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河北工業大學是一所以工為主、多學科協調發展的國家“211工程”建設的重點大學,河北工業大學物理實驗中心(以下簡稱為“中心”)是國家級物理實驗教學示范中心.多年來中心致力于體制改革、團隊發展、課程建設和教學科研工作,取得了豐碩的成果.但是,在教育教學改革實踐中也遇到了很多問題,比如課程體系老化、學生預習環節失控、實驗考試難以進行、部分優秀學生的能力得不到拓展以及不能實現產學研轉化等.針對這些問題,中心在學校和學院的領導和支持下,經過幾年的努力,逐步建立起了以學生為主體、以多層次物理實驗課程體系為核心、以虛擬仿真實驗教學平臺為支柱、以學生競賽和“大學生創新創業訓練計劃項目”為拓展,面向學生自主學習的物理實驗教學體系.

1多層次的物理實驗課程體系

中心逐步建立起了多層次的物理實驗課程體系(見圖1).以主干課程和專業課程為核心,其他課程作為核心課程的擴展,以校管選修課的形式面向全校各年級各專業開放.這些課程成為物理實驗基礎課程的有益補充和物理實驗創新教育的平臺[6G7].以校管選修課的形式而不是學生課外活動的形式拓展物理實驗課程體系有以下優點:(1)學生可以通過修學選修課,尤其是創新類選修課獲得相應的學分;(2)在該課程體系下,學生的上課時間、課時和實驗儀器可以得到保證;(3)原則上學生可以根據興趣自主選擇感興趣的課程;(4)上選修課的教師可以獲得教學工作量;(5)教師可以對教學的各個環節實施有效的掌控,保證教學質量.

2虛擬仿真實驗教學平臺的建設

根據新課程體系中教學資源合理配置的需要及實驗教學過程中預習、考試等環節缺失的問題,中心結合自身特色和實驗教學未來發展的趨勢,借助安徽省科大奧銳科技有限公司雄厚的技術研發實力和良好的產學研合作平臺,以大學物理實驗為核心,利用虛擬現實、人機交互等信息化技術,秉承“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則,構建了大學物理虛擬仿真實驗教學的軟、硬件平臺,實現了在實驗預習、開放教學、復習、考核環節中真實實驗不具備或難以完成的教學功能.

2．1硬件平臺硬件平臺包括以下3個方面:(1)中心服務器組,由2臺IBM專業服務器及相關配套設備組成;(2)全校園無線網絡覆蓋,提供免費上網環境;(3)學校公用的大型機房,為沒有網絡終端的學生提供上機條件,為物理實驗上機考試提供考場.

