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河北工業(yè)大學(xué)是一所以工為主、多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的國家“211工程”建設(shè)的重點大學(xué),河北工業(yè)大學(xué)物理實驗中心(以下簡稱為“中心”)是國家級物理實驗教學(xué)示范中心.多年來中心致力于體制改革、團(tuán)隊發(fā)展、課程建設(shè)和教學(xué)科研工作,取得了豐碩的成果.但是,在教育教學(xué)改革實踐中也遇到了很多問題,比如課程體系老化、學(xué)生預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)失控、實驗考試難以進(jìn)行、部分優(yōu)秀學(xué)生的能力得不到拓展以及不能實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化等.針對這些問題,中心在學(xué)校和學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)和支持下,經(jīng)過幾年的努力,逐步建立起了以學(xué)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(xué)平臺為支柱、以學(xué)生競賽和“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目”為拓展,面向?qū)W生自主學(xué)習(xí)的物理實驗教學(xué)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(yè)課程為核心,其他課程作為核心課程的擴(kuò)展,以校管選修課的形式面向全校各年級各專業(yè)開放.這些課程成為物理實驗基礎(chǔ)課程的有益補(bǔ)充和物理實驗創(chuàng)新教育的平臺[6G7].以校管選修課的形式而不是學(xué)生課外活動的形式拓展物理實驗課程體系有以下優(yōu)點:(1)學(xué)生可以通過修學(xué)選修課,尤其是創(chuàng)新類選修課獲得相應(yīng)的學(xué)分;(2)在該課程體系下,學(xué)生的上課時間、課時和實驗儀器可以得到保證;(3)原則上學(xué)生可以根據(jù)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(xué)工作量;(5)教師可以對教學(xué)的各個環(huán)節(jié)實施有效的掌控,保證教學(xué)質(zhì)量.

2虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)

