué)建議，我們設計了適合我校的大學(xué)物理仿真實(shí)驗平臺，并在該仿真實(shí)驗平臺上設定了三個(gè)角色：學(xué)生、教師和管理員。學(xué)生可以通過(guò)用戶(hù)名和密碼進(jìn)入本系統中的學(xué)生模塊，學(xué)生模塊包括實(shí)驗前、實(shí)驗和實(shí)驗后三部分。在實(shí)驗前部分，學(xué)生通過(guò)預習掌握實(shí)驗儀器的使用，并對虛擬實(shí)驗做進(jìn)一步的了解，為下一步的虛擬實(shí)驗做準備；在實(shí)驗部分，教師組織學(xué)生在規定的時(shí)間內，完成虛擬實(shí)驗；在實(shí)驗后部分，學(xué)生分析實(shí)驗的結果和現象，并填寫(xiě)實(shí)驗報告。教師可以通過(guò)工號和密碼進(jìn)入本系統中的教師模塊，教師模塊包括教學(xué)信息發(fā)布子模塊、實(shí)驗資料發(fā)布子模塊、實(shí)驗結果管理子模塊和虛擬實(shí)驗管理子模塊。教學(xué)信息發(fā)布子模塊主要用于發(fā)布教學(xué)信息，其作用是提醒學(xué)生學(xué)習相關(guān)的教學(xué)內容；實(shí)驗資料發(fā)布子模塊主要用于公布大學(xué)物理實(shí)驗的教學(xué)大綱、相關(guān)課件和注意事項等內容，學(xué)生只能查閱教師發(fā)布后的實(shí)驗資料；實(shí)驗結果管理子模塊主要用于教師評定學(xué)生的實(shí)驗結果、實(shí)驗心得和實(shí)驗成績(jì)；虛擬實(shí)驗管理子模塊是本平臺的重要組成部分，也是我們設計仿真實(shí)驗平臺的一項重要內容，通過(guò)虛擬實(shí)驗管理子模塊，教師可以設置和制作虛擬實(shí)驗項目。管理員可以設置實(shí)驗人員的權限，限制實(shí)驗人員的數量，還可以管理新聞公告模塊和互動(dòng)交流模塊，以更好地為學(xué)校師生服務(wù)。
3.2仿真實(shí)驗平臺中實(shí)驗項目的制作
為了保證學(xué)生做好仿真實(shí)驗，教師需要制作仿真實(shí)驗項目，所需要的實(shí)驗素材主要從以下三個(gè)方面得到。
1）仿真實(shí)驗平臺中的“實(shí)驗儀器”應與實(shí)際使用的實(shí)驗儀器一致，這些“實(shí)驗儀器”的圖像通過(guò)照相機獲得，再經(jīng)過(guò)計算機軟件處理，就可以成為仿真實(shí)驗平臺中的“實(shí)驗儀器”。如仿真實(shí)驗平臺中的滑動(dòng)變阻器經(jīng)PhotoShop軟件處理，得到了動(dòng)態(tài)的滑片和靜態(tài)背景。
2）為了實(shí)現仿真實(shí)驗中學(xué)生與平臺的交互性，我們增加了動(dòng)態(tài)元件的響應事件。如在FLASH環(huán)境下，我們增加了滑動(dòng)變阻器滑片的左右移動(dòng)操作，設定了移動(dòng)過(guò)程中不同位置所對應的電阻值。
3）實(shí)驗儀器的三維圖像可以通過(guò)3DMax軟件得到，這種圖像能顯示儀器的內部結構，更好地滿(mǎn)足物理實(shí)驗教學(xué)的需求。目前，用于制作仿真實(shí)驗項目的軟件還有很多。除了上述軟件外，我們還使用多種技術(shù)手段構建了仿真實(shí)驗項目的場(chǎng)景，保證了這些實(shí)驗項目在一般的網(wǎng)頁(yè)中就能正常運行，滿(mǎn)足了學(xué)生課外的學(xué)習需求。
3.3仿真實(shí)驗平臺的特點(diǎn)
在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，我們把仿真實(shí)驗平臺安裝在網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器上。該平臺由于采用的是B/S架構，對客戶(hù)端的軟、硬件要求較低，學(xué)生和教師通過(guò)網(wǎng)絡(luò )瀏覽器就可以訪(fǎng)問(wèn)該仿真實(shí)驗平臺。雖然大學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)中引入的仿真實(shí)驗平臺有許多優(yōu)點(diǎn)，但它僅僅是物理實(shí)驗教學(xué)的一個(gè)有效補充。眾所周知，物理學(xué)中的許多定理和結論都來(lái)源于實(shí)驗，而實(shí)驗結果因受環(huán)境等因素的影響而不會(huì )完全相同，這是在仿真實(shí)驗平臺上無(wú)法實(shí)現的。在真實(shí)的實(shí)驗環(huán)境中，學(xué)生能操作實(shí)驗儀器，觀(guān)察實(shí)驗現象，這與在仿真實(shí)驗平臺上移動(dòng)鼠標、觀(guān)看畫(huà)面不可同日而語(yǔ)。因此，仿真實(shí)驗平臺可以幫助學(xué)生做好實(shí)驗預習和課后復習，甚至完成虛擬實(shí)驗，但卻不能代替真實(shí)的實(shí)驗。
4、結束語(yǔ)
在分析大學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)現狀的基礎上，我們設計了仿真實(shí)驗平臺，這不但降低了設備的購置費用，而且提高了大學(xué)物理實(shí)驗的教學(xué)質(zhì)量。仿真實(shí)驗平臺為學(xué)生提供了虛擬的實(shí)驗環(huán)境，且不受時(shí)間和場(chǎng)地的制約，學(xué)生只要能上網(wǎng)就能通過(guò)人機交互界面學(xué)習大學(xué)物理實(shí)驗的有關(guān)內容，并完成仿真實(shí)驗。這對于提高學(xué)生的學(xué)習興趣，培養學(xué)生的創(chuàng )新精神和實(shí)踐能力是大有好處的。
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