2．2軟件平臺軟件平臺以基于組件的物理仿真實驗系統為核心,通過與其他系統互聯協作,形成服務全校師生、服務社會的開放共享虛擬仿真實驗教學平臺。(1)大學物理虛擬仿真實驗中心門戶網站系統.中心信息展示的窗口和交互、管理的平臺.網站有強大的內容管理能力,便于查詢檢索,以實現協作和共享,網站有保證數據機密性和完整性的安全機制.隨著實驗室信息化建設的迅猛發展,該網站已成為全面展示實驗教學示范中心工作及特色的平臺,是實現實驗室與實驗教學智能化管理及其他系統相互銜接的重要手段.(2)教學管理及選排課系統(開放的實驗教學平臺).為培養學生的自主學習能力,必須營造學生自主學習的開放實驗教學平臺.實驗教學的開放性,是指實驗的內容、時間和空間對學生開放.要實現實驗教學的開放性.首先要從教學組織模式的角度,提供學生自主學習的機會和條件[8].該系統實現了實驗教學排課、學生自主選課、成績管理等功能,豐富了教學輔助手段,細化了各項管理,進一步提高了實驗教學的開放性和交互性,進一步體現以學生為主體、教師為主導的實驗教學模式.同時,該系統也是其他系統數據互聯的基礎平臺.(3)基于組件的物理仿真實驗系統.通過計算機把實驗設備、教學內容、教師指導(包括文本、視頻和音頻)和學生的操作有機地融合為一體,形成一部活的、可操作的物理實驗教科書.仿真實驗儀器的關鍵部位可拆解,在調整中可以實時觀察儀器各種指標和內部結構動作變化(見圖3).通過仿真實驗,學生對實驗的物理思想和方法、儀器的結構及原理的理解,可以達到真實實驗都難以實現的效果.系統有很強的統計分析功能,能夠分析學生使用仿真實驗的時間、次數、錯誤等.虛擬仿真實驗結果體現不同實驗操作導致的實驗誤差,實驗真實度高.該系統提供統一的數據接口,與預習系統、考試系統互聯,為仿真實驗預習和考試提供虛擬實驗資源,實驗項目覆蓋力、熱、光、電和近代物理實驗,共計30套(見表1).另外還有3套特色大型儀器的仿真實驗資源和一個可以獨立運行的Online版的虛擬仿真實驗系統。(4)物理實驗預習與自動評判系統.該系統在“基于組件的虛擬仿真實驗系統”的基礎上,建立與理論考試相結合的在線實驗預習環境,從根本上解決了實驗儀器狀況及師資力量不足的問題,為開展面向大面積學生的大學物理實驗課程預習及考核提供了可實際操作的平臺.在預習考核內容方面,該系統有理論知識點(通過單選題、多選題、填空題、判斷題)和動手操作(通過仿真實驗操作)2個方面的預習,并且針對每一個實驗項目設有實驗原理、實驗簡介、儀器介紹和整個實驗操作過程的錄像等輔導資源.達到了理論和實際操作2個方面的同時預習.使用該系統,教師可以便捷地錄入和編輯預習題庫,系統隨機生成預習試卷,并可以對學生的預習答題和操作情況做出自動評判.一方面,學生做完預習就可以看到自己的預習成績,可以隨時了解自己的預習成果,使學生能不斷加深預習,提高預習的效果;另一方面,教師可在課前掌握學生預習效果,為課堂講解的側重點提供依據.(5)物理實驗考試與自動判卷系統.該系統以“基于組件的虛擬仿真實驗系統”為基礎,針對大面積實驗教學中實驗設備和課時不足、教師工作量繁重等瓶頸,解決學生實驗能力無法考核的問題.該系統是基于互聯網的軟件,利用學校公共機房資源,可實現大面積學生的同時在線虛擬仿真實驗考試.在考試內容上,有理論知識點考試(通過單選題、多選題、填空題、判斷題)和動手操作考試(通過仿真實驗操作).在考試監督和評分上,軟件通過內置的統一專家評判系統,為所有學生的評分提供同樣的標準,保證了評分的客觀性和公平性.系統的動手操作考試部分是學生通過仿真實驗來進行,學生整個操作過程都會由專家系統自動給予評分,相當于一個教師對一個學生進行監考,保證了評分的及時性和全面性,同時也減輕了教師的工作量.考試內容涵蓋了表1中的30個基于組件的虛擬仿真實驗.(6)實驗教學交互系統.集音頻視頻交互、電子白板、文檔演示、文字交互、課程錄像及點播、文件下載、論壇交流等功能于一體,為中心提供遠程實時交互的信息化網絡教學環境,實現教學的開放性以及教學管理、視頻答疑、課程點播、遠程課程、視頻會議等在線教學功能.系統為物理實驗教學提供了基于頁面的網絡教學、培訓和視頻會議平臺,為實驗在線教學提供了高效的現代化教學手段,保證了教學質量的提高.以上6大系統緊密關聯,協同配合,基于校園網平臺,突破時間、空間限制,面向我校所有學生共享開放.中心教學系統與資源部署在校園網的云計算平臺之上,已實現校內教學、科研、管理及生活區域的100％覆蓋,本校師生可以按照身份信息在中心教學管理平臺上注冊后,便可以通過中心網站,在校園內、外授權使用虛擬仿真實驗教學系統平臺.資源使用方式靈活多樣,可以借助于PC、筆記本計算機、iPad等多種終端設備,不受人數、時間、空間限制地開展“物理實驗預習、復習和考試”,在提升資源利用效率的同時,較好地滿足了校內多學科、多專業、不同層次的多元化實驗教學需求,切實提高了學生的創新能力和實踐能力.