根據(jù)新課程體系中教學(xué)資源合理配置的需要及實驗教學(xué)過程中預(yù)習(xí)、考試等環(huán)節(jié)缺失的問題,中心結(jié)合自身特色和實驗教學(xué)未來發(fā)展的趨勢,借助安徽省科大奧銳科技有限公司雄厚的技術(shù)研發(fā)實力和良好的產(chǎn)學(xué)研合作平臺,以大學(xué)物理實驗為核心,利用虛擬現(xiàn)實、人機(jī)交互等信息化技術(shù),秉承“虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實不虛”的原則,構(gòu)建了大學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)的軟、硬件平臺,實現(xiàn)了在實驗預(yù)習(xí)、開放教學(xué)、復(fù)習(xí)、考核環(huán)節(jié)中真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)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(wù)器組,由2臺IBM專業(yè)服務(wù)器及相關(guān)配套設(shè)備組成;(2)全校園無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋,提供免費上網(wǎng)環(huán)境;(3)學(xué)校公用的大型機(jī)房,為沒有網(wǎng)絡(luò)終端的學(xué)生提供上機(jī)條件,為物理實驗上機(jī)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(tǒng)為核心,通過與其他系統(tǒng)互聯(lián)協(xié)作,形成服務(wù)全校師生、服務(wù)社會的開放共享虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。(1)大學(xué)物理虛擬仿真實驗中心門戶網(wǎng)站系統(tǒng).中心信息展示的窗口和交互、管理的平臺.網(wǎng)站有強(qiáng)大的內(nèi)容管理能力,便于查詢檢索,以實現(xiàn)協(xié)作和共享,網(wǎng)站有保證數(shù)據(jù)機(jī)密性和完整性的安全機(jī)制.隨著實驗室信息化建設(shè)的迅猛發(fā)展,該網(wǎng)站已成為全面展示實驗教學(xué)示范中心工作及特色的平臺,是實現(xiàn)實驗室與實驗教學(xué)智能化管理及其他系統(tǒng)相互銜接的重要手段.(2)教學(xué)管理及選排課系統(tǒng)(開放的實驗教學(xué)平臺).為培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力,必須營造學(xué)生自主學(xué)習(xí)的開放實驗教學(xué)平臺.實驗教學(xué)的開放性,是指實驗的內(nèi)容、時間和空間對學(xué)生開放.要實現(xiàn)實驗教學(xué)的開放性.首先要從教學(xué)組織模式的角度,提供學(xué)生自主學(xué)習(xí)的機(jī)會和條件[8].該系統(tǒng)實現(xiàn)了實驗教學(xué)排課、學(xué)生自主選課、成績管理等功能,豐富了教學(xué)輔助手段,細(xì)化了各項管理,進(jìn)一步提高了實驗教學(xué)的開放性和交互性,進(jìn)一步體現(xiàn)以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的實驗教學(xué)模式.同時,該系統(tǒng)也是其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)互聯(lián)的基礎(chǔ)平臺.(3)基于組件的物理仿真實驗系統(tǒng).通過計算機(jī)把實驗設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容、教師指導(dǎo)(包括文本、視頻和音頻)和學(xué)生的操作有機(jī)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(guān)鍵部位可拆解,在調(diào)整中可以實時觀察儀器各種指標(biāo)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)動作變化(見圖3).通過仿真實驗,學(xué)生對實驗的物理思想和方法、儀器的結(jié)構(gòu)及原理的理解,可以達(dá)到真實實驗都難以實現(xiàn)的效果.系統(tǒng)有很強(qiáng)的統(tǒng)計分析功能,能夠分析學(xué)生使用仿真實驗的時間、次數(shù)、錯誤等.虛擬仿真實驗結(jié)果體現(xiàn)不同實驗操作導(dǎo)致的實驗誤差,實驗真實度高.該系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口,與預(yù)習(xí)系統(tǒng)、考試系統(tǒng)互聯(lián),為仿真實驗預(yù)習(xí)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(tǒng)。(4)物理實驗預(yù)習(xí)與自動評判系統(tǒng).該系統(tǒng)在“基于組件的虛擬仿真實驗系統(tǒng)”的基礎(chǔ)上,建立與理論考試相結(jié)合的在線實驗預(yù)習(xí)環(huán)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(xué)生的大學(xué)物理實驗課程預(yù)習(xí)及考核提供了可實際操作的平臺.在預(yù)習(xí)考核內(nèi)容方面,該系統(tǒng)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(yù)習(xí),并且針對每一個實驗項目設(shè)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(dǎo)資源.達(dá)到了理論和實際操作2個方面的同時預(yù)習(xí).使用該系統(tǒng),教師可以便捷地錄入和編輯預(yù)習(xí)題庫,系統(tǒng)隨機(jī)生成預(yù)習(xí)試卷,并可以對學(xué)生的預(yù)習(xí)答題和操作情況做出自動評判.一方面,學(xué)生做完預(yù)習(xí)就可以看到自己的預(yù)習(xí)成績,可以隨時了解自己的預(yù)習(xí)成果,使學(xué)生能不斷加深預(yù)習(xí),提高預(yù)習(xí)的效果;另一方面,教師可在課前掌握學(xué)生預(yù)習(xí)效果,為課堂講解的側(cè)重點提供依據(jù).(5)物理實驗考試與自動判卷系統(tǒng).該系統(tǒng)以“基于組件的虛擬仿真實驗系統(tǒng)”為基礎(chǔ),針對大面積實驗教學(xué)中實驗設(shè)備和課時不足、教師工作量繁重等瓶頸,解決學(xué)生實驗?zāi)芰o法考核的問題.該系統(tǒng)是基于互聯(lián)網(wǎng)的軟件,利用學(xué)校公共機(jī)房資源,可實現(xiàn)大面積學(xué)生的同時在線虛擬仿真實驗考試.在考試內(nèi)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(jiān)督和評分上,軟件通過內(nèi)置的統(tǒng)一專家評判系統(tǒng),為所有學(xué)生的評分提供同樣的標(biāo)準(zhǔn),保證了評分的客觀性和公平性.系統(tǒng)的動手操作考試部分是學(xué)生通過仿真實驗來進(jìn)行,學(xué)生整個操作過程都會由專家系統(tǒng)自動給予評分,相當(dāng)于一個教師對一個學(xué)生進(jìn)行監(jiān)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(nèi)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(xué)交互系統(tǒng).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(yuǎn)程實時交互的信息化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境,實現(xiàn)教學(xué)的開放性以及教學(xué)管理、視頻答疑、課程點播、遠(yuǎn)程課程、視頻會議等在線教學(xué)功能.系統(tǒng)為物理實驗教學(xué)提供了基于頁面的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、培訓(xùn)和視頻會議平臺,為實驗在線教學(xué)提供了高效的現(xiàn)代化教學(xué)手段,保證了教學(xué)質(zhì)量的提高.以上6大系統(tǒng)緊密關(guān)聯(lián),協(xié)同配合,基于校園網(wǎng)平臺,突破時間、空間限制,面向我校所有學(xué)生共享開放.中心教學(xué)系統(tǒng)與資源部署在校園網(wǎng)的云計算平臺之上,已實現(xiàn)校內(nèi)教學(xué)、科研、管理及生活區(qū)域的100％覆蓋,本校師生可以按照身份信息在中心教學(xué)管理平臺上注冊后,便可以通過中心網(wǎng)站,在校園內(nèi)、外授權(quán)使用虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)平臺.資源使用方式靈活多樣,可以借助于PC、筆記本計算機(jī)、iPad等多種終端設(shè)備,不受人數(shù)、時間、空間限制地開展“物理實驗預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和考試”,在提升資源利用效率的同時,較好地滿足了校內(nèi)多學(xué)科、多專業(yè)、不同層次的多元化實驗教學(xué)需求,切實提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力.