3特色虛擬仿真實驗助推學研轉化

中心一直致力于將貴重的科研前沿實驗設備虛擬數字化.這樣就可以使非專業人員也能模擬操作專業人員才能接觸的儀器,把本科實驗教學與學科專業特色結合起來,將科研成果及時向教學實踐轉化.同時,利用這些仿真實驗可實現對研究生的培訓.中心與安徽省科大奧銳科技有限公司深入合作,啟動了特色仿真實驗的建設.依托于我校河北省理論物理重點學科的液晶物理研究方向,開發了“液晶綜合參數測試實驗”;依托河北省生物物理重點學科及省級分子生物物理重點實驗室,開發了“激光共聚焦顯微鏡實驗”和“膜片鉗及放大器系統實驗”.上述仿真實驗可以實現儀器外觀展示、組件介紹和簡單虛擬操作.中心將繼續與相關單位聯合,深入開發上述仿真實驗的功能,并拓展新實驗.這些專業特色仿真實驗將拓展虛擬仿真實驗的教學范圍,起到開拓學生視野、完善知識結構、培養綜合設計能力和創新能力的作用.

4以學生競賽和

“大學生創新創業訓練計劃項目”做外延拓展在課程體系之外,中心支持和鼓勵那些學有余力、動手能力強的學生參加各級自主創新競賽、物理實驗競賽和“大學生創新創業訓練計劃項目”,并安排骨干教師精心指導,取得了豐碩的成果.2010年“首屆全國大學生物理實驗競賽”,獲二等獎2項,三等獎1項;2012“第二屆全國大學生物理實驗競賽”,獲二等獎2項.在2014年“首屆河北省大學生物理競賽”中,中心教師指導學生參賽,有6人獲特等獎.中心連續3年組織學生參與“江蘇省大學生自主創新科技作品競賽”活動,獲得一等獎10項,二等獎8項,三等獎13項,優秀獎6項.2009年在“河北省挑戰杯”大賽中獲科技作品二等獎1項.2012至2013年指導學生參加“大學生創新創業訓練計劃項目”,總計獲國家級立項1項,省級立項3項.這些活動的開展使得物理實驗教學的內涵得以深化,教學體系在課程之外得以拓展,部分優秀學生從中受益.同時,這些活動所取得的成果又會吸引和激勵更多有志于深入學習物理科學的學生投入這些活動,形成良性循環,擴大學生的受益面,提高學生學習物理實驗的興趣.特別值得一提的是,2014年11月28至30日,由河北省教育廳組織、河北省物理教學指導委員會和河北省物理學會主辦、河北工業大學承辦的“首屆河北省大學生物理競賽(實驗部分)”在我校舉行.中心負責具體組織實施工作.競賽采用國際青年物理學家學術競賽(IYPT)的形式進行,來自全省19個高校的140余名參賽師生經過答辯和對抗賽的激烈角逐,最終,我校與河北科技大學、華北電力大學、中國人民武裝警察部隊學院、燕山大學的15名學生獲得河北省首屆大學生物理競賽特等獎,我校6名參賽學生全部獲特等獎[12].這次競賽充分展示了中心在物理實驗教學中取得的成果,廣泛加強了各兄弟院校間的交流,推動了河北省物理基礎教育的改革與發展.

5結束語

中心經過多年的發展,取得了良好的成果.在以后的建設工作中,中心將抓住“省、部、市”共建的契機,發揚“工學并舉”的辦學特色,借助河北省理論物理重點學科和河北省生物物理重點學科及省級分子生物物理重點實驗室雄厚的科研實力,立足我校物理學科的優勢與特色,充分利用信息化手段,使科研成果反哺實驗教學,構建結構完備、內容豐富、特色鮮明的物理實驗教學新體系,進一步發揮國家級物理實驗教學示范中心的示范輻射作用。

作者：段雪松 張旭 張志東 單位：河北工業大學 物理實驗中心