3特色虛擬仿真實驗助推學(xué)研轉(zhuǎn)化

中心一直致力于將貴重的科研前沿實驗設(shè)備虛擬數(shù)字化.這樣就可以使非專業(yè)人員也能模擬操作專業(yè)人員才能接觸的儀器,把本科實驗教學(xué)與學(xué)科專業(yè)特色結(jié)合起來,將科研成果及時向教學(xué)實踐轉(zhuǎn)化.同時,利用這些仿真實驗可實現(xiàn)對研究生的培訓(xùn).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(shè).依托于我校河北省理論物理重點學(xué)科的液晶物理研究方向,開發(fā)了“液晶綜合參數(shù)測試實驗”;依托河北省生物物理重點學(xué)科及省級分子生物物理重點實驗室,開發(fā)了“激光共聚焦顯微鏡實驗”和“膜片鉗及放大器系統(tǒng)實驗”.上述仿真實驗可以實現(xiàn)儀器外觀展示、組件介紹和簡單虛擬操作.中心將繼續(xù)與相關(guān)單位聯(lián)合,深入開發(fā)上述仿真實驗的功能,并拓展新實驗.這些專業(yè)特色仿真實驗將拓展虛擬仿真實驗的教學(xué)范圍,起到開拓學(xué)生視野、完善知識結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新能力的作用.

4以學(xué)生競賽和

“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)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(xué)有余力、動手能力強(qiáng)的學(xué)生參加各級自主創(chuàng)新競賽、物理實驗競賽和“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目”,并安排骨干教師精心指導(dǎo),取得了豐碩的成果.2010年“首屆全國大學(xué)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(xué)生物理實驗競賽”,獲二等獎2項.在2014年“首屆河北省大學(xué)生物理競賽”中,中心教師指導(dǎo)學(xué)生參賽,有6人獲特等獎.中心連續(xù)3年組織學(xué)生參與“江蘇省大學(xué)生自主創(chuàng)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(yōu)秀獎6項.2009年在“河北省挑戰(zhàn)杯”大賽中獲科技作品二等獎1項.2012至2013年指導(dǎo)學(xué)生參加“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)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(xué)的內(nèi)涵得以深化,教學(xué)體系在課程之外得以拓展,部分優(yōu)秀學(xué)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(xué)習(xí)物理科學(xué)的學(xué)生投入這些活動,形成良性循環(huán),擴(kuò)大學(xué)生的受益面,提高學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)指導(dǎo)委員會和河北省物理學(xué)會主辦、河北工業(yè)大學(xué)承辦的“首屆河北省大學(xué)生物理競賽(實驗部分)”在我校舉行.中心負(fù)責(zé)具體組織實施工作.競賽采用國際青年物理學(xué)家學(xué)術(shù)競賽(IYPT)的形式進(jìn)行,來自全省19個高校的140余名參賽師生經(jīng)過答辯和對抗賽的激烈角逐,最終,我校與河北科技大學(xué)、華北電力大學(xué)、中國人民武裝警察部隊學(xué)院、燕山大學(xué)的15名學(xué)生獲得河北省首屆大學(xué)生物理競賽特等獎,我校6名參賽學(xué)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(xué)中取得的成果,廣泛加強(qiáng)了各兄弟院校間的交流,推動了河北省物理基礎(chǔ)教育的改革與發(fā)展.

5結(jié)束語

中心經(jīng)過多年的發(fā)展,取得了良好的成果.在以后的建設(shè)工作中,中心將抓住“省、部、市”共建的契機(jī),發(fā)揚(yáng)“工學(xué)并舉”的辦學(xué)特色,借助河北省理論物理重點學(xué)科和河北省生物物理重點學(xué)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(xué)科的優(yōu)勢與特色,充分利用信息化手段,使科研成果反哺實驗教學(xué),構(gòu)建結(jié)構(gòu)完備、內(nèi)容豐富、特色鮮明的物理實驗教學(xué)新體系,進(jìn)一步發(fā)揮國家級物理實驗教學(xué)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(yè)大學(xué) 物理實驗